外部参考DEM对矿区沉降监测结果的精度评估

李 郴 ，彭 涛 ，李 强

( 1.中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000； 2.中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230000)

随着城市化进程的加快，地面沉降成为城市主要地质灾害之一。目前，地面沉降监测主要采用传统水准测量来监测，水准测量精度高，但测量任务繁重、过程繁琐、周期长、效率低，难以满足城市地表沉降监测的需求[1]。近年来，合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)得到快速发展并广泛应用于城市地表沉降监测。通过两幅或以上的干涉图和高精度数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)进行地表微小形变测量，展现出了自身的优势，弥补了传统地表沉降监测技术的不足。D-InSAR对地表沉降监测具备全天候、连续性、大面积、全覆盖和监测周期短的特点[2-4]。D-InSAR技术在地震监测、火山喷发、冰川移动、山体滑坡、城市地表沉降监测和滑坡形变监测，均取得了较好的监测成果[5-9]。采用D-InSAR技术监测地表形变过程中，受成像误差、卫星轨道误差、数字高程模型误差、大气延迟误差影响较大，如何在地表监测中减少和去除误差的影响，是进一步提高D-InSAR技术监测的关键[10-11]。目前，随着DEM获取手段的多样化，不同DEM 的质量有所差异，导致与干涉图配准的精度不同，引起地形相位分量初始化不准确，从而影响D-InSAR沉降监测的精度[12]。本文针对不同外部DEM 对D-InSAR 沉降监测精度进行评估，旨在为矿区进行沉降监测提供参考依据。

1 双轨D-InSAR沉降监测基本原理

InSAR的差分干涉测量是以传感器两次近平行观测影像为干涉像对，根据形变点与天线两次成像位置的几何关系，精确配准形变前后的两幅复数影像，共轭相乘对应像素即可获取干涉相位，基本原理几何示意图如图1所示。

图1 InSAR基本原理几何示意图

在图1中，S1、S2为传感器在形变前后观测目标点P所处的位置，R1、R2为传感器距离目标P的距离，传感器在S1、S2处空间基线距离为B，空间基线与水平线间的夹角为α，θ1、θ2为雷达波束的入射角，此时即可获取干涉相位φ。双轨D-InSAR是在InSAR技术的基础上发展而来的，原理是获取同一地区的地表形变发生前后的两幅InSAR影像，进行数据处理得到形变图。

2 案例分析

2.1 数据来源

为了对比分析不同DEM对矿区沉降监测的结果，实验过程中分别下载了中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www/gscloud.cn)提供的ASTER GDEM V2和SRTM数字高程DEM模型。ASTER GDEM V2是覆盖全球地表高分辨率的DEM模型，其中地面分辨率为30 m，高程精度为20 m。SRTM是由美国国家航空局和国防部国家测绘局联合测量得到的DEM模型，其中地面分辨率为90 m，高程精度为16 m。外部DEM示意图如图2所示。

图2 ASTER GDEM V2和SRTM DEM示意图

2.2 双轨D-InSAR数据处理流程

对获取的原始DEM数据进行重采样处理，应用到相同的SAR坐标中，使不同的DEM数据具有相同的坐标系统和分辨率。ASTER GDEM V2和SRTM DEM重采样后示意图如图3所示。

图3 重采样后DEM示意图

对重采样后DEM数据进行双轨D-InSAR差分干涉处理，具体流程如图4所示。

由图4可以看出，对主影像和辅影像进行精确配准、干涉处理生成干涉图；主影像和DEM数据进行干涉模拟生成干涉模拟图；然后进行差分干涉处理，对干涉图中进行滤波处理(Goldstein滤波方法，该方法可以减少由时空基线引起的失相干噪声，进而获取清晰度更高的干涉条纹，同时提高了相位解缠的可信度)、相位解缠、将相位解缠相位转换为研究区的形变量数据，再根据研究区地理编码对应至坐标系统中，就可获得目标区域地表形变图，可以更加直观的看出沉降结果，如图5所示。

图4 双轨D-InSAR数据处理流程图

在图5中，第一行表示的是采用ASTER GDEM V2 DEM数据处理过程中得到的效果图，第二行表示的是采用SRTM DEM数据处理过程中得到的效果图，结果对比如表1所示。

表1 不同DEM监测结果对比分析/cm

由图5和表1可知，矿区监测区域形成明显的干涉条纹，说明该区域有明显的沉降特征；不同DEM数据得到的沉降结果存在差异性，ASTER GDEM V2和SRTM DEM监测到最大沉降量分别是39.8 cm、39.4 cm，总体结果相当；不同DEM数据得到矿区沉降图都具备沉降连续、无明显散乱的斑点特征，表明实验过程中采用ASTER GDEM V2和SRTM DEM数据进行双轨D-InSAR差分干涉处理得到的沉降结果是可靠的；部分矿区监测区域发生 “抬升”现象，分析其原因可能是矿区的开采导致地壳的运动，ASTER GDEM V2和SRTM DEM监测到最大“抬升”量分别是4.2 cm、4.5 cm。

图5 双轨D-InSAR差分干涉处理结果

2.3 不同DEM数据监测与水准监测结果对比分析

为了进一步评估不同DEM数据对矿区沉降监测的结果，采用不同DEM数据监测与水准监测结果进行对比分析，结果如表2和图6所示。

表2 DEM数据监测与水准监测结果对比分析表/cm

图6 矿区DEM数据监测与水准监测结果对比分析图

由表2和图6可以看出，ASTER GDEM V2和SRTM DEM数据对矿区的沉降监测结果和传统水准测量监测结果基本一致，都表现为沉降中心向两侧边缘逐渐减小的趋势，呈明显“漏斗”状；水准监测中最大沉降量表现在点号13～16上，两种DEM数据监测在此时也表现为最大沉降量；在水准监测中，7号水准点的监测结果与两种DEM数据监测表现出较大的差异，分别为12.1 cm、10.9 cm，分析其原因可能是数据质量、大气延迟、处理过程等误差造成的；总体而言，两种DEM数据对矿区的沉降监测的沉降量都大于水准监测的沉降量。

3 结 语

本文对比分析了不同外部参考DEM对矿区沉降监测的精度分析，实验结果表明：(1)ASTER GDEM V2和SRTM DEM对矿区沉降监测结果总体相当；(2)部分矿区监测区域发生 “抬升”现象；(3)不同DEM数据对矿区的沉降监测结果和传统水准测量监测结果进行对比，沉降监测结果基本一致。通过实验验证了双轨D-InSAR对矿区进行沉降监测的可靠性，验证了不同DEM数据对监测结果的影响，通过双轨D-InSAR技术获取矿区沉降监测结果可以为该矿区后续合理合法开采、综合管理提供一定的理论依据和参考价值。