合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性分析.pdf

测绘通报2 0 0 5 年第 1 1 期文章编号:0 4 9 4-0 9 1 1(2 0 0 5)1 1-0 0 1 0-0 4中图分类号:T U 1 9 6文献标识码:B合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合 监测矿区地表沉降的可行性分析 刘国 林,2，张连蓬2，成枢2，江涛2 (I.中国 科学院测量与地球物理研究所，湖北武汉4 3 0 0 7 7;2.山东 科技大学地球信息科学与工程学院，山东泰安 2 7 1 0 1 9)F e a s i b i l i t y A n a l y s i s o f Mo n i t o r i n g Mi n i n g S u r f a c e S u b s t a n c e U s i n g I n S A R/G P S D a t a F u s i o n L I U G u o-h n,Z H A N G L i a n-p e n g,C H E N G S h u,J I A N G T a o摘要:由 于G P S 与I n S A R 间具有很好的 互补性，使得二者的 数据融合能够在时间 域和空间域提高地面沉降监测的能力，现已 成为国内 外地面沉降监测技术的研究重点。概述I n S A R 技术监测地面沉降的应用现状和I n S A R/G P S 数据融合的研究现状，分析I n-S A R/G P S 数据融合在矿区 地表形变监测中 应用的可行性以及主要研究内 容。关键词:合成孔径雷达干涉测量(I n S A R);G P S;地面沉降;数据融合一、引言 煤炭及其他固体矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时，也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害。矿山开采沉降是由于矿物开采后形成采空区，其上部岩层在重力等作用下发生冒落、断裂、挤压、弯曲、移动等变形，传播到地面形成的。由于地面沉降的出现，直接破坏地表土地的自 然状态，降低土地的使用价值;其次，由于水平变形和不均匀沉降，造成沉降区内的工业和民用建筑物、水利设施、交通设施等产生裂缝和扭曲等变形，直接影响人们的安全生产和生活。矿山开采引起的地面沉降是一个复杂而又缓慢的过程，要认识这一复杂过程的规律，必须研究建立在实测资料基础上的各种预测计算模型，必须对开采沉降的野外数据进行广泛的采集、整理和分析。开采沉降研究至关重要的课题为沉降监测。同时，为地面沉降灾害预测、损失评估提供可靠的依据，进而为地面沉降治理提供合理的措施，有效地控制沉降，降低地面沉降造成的损失，也必须通过监测等手段及时掌握沉降情况。因此，矿山地表沉降监测是矿山开采与可持续发展的重要组成部分。目 前，煤炭开采的地表沉降监测主要依赖于传统的水准测量、静态 G P S 测量或动态 G P S 测量。收稿日期:2 0 0 4-0 4-2 6地表移动变形观测站的设置以剖面线形式为主，监测数据主要反映的是开采区域主断面的沉降情况，只能对监测点绘制出沉降剖面曲线图进行分析。如果要对沉降区域的地面沉降变形情况进行全面掌握和分析处理，必须布设大量的监测点，通过拟合等手段，绘制出沉降等值线图。这种地面沉降监测方式，不仅存在变形监测工作量大、费时、费财和测点难于长时间保存等缺陷，通常还因监测精度等原因，导致沉降变形分析处理出现偏差。为此，迫切需要改进目 前的监测方法，采取新的监测手段。由于合成孔径雷达干涉测量(I n S A R)可以穿过各种大气层，全天候、全天时获取地面高程及形变信息，特别是其具有测量精度可达毫米级精度的潜能及连续空间覆盖的能力，可以进行长期的地表形变监测，现已成为一种极具潜力的空对地观测技术。因此，研究I n S A R 在矿区地表沉降监测中的应用以及其关键技术具有重要的应用价值和广阔的应用前景。这也是国际地面沉降变形监测方法研究的主要方向之一。二、I n S A R监测地表沉降的应用现状以 及 I n S A R/G P S 数据融合的研究现状1.I n S A R 在地表沉降监测中的应用现状 1 9 9 6 年，C a rn e c 等 利用D-I n S A R 技术监测法国G a r d a n n e 地区局部地面沉降与滑坡。1 9 9 7年，基金项目作者简介:青岛市自 然科学基金资助项目(0 4-2-J Z-1 0 1):刘国林(1 9 6 6-)，男，河南焦作人，教授，博士，主要从事测量数据处理理论、I n S A R技术的关键数据处理与应用研究。2 0 0 5 年第 1 1 期测绘通报M as s o n n e t 等 2 研究了美国加利福尼亚E as t M e s a地区地热场活动引起的地面沉降，其结果与水准测量 结 果 非 常 一 致。1 9 9 8 年F ie l d i n g 等 3 利 用E R SS A R 数 据 对 加 利 福 利 亚B e l r id g e 油田 的 地 面 快 速 沉降进行了 研究，清楚地监测到油田以每年大于4 0 0m m的 速度沉降。1 9 9 9 年W e g m u ll e r 等利用E R S数 据监测意大利B o l o g n a 城的 沉降情况，并与水准测量数据和 G P S 数据进行分析比较，得到了较一致的 形 变场和 形变速 率结果。日 本的H ir o y u k i N a k-a g w a 等人利用J E R S-1 L 波段S A R 研究K a n t o 北部平原的地面沉降，表明L 波段 S A R数据更适宜于研 究平原地区的 地面沉降。G a ll o w a y 等人用I n-S A R 分析了 美国 加 州A n t e l o p e V a lle y 地区 含水层收缩及由于地下水抽取造成的地面沉降，并与 G P S及水准测量进行了对比分析，认为用 E R S 数据能以1 0 m m的精度监测地面沉降变化。另外，还有许多研究人员利用不同的星载 S A R数据源开展了I n-S A R 研究地面沉降的 工作。在国内，王超等 4 利用D-I n S A R 技术研究和分析了苏州地区的地表沉降，采用 1 9 9 3 年2 月到2 0 0 0 年2 月间的1 1 景E R S-1/2S A R 数据，构成7 个干涉图像对，通过三轨差分法，获 得 地表沉降 信息。李德仁等 s 利用D-I n S A R 技术研究和分析了天津地区的地表沉降等，游新兆等 6 分析了 长江三峡工程库首区I n S A R 测量的 结果，评估了在长江三峡这一地形起伏较大、植被茂密且潮湿地区用 I n S A R技术监测研究地壳形变、滑坡的可行性等。2.I n S A R/G P S 数据融合的 研究现状 由于I n S A R 受到大气层延迟、卫星轨道误差、系统的热噪声引起的热失相关、空间基线过长或过短引起的基线失相关、两次飞行不平行引起的旋转失相关、两次飞行期间气候和地面等环境因素发生变化引起的时间失相关等诸多因素影响，而 G P S 精密定位，可以较为精确地确定电离层、对流层等参数，两者具有很好的互补性。因此，G P S 与I n S A R的数据融合自2 0 世纪9 0 年代后期就成为 I n S A R技 术的一个新的研究热点。1 9 9 5 一 1 9 9 7 年，G o l d-s t e i n,T a r a y r e 和Z e b k e r 等就提出，由 于在时间与空间上大气变化的不确定性，对雷达信号会造成不同的传播延迟，从而会影响I n S A R地形制图和变形监测的 精度问 题 -9 1 0 1 9 9 8 年S i m o n 等 t o 研究了对流层噪声对 I n S A R结果的影响，1 9 9 9年 E m a r d s o n等 研究了S A R 测量的中性大气延迟，2 0 0 0 年H o e v e n 等 12 采用内 插G P S 网中 获取的 数据和G P S时间序列两种方法建立对流层延迟改正模型来改善I n S A R 数据。1 9 9 7 年和2 0 0 0 年G。等人 1 3,1 4 提出I n S A R与C G P S 的集成问题，并提出了D I D P(D o u-b le I n t e r p o la t i o n a n d D o u b l e P r e d ic t io n)方 法，即 利 用C G P S 数据对 I n S A R数据进行大气改正，减弱大气延迟对I n S A R的影响;利用 G P S 定位结果作为约束条件对雷达卫星轨道误差进行修正，剔除或减少S A R卫星轨道误差对 I n S A R 结果的影响;最后在时间域和空间域内进行内插，实现高精度、高时空分辨率的 形 变监测。在国内，2 0 0 1 年金双根等 1s 利用G P S 观测数据修正中性大气对 I n S A R干涉测量相位延迟。2 0 0 3 年 游新兆等 “分析了 干涉图中大气参数(气压、温度与相对湿度)对干涉相位的影响，并计算了参数变化对干涉相位、高程与形变误差的影响量，许才军、陈基伟 1 7,18 等也概述了G P S 与I n S A R 数据融合的必要性，并对 G P S 与 I n S A R数据融合的研究任务等进行了分析与展望。三、I n S A R/G P S 单独监测矿区地表 沉降的局限性 矿山地表沉降与城市地表沉降和地下流体运移引起的地表沉降过程有所不同。城市地表沉降和开采地下水和石油等引起的地表沉降是一种慢渐变、累积的沉降过程，而矿山地表沉降过程相对比较集中，其发生的过程主要在开采区域开始回采后并延续至开采活动结束后的一段时期内。其过程分开始阶段、活跃阶段和衰退阶段。在矿山开采的开始阶段和衰退阶段，由于每天的沉降量小于1.6 7 m m,因此可以一月进行 1 一 2 次观测。然而在活跃阶段，由于每天的沉降量一般大于 1.6 7 m m，最大可以达到2 0 一 3 0 m m，甚至更大，因此在这期间，观测次数要增加。而从开采沉降的整个地表移动过程中，活跃阶段要占到8 0%左右的时间。另外，矿山地表沉降的变形量和变形速度均较城市等地表沉降更为明显，破坏性也更大。然而，目 前比较先进和常用的矿区地表沉降监测技术，是采用 G P S 等监测手段，而地表移动变形观测站的设置以剖面线形式为主，监测数据主要反映的是开采区域主断面的沉降情况，只能对监测点绘制出沉降剖面曲线图进行分析。尽管G P S 在时间域上的分辨率很高，可以用以连续动态监测地面沉降，但由于G P S 接收机数量和布网阵列等限制，G P S 在空间域上的分辨率无法达到很高。为此，如果要对沉降区域的地面沉降变形情况进行全面掌握和分析处理，必须布设大量的监测点，通过拟合等手段，绘制出沉降等值线图。然而这种地面沉降监测测绘通报2 0 0 5 年第 1 1 期方式，不仅野外作业周期长、耗费大量人力物力等，更主要的是 G P S 只对有限数目的离散点监测，不能准确生成沉降曲面，也不能对整个矿区大范围地表沉降情况进行全面分析。另外，地表移动变形观测站许多建立在农业生产区等上，除了土地赔偿外，更主要的是由于耕种等诸多原因，一般难于长时间保存，通常还因监测精度等原因，导致沉降变形分析处理出现偏差。而单独采用I n S A R 进行矿区地表沉降监测，尽管它可以满足在空间域上的分辨率达到很高，但由于雷达卫星有其固有的运行周期，它却不能满足在时间 域上的高分辨率。因此，单独采用 I n S A R 进行监测，特别是在沉降的活跃阶段，由于两次监测间的时间间隔就无法满足矿山沉降监测的时效性。另外，I n S A R 作为一种监测手段，也有其固有的限制，其数据质量要受到S A R卫星轨道误差、大气层延迟误差、系统热噪声引起的热失相关、多普勒质心引起的失相关、空间基线过长或过短引起的基线失相关、地面散射引起的失相关、两次飞行不平行引起的旋转失相关、两次飞行期间气候和地面等环境因素发生变化引起的时间失相关以及数据处理过程引起的噪声等多种因素影响，造成了I n S A R技术应用中的许多实际困难，而且精度也受到一定的限制。因此，为了得到最佳监测效果，选择G P S 和I n-S A R 结合的监测方案，充分发挥其各自优势。而G P S 与I n S A R 数据融合可以实现时间分辨率和空间 分辨率的形变监测，有利于变形分析和沉降灾害损失评估。四、I n S A R/G P S 数据融合监测矿区 地表沉降的可行性 I n S A R与 G P S两种技术，具有很好的互补性 17 1:G P S 作 为 一 种 理 想的 点 定位系 统，获 得的 是高精度的绝对坐标，而且 G P S 允许长时间连续观测，可提供时间分辨率很高的观测数据。但G P S 的空间分辨率较低，不能满足高空间分辨率形变监测的需求。I n S A R 可被看作瞬时观测，提供的是整个区 域面上的连续信息。其空间分辨率高，但由于其固有的运行周期，在时间域上分辨率低，不能满足高时间分辨率形变监测的需求。由于人射角的关系，I n S A R 对高程信息特别敏感，尤其是利用 D-I n S A R进行形变监测，精度可达亚厘米级。为此，G P S 与I n S A R数据融合既可以改正 I n S A R数据本身难以消除的误差，又可以实现G P S 技术高时间分辨率和高平面位置精度与 I n S A R技术高空间分辨率和高程变形精度的有效统一。目 前，I n S A R与 G P S的数据融合成为 I n S A R技术的一个新的研究热点。特别是 D I D P方法 1 3,14 的 提出 为 二 者的 数 据 融 合 提 供了 一 种方 法，即首先利用 C G P S 数据对 I n S A R数据进行大气改正，减弱大气层延迟(对流层延迟、电离层延迟等)对I n S A R的影响;其次，利用G P S 定位结果作为约束条件对雷达卫星轨道误差进行修正，剔除或减少S A R 卫星轨道误差对 I n S A R结果的影响;第三，基于G P S 改正后的I n S A R图像在时间域和空间域内对不同I n S A R周期的G P S 观测值进行内插，即在空间域利用 I n S A R数据对 G P S 格网进行内插，在时间域利用 G P S 数据对上述已内插加密过的格网上再行内插;第四，在双内插的结果上，利用卡尔曼滤波对格网中的所有点进行估计，预测各点形变，实现高精度、高时空分辨率的形变监测。当然，随着I n S A R与G P S 数据融合应用范围的拓宽，在内 插与预测上，不仅会采用已有的双线性内插、样条内差和时间序列预测、多层递阶预测等已成熟的方法，还会不断提出更多新的方法。尽管国内外许多科学家在应用 I n S A R监测地表沉降方面开展了大量的实践研究工作，但由于矿山地表沉降的特殊性以及它与城市等地表沉降间的差异，综合分析 I n S A R与 G P S 单独监测矿山地表沉降的优缺点以及目 前 G P S 监测矿山地表沉降的实践经验等，可以预见，研究I n S A R与G P S 的数据融合，充分发挥二者各自的优势，既满足矿山沉降监测的时效性，又能准确监测矿区大范围的地表沉降，必将成为未来矿山地表沉降监测的发展趋势。五、I u S A R/G P S 数据融合监测矿区 地表沉降的主要研究内容 I n S A R,G P S 数据融合监测矿区地表沉降的主要研究内容应包括以下几个方面:1.由于矿山地面沉降在开始阶段和衰退阶段一般都比较缓慢，且形变量小，相反受大气等的影响也就更大。因此，研究利用 G P S 数据精化时间尺度上的大气延迟，减弱大气延迟(对流层延迟、电离层延迟等)对I n S A R的影响，研究 G P S 对改正I n S A R相位延迟的可行性和精度分析。研究利用 G P S 定位结果对雷达卫星轨道误差进行修正，剔除或减少S A R 卫星轨道误差对 I n S A R结果的影响。研究G P S 与I n S A R数据融合的理论与方法以及相应的最优算法、G P S 与I n S A R 数据在时间域与空间域融合的数学模型和算法以及在地表沉降等领域应用的2 0 0 5 年第 1 1 期测绘通报1 3实际效果，并进行精度分析。2.由于矿山地面沉降在开始阶段和衰退阶段一般都比较缓慢，形变量小，而在活跃阶段沉降速度快、形变量大。同时，由于时间基线距长，会使干涉相干降低，给差分干涉测量带来困 难;而采用时间间隔短的S A R 影像对进行干涉，又会造成购买数据的极大浪费。因此，如 何合理安排G P S 监测与I n S A R数据，既能保证监测的时效性，又能节省开支应是I n S A R,G P S 数据融合监测矿区地表沉降的研究内容。3.研究利用D-I n S A R获得的地表沉降曲面反演地表移动参数，根据反演参数以及 G P S 监测数据，在时间域和空间域内进行内插，实现高精度、高时空分辨率的形变监测。研究I n S A R,G P S 数据融合监测矿区地表沉降的形变特征，进行变形分析和评价灾害损失等，为预测沉降灾害的发生、降低沉降损失提供可靠的技术支撑，为生态治理、矿区土地复垦提供服务。总之，研究I n S A R 与 G P S 的数据融合，充分发挥二者各自 的优势，既要满足矿山沉降监测的时效性，又能准确监测矿区大范围的地表沉降情况，对丰富和完善I n S A R 数据处理理论，提高精度与可靠性具有十分重要的科学理论意义，同时，也将会在城市地面沉降和开采地下水、石油和天然气引起的地表沉降、山 体滑坡等引起的细微持续的地表位移的I n-S A R 与G P S 监测中发挥作用，具有重要的实用价值。I 2 3 4 参考文献:C A R N E C C,MA S S O N N E T D,K I N G C.T w o E x a m-A l e s o f t h e U s e o f S A R I n t e r f e r o m e t r y o n D is p l a c e m e n t-f ie ld s o f S m a ll S p a t ia l E x t e n t J .G e o p h y s R e s L e t t,1 9 9 6,2 3(2 4):3 5 7 9-3 5 8 2.MA S S O N N E T D,H O L Z E R T,V A D O N H.L a n d S u b-s i d e n c e C a u s e d b y t h e E a s t M e s a G e o t h e r m a l F i e l d,C a l-f o r n ia,O b s e r v e d U s in g S A R I n t e r f e r o m e tr y J .G e o p h y sR e s L e t t,1 9 9 7,2 4(8):9 0 1-9 0 4.F I E L D I N G E J,B L OM R G,G O L D S T E I N R M.R a p i d S u b s id e n c e o v e r O il F ie l d s M e a s u r e d b y S A R I n-t e r f e r o m e t r y 仁 J .G e o p h y s R e s L e t t,1 9 9 8，2 5,(1 7):32 1 5-32 1 8王 超，张红，于勇，等.雷达差分千涉测量 J .地理学与国土研究，2 0 0 2,1 8(3):1 3-1 6.上 5 李德仁，杨杰.从卫星雷达提取地面高程信息的原 理与 应用 J 大地测量与地 球动力学，2 0 0 2,2 2(2):1-6.6 游新兆，李澎荪，杨少敏，等，长江三峡工程库首区I n-S A R 测量的初步研究.l I.地壳形变与地震,2 0 0 1,2 1 (4):5 8-6 6.7 G O L D S T E I N R M.A t m o s p h e r ic L i m i t a t io n s t o R e p e a t-t r a c k R a d a r I n t e r fe r o m e t r y J .G e o p h y s ic a l R e s e a r c h L e t t e r s,1 9 9 5,2 2:2 5 1 7-2 5 2 0 8 T A R A Y R E H,M A S S O N N E T D.A t m o s p h e r ic P r o p s-g a t io n H e t e r o g e n e i tie s R e v e a le d b y E R S-1 J G e o p h y s i-c a l R e s e a r c h L e t t e r s,1 9 9 6,2 3(9):9 8 9-9 9 2.上 9 Z E B K E R H,R O S E N P,H E N S L E Y S.A t m o s p h e r ic E f f e c t s i n I n t e r f e r o m e t r ic S y n t h e t ic A p e r t u r e R a d a r S u r-f a c e D e f o r m a t io n a n d T o p o g r a p h ic M a p s J .G e o p h y s R e s,1 9 9 7,2(B 4):75 4 7-75 6 3.1 0 S I M O N W,B A C K Y,F A N G P.I n t e g r a t e d S a t e ll i t e I n t e r f e r o m e t r y:T r o p o s p h e r i c N o is e,G P S E s t i m a t e s a n d I m p li c a t i o n s f o r I n t e r f e r o m e t r ic A p e r t u r e R a d a r P ro d-u c t s t J .G e o p h y s R e s,1 9 9 8,1 0 3(B i l):2 7 0 5 1-2 70 6 7.川E M A R D S O N R.N e u t r a l A t m o s p h e r ic D e l a y M e a s u r e d b y C P S a n d S A R J .E O S,1 9 9 9,8 0(1 7):7 9.1 2 H O E V E N A,H A N S S E N R F,A M B R O S I U S B C r o s s-V a li d a t io n o f T r o p o s p h e r ic D e l a y V a r ia b il i t y O b-s e r v e d b y G P S a n d S A R I n t e r f e r o m e t r y J G P S N i e u w s b r i e f,2 0 0 0,2(1 5):2-7.1 3 G E L,H A N S,R I Z O S C.T h e D o u b l e I n t e r p o la t i o n a n d D o u b le P r e d ic t i o n(D I D P)A p p r o a c h f o r I n S A R a n d G P S I n t e g r a t io n J .I A P R S,2 0 0 0,3 3(7):1 6-2 3.1 4 G E L,I S H I K A W A Y,F U J I W A R A S.T h e I n t e g r a-t i o n o f I n S A R a n d C G P S:A S o l u t i o n t o E f f i c i e n t D e f o r-m a t io n M o n i t o r i n g A .I n t.S y m p.o n C u r r e n t C r u s t a l Mo v e m e n t a n d H a z a r d R e d u c t i o n i n E a s t A s i a a n d-S o u t h-e a s t A s ia,Wu h a n,P.R.C h i n a,N o v e m b e r 1 9 9 7 C .s.1,:仁 s.n.，1 9 9 7.1 5 金双根，朱文耀 G P S 观测数据提高I n S A R 干涉测量 精度的 分析 J 遥感信息,2 0 0 1,(4):8-1 1红 1 6 飞 游新兆，王琪，乔学军，等 大气折射对I n S A R影响的 定量分析 i I.大地测量与地球动力学，2 0 0 3,2 3(2)-8 1-8 7L 1 7 许才军，I华，黄劲松.G P S 与I N S A R数据融合研究 展望 J l.武汉大学学报(信息科学版)，2 0 0 3,2 8(特 刊):5 8-6 1仁 1 8 陈基伟 利用G P S/I n S A R 合成方法进行地面 沉降 研 究的现状与 展望I V.测绘科学，2 0 0 3,2 8(4):6 9-7 1