基于时序合并的PS-InS...边区域地表形变监测中的应用_陶威.pdf

年第期 陶威，等：基 于 时 序 合 并 的-方 法 在 雄 县 及 周 边 区 域 地 表 形 变 监 测 中 的 应 用引 文 格 式：陶 威，贾 洪 果，亢 邈迒，等基 于 时 序 合 并 的-方 法 在 雄 县 及 周 边 区 域 地 表 形 变 监 测 中 的 应 用 测 绘 通 报，（）：-：-基于时序合并的-方法在雄县及周边区域地表形变监测中的应用陶威，贾 洪 果，亢 邈 迒，刘 雨 鑫（西 南 交 通 大 学 地 球 科 学 与 环 境 工 程 学 院，四 川 成 都；高 速 铁 路 运 营 安 全 空 间 信 息 技 术 国 家地 方 联 合 工 程 实 验 室，四 川 成 都；中 铁 第 一 勘 察 设 计 院 集 团 有 限 公 司，陕 西 西 安）摘 要：本 文 提 出 了 一 种 基 于 时 序 合 并 的-（-）监 测 方 法，提 取 雄 县 及 周 边 区 域 地 表 形 变 信 息。形 变 区 域 最 大沉 降 速 率 为 ，沉 降 原 因 为 地 下 水 超 采。结 果 表 明，-方 法 在 无 需 先 验 模 型 的 条 件 下，能 显 著 提 高目 标 数量，且 监 测 结 果 与方 法 提 取 的 形 变 信 息 在 沉 降 趋 势 及 沉 降 量 级 上 保 持 了 良 好 的 一 致 性，验 证 了 本 文 方 法 在 实 际 应 用 中 的可 靠 性 和 可 行 性。关 键 词：时 序 合 并；-；地 面 沉 降；中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；-，；，）：-（-），：；-；地 面 沉 降 是 一 种 地 面 标 高 缓 慢 降 低 的 地 质 现象。我 国 地 面 沉 降 灾 害 严 重，主 要 沉 降 区 包 括 长江 三 角 洲 及 华 北 平 原 等。大 面 积 的 地 面 沉 降 给当 地 人 民 生 命 财 产 安 全 造 成 严 重 威 胁，并 成 为 制 约当 地 经 济 可 持 续 发 展 的 重 要 因 素。雄 安 新 区 地 处华 北 平 原 中 心，地 势 平 缓，含 水 层 丰 富，第 四 系 沉积 层 厚 度 巨 大，浅 层 地 层 松 软、孔 隙 大、可 压 缩 性强，极 易 发 生 沉 降 地 质 灾 害。合 成 孔 径 雷 达 差 分 干 涉 测 量（，）方法 能 监 测 大 尺 度 形 变 信 息，理 论 精 度 可 达 厘 米级，但 极 易 受 大 气 延 迟 及 时 空 失 相 关 影 响。文 献 提 出 的 永 久 散 射 体 干 涉 测 量（，-）方法 弥 补 了方 法 的 应 用 局 限 性，理 论 精 度 可达 毫 米 级，被 称 之 为 标 准-方 法。使用 标 准-方 法 监 测 地 表 形 变 一 般 需 要 先 验形 变 模 型，且 所 获 得 的 非 城 市 区 域点 分 布 稀 疏。针 对 上 述 问 题，国 内 外 学 者 近 年 来 开 展 了 诸 多 研 究。在目 标 提 取 方 面，除 基 于 像 元 相 干 性与收 稿 日 期：-；修 回 日 期：-基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）；国 家 重 点 研 发 计 划（）；四 川 省 科 技 计 划（；）；铁 一 院 科 研（川 藏）-作 者 简 介：陶威（），男，硕 士，研 究 方 向 为 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量。-：通 信 作 者：贾 洪 果。-：测绘通报年第期振 幅 信 息等 基 于 信 号 强 度 的 方 法 外，文 献 采用 最 大 似 然 法，通 过 估 计 像 元 在 时 间 序 列 上 的 平 均相 干 性，将 相 干 性 较 高 的 点 作 为候 选 点 以 提 高 其分 布 密 度。文 献 提 出 的 时 域 相 干 点 测 量（，）方 法，通 过 限 制 时 空 基 线 长 度 提 取 相 干 点 目 标，可 大 幅 提 高目 标 的 数 量。但 由 于 该 方 法 预 先 假 设 地 表 形 变 为线 性，容 易 出 现 模 型 过 度 参 数 化。为 解 决 当 形 变 规 律 不 符 合 线 性 假 设 时 引 起 解算 结 果 误 差 较 大 的 问 题，有 学 者 提 出 采 用 自 适 应 形变 模 型或 使 用 高 阶 多 项 式替 代 线 性 模 型，但同 时 却 导 致 模 型 解 算 效 率 大 幅 降 低、迭 代 不 收 敛，最 终 无 法 合 理 估 计 形 变 参 数。为 此，文 献 提 出 了 斯 坦 福 永 久 散 射 体 方 法（），该 方 法 无需 先 验 形 变 模 型，适 用 于 复 杂 形 变 区 域 的 监 测。上 述 方 法 均 主 要 针 对 标 准-中 的 单 一问 题 进 行 改 进，并 未 同 时 解 决 形 变 监 测 中 非 城 区目 标 稀 疏 且 需 要 先 验 形 变 模 型 的 局 限 性。因 此，本文 在 综 合 考 虑及方 法 两 者 优 势互 补 的 基 础 上，提 出 一 种 基 于 时 序 合 并 的-（-）方 法 提 取 地 表 形 变 信 息。方 法 原 理.方法方 法 通 常 包 含 干 涉 图 生 成、相 位 稳 定 性估 计、点 选 取 及 形 变 估 计个 步 骤。处 理 流 程 如图所 示。图 数 据 处 理 流 程首 先 引 入 精 密 轨 道 数 据 和 外 部 数 字 高 程 模 型（）去 除 轨 道 误 差 和 地 形 相 位，并 生 成 差 分 干 涉图；然 后 使 用 振 幅 离 散 指 数 法进 行候 选 点 的筛 选。公 式 为（）式 中，为 时 序 振 幅 标 准 差；时 序 振 幅 均 值；选取 振 幅 离 差 指 数小 于.的 像 素 点 作 为候选 点。第幅 干 涉 图 中 第个 像 元 的 缠 绕 相 位 值，可 表 示 为，（，）（）式 中，为 形 变 相 位 变 化；，为 大 气 延 迟 相位；，和，分 别 表 示 由 轨 道 误 差 及 侧 视 角误 差 引 起 的 相 位 变 化；，为 噪 声 相 位；为 缠 绕算 子，表 示 相 位 值 在至之 间 变 化。第个 候 选点 的 残 余 相 位 值 可 表 示 为 ，?，()（）式 中，?，为 缠 绕 相 位 中 空 间 相 关 部 分 的 估 计 值，由大 气 延 迟、轨 道 误 差、入 射 角 误 差 组 成；，为 侧视 角 误 差 引 起 的 相 位 估 计 值；为 干 涉 图 的 数 量；为 第个候 选 点 相 位 残 差 变 化 的 时 间 相 关 性 测度。根 据和（由 非与候 选 点 比 值 决 定，比 值 一 般 设 为 小 于.）筛 选 出点。进 行 相 位 解 缠 前，首 先 去 除 空 间 不 相 关 侧 视 角误 差，使 得 相 邻目 标 之 间 的 绝 对 相 位 差 小 于；然 后 采 用 三 维 相 位 解 缠 方 法 进 行 相 位 解 缠，去 除 空间 相 关 侧 视 角 误 差 和 噪 声；最 终 将 相 位 值 转 换 为 形变 量。.基于时序合并的方法时 域 相 干 点 指 仅 在 数 据 集 中 某 时 段 内 保 持 相位 稳 定 性 的 点 目 标，在 常 规 时 序 处 理 方 法 中 未 能 被充 分 利 用。本 文 提 出 的 改 进方 法 通 过 限 制 时 间基 线，将 数 据 集 分 为 较 小 的 时 间 跨 度 且 具 有 时 间 重叠 的 若 干 子 数 据 集。单 独 使 用对 各 子 数 据集 进 行 处 理 后，将 各 子 时 段 提 取 的 时 域 相 干 点 形 变信 息 合 并，从 而 最 终 获 得 全 时 段 形 变 时 间 序 列。在 进 行 时 序 合 并 时 需 解 决个 关 键 问 题：不同 数 据 集 中 参 考 点 的 位 置 难 以 保 持 一 致；不 同 时段 子 集 进 行处 理 得 到 的点 空 间 位 置 有 所 差异；相 邻 时 段 重 叠 时 间 内 最 佳 合 并 时 间 点 的 选 取及 时 间 序 列 如 何 拼 接。针 对 以 上 问 题，算 法 的 详 细描 述 如 下：以个 子 数 据 集 合 并 为 例，个 及 以 上 子集 合 并 为个 子 集 合 并 的 扩 展。针 对 不 同 数 据 集 的 参 考 点 难 以 保 持 完 全 一 致的 问 题，可 将 参 考 点 选 取 设 定 在 一 个 相 位 稳 定、未年第期 陶威，等：基 于 时 序 合 并 的-方 法 在 雄 县 及 周 边 区 域 地 表 形 变 监 测 中 的 应 用发 生 形 变 的 区 域，以 消 除 位 置 不 同 所 造 成 的 影 响；针 对 不 同 时 段目 标 的 空 间 位 置 存 在 差 异 问 题，可 将 数 量 较 少 时 段 的目 标 进 行 插 值 和 采 样 以 进行 统 一。由 于 地 理 属 性 与 地 理 距 离 存 在 较 强 相 关性，插 值 算 法 可 选 择 反 距 离 加 权 法（）。最 后 根 据 重 叠 时 期 内 对 应 点 形 变 差 的 最 小 平方 和 原 则，寻 求 最 佳 拼 接 时 间 点。最 佳 拼 接 时 间 点可 表 示 为 （），（）（）式 中，表 示点 个 数；表 示 重 叠 周 期 内 时 间 节点 数 量（即 重 叠 影 像 数 量）；和分 别 表 示 第个点 在点 数 量 较 多 时 段 及 插 值 后 该 时 段 的 形变 量。第个点 在处 的 位 移 差 可 表 示 为，将 插 值 后 的 形 变 量加 上，得 到 该 处整 个 时 间 跨 度 的 形 变 时 间 序 列。以 此 类 推，最 终 获得 所 有目 标 的 全 时 段 形 变 时 间 序 列。研 究 区 及 数 据 处 理.研究区概况研 究 区 位 于 雄 县 及 周 边 区 域，如 图所 示，属 温带 季 风 型 大 陆 性 气 候，年 均 气 温 为.，第 四 系地 下 水 主 要 为 松 散 岩 类 孔 隙 水。图研 究 区 示 意.数据处理本 文 使 用年月日 年月日的景-升 轨 干 涉 宽 幅 成 像数 据，具 体 参 数 见 表。数 字 高 程 模 型（）数 据 为 美 国航 空 航 天 局 提 供 的 分 辨 率。表试 验 数 据 参 数名 称参 数卫 星 系 统-波 长.重 访 周 期 成 像 方 式干 涉 宽 幅 模 式（）极 化 方 式分 辨 率 -方 法 处 理 流 程 如 图所 示，首 先将 影 像 数 据 划 分 为个 时 段 使 用方 法 进 行处 理，重 叠 时 间 跨 度 为个 月。时 段为年月日 年月日，主 影 像 日 期 为年月日；时 段为年月日 年月日，主 影 像 日 期 为年月日。通 过 分 时 段 处 理 可 有 效 减 小 时 间 跨 度 过 长引 起 的 失 相 干 现 象。图-方 法 处 理 流 程使 用方 法 于 时 段提 取 了 个目 标、时 段提 取 了 个目 标。由 于 不同 时 段 提 取 的目 标 具 有 空 间 分 布 差 异 性，因 此首 先 将个 时 段 的点 投 影 到高 斯 投影 坐 标 系 中，然 后 以 时 段的目 标 作 为 基 准，对时 段的 目 标 点 进 行 反 距 离 加 权 法 插 值。在 统 一两 个 时 段目 标 的 地 理 位 置 后，进 行 时 序 拼 接 并计 算 平 均 形 变 速 率。结 果 分 析 及 精 度 验 证.监测结果图（）和（）分 别 展 示 了 使 用和-方 法 提 取 的 研 究 区 域 内 各 点 目 标 的 分 布。测绘通报年第期相 较 于提 取 的 个目 标，使 用-方 法 提 取 的目 标 达 个，在数 量 及 分 布 密 度 上 有