分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry，合成孔徑雷達(dá) 干涉)技術(shù)下的地面沉降監(jiān)測及時序演化規(guī)律領(lǐng)域，具體而言，涉及一種分析淺地表空間利 用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相對于水準(zhǔn)測量、分層標(biāo)測量等常規(guī)監(jiān)測方法，InSAR技術(shù)可以實時動態(tài)獲取大范 圍、高精度的地表形變細(xì)節(jié)信息。永久散射體干涉測量(Permanent Scatterer for SAR Interferometry，PS_InSAR)技術(shù)、小基線集雷達(dá)干涉測量(Small Baseline-InSAR，SBAS) 是目前具有代表性的時序InSAR監(jiān)測技術(shù)，克服了傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)空間、時間去相干影響， 減弱大氣延遲帶來的誤差組分，提高形變監(jiān)測信息的時、空分辨率及數(shù)據(jù)處理的精度，在城 區(qū)或植被覆蓋稀少地區(qū)可以達(dá)到毫米級的地表形變監(jiān)測精度。國內(nèi)外眾多專家學(xué)者不斷改 進(jìn)該兩種方法，并取得了成功的應(yīng)用。H 〇〇per(2007)提出一種新的融合小基線（SBAS)和PS 技術(shù)監(jiān)測地表形變的算法，證明了小基線（SBAS)技術(shù)和PS方法雖然用不同的離散模型，但 二者存在優(yōu)勢互補(bǔ)之處，融合兩者數(shù)據(jù)集不僅能夠增加相干像元數(shù)量，而且提高了像元的 信噪比，大幅度減小了解纏空間的偏差，這一優(yōu)勢是單一小基線技術(shù)或PS技術(shù)都無法比擬 的。
[0003] 在時序InSAR技術(shù)獲取地面沉降監(jiān)測信息基礎(chǔ)上，借助地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間 數(shù)據(jù)管理和分析能力，可以更全面地揭示地面沉降時空演化過程。因此，時序InSAR與GIS技 術(shù)的集成應(yīng)用，是地面沉降監(jiān)測和演化研究的重要發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法，用以 研究淺地表空間的地面沉降演變規(guī)律。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演 變規(guī)律的方法包括以下步驟：
[0006] 對設(shè)定期間內(nèi)反映地表形變信息的圖像序列進(jìn)行差分干涉處理，并對處理得到的 多幅差分干涉相位圖像進(jìn)行光譜濾波得到SBAS數(shù)據(jù)集和PS數(shù)據(jù)集；
[0007] 采用空間相關(guān)組分、空間非相關(guān)視角誤差評估方法，從得到的所述SBAS數(shù)據(jù)集和 所述PS數(shù)據(jù)集中選擇誤差小于設(shè)定值的一組SBAS點(diǎn)和PSA;
[0008] 對所選的一組SBAS點(diǎn)和PS點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)集融合處理，并對融合后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行相位 解纏，通過奇異值分解及范數(shù)約束提取像元形變信息，得到相對于參考區(qū)域的主圖像的時 間序列形變信息。
[0009] 進(jìn)一步地，上述分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法還包括 以下步驟：
[0010] 采用設(shè)定大小的移動窗口從反映時間序列形變信息的主圖像上選擇多個典型區(qū) 域，對于所選的每個典型區(qū)域，采用GIS空間分析方法，根據(jù)該典型區(qū)域的時間序列形變信 息獲取該典型區(qū)域的時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律。
[0011] 進(jìn)一步地，上述分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法還包括 以下步驟：
[0012] 采用GIS空間分析方法，根據(jù)多個典型區(qū)域中每個典型區(qū)域的時間序列形變信息 獲取多個典型區(qū)域內(nèi)的時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律。
[0013] 進(jìn)一步地，所述多個典型區(qū)域為5個。
[0014]進(jìn)一步地，所述移動窗口為6km2大小的正方形。
[0015] 進(jìn)一步地，該典型區(qū)域的時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律包括年際地面沉降 量。
[0016] 進(jìn)一步地，多個典型區(qū)域內(nèi)的時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律包括地面沉降速 率極值和年平均地面沉降速率。
[0017] 本發(fā)明采用的永久散射體干涉測量（Permanent Scatterer for SAR Interferometry，PS_InSAR)技術(shù)、小基線集雷達(dá)干涉測量(Small Baseline-InSAR,SBAS) 是目前具有代表性的時序InSAR監(jiān)測技術(shù)，克服了傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)空間、時間去相干影響， 減弱大氣延遲帶來的誤差組分，提高形變監(jiān)測信息的時、空分辨率及數(shù)據(jù)處理的精度，在城 區(qū)或植被覆蓋稀少地區(qū)可以達(dá)到毫米級的地表形變監(jiān)測精度。同時，結(jié)合GIS空間分析方 法，在區(qū)域淺表層空間（地鐵、城市密集建筑群(CBD)、立體交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)施)不同的變異模式 下，選取多個典型地面沉降區(qū)域，結(jié)合土地利用分類信息、可見光遙感影像、地質(zhì)資料等，分 析時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019] 圖1為本發(fā)明一個實施例的融合PS和小基線InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明一個實施例的5個典型區(qū)域不均勻地面沉降演變過程分析圖；
[0021] 圖3為5個典型的移動窗口的位置分布及沉降速率情況圖；
[0022] 圖4為典型區(qū)域1的沉降分布(左)與年際形變演化過程(右)圖；
[0023] 圖5為典型區(qū)域2的沉降分布(左)與年際形變演化過程(右)圖；
[0024] 圖6為典型區(qū)域3的沉降分布(左)與年際形變演化過程(右)圖；
[0025] 圖7為典型區(qū)域4的沉降分布(左)與年際形變演化過程(右)圖；
[0026] 圖8為典型區(qū)域5的沉降分布(左)與年際形變演化過程(右)圖；
[0027] 圖9為5個典型區(qū)域PS點(diǎn)和小基線點(diǎn)不同沉降速率比例分布圖；
[0028] 圖10為5個典型區(qū)域相干點(diǎn)沉降速率極值比較分布圖。
【具體實施方式】
[0029]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030] 圖1為本發(fā)明一個實施例的融合PS和小基線InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖；圖2為本 發(fā)明一個實施例的5個典型區(qū)域不均勻地面沉降演變過程分析圖；如圖所示，分析淺地表空 間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法包括以下步驟：
[0031] 對設(shè)定期間內(nèi)反映地表形變信息的圖像序列進(jìn)行差分干涉處理，并對處理得到的 多幅差分干涉相位圖像進(jìn)行光譜濾波得到SBAS數(shù)據(jù)集和PS數(shù)據(jù)集；
[0032] 采用空間相關(guān)組分、空間非相關(guān)視角誤差評估方法，從得到的所述SBAS數(shù)據(jù)集和 所述PS數(shù)據(jù)集中選擇誤差小于設(shè)定值的一組SBAS點(diǎn)和PS點(diǎn)；從得到的所述SBAS數(shù)據(jù)集和所 述PS數(shù)據(jù)集選擇設(shè)定數(shù)量的SBAS點(diǎn)和PS點(diǎn)，并對所選的SBAS點(diǎn)和PS點(diǎn)進(jìn)行空間相關(guān)組分、 空間非相關(guān)視角誤差評估；
[0033] 對所選的一組SBAS點(diǎn)和PS點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)集融合處理，并對融合后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行相位 解纏，通過奇異值分解及范數(shù)約束提取像元形變信息，得到相對于參考區(qū)域的主圖像的時 間序列形變信息。
[0034] 進(jìn)一步地，上述分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法還包括 以下步驟：
[0035]采用設(shè)定大小的移動窗口（如6km2大小的正方形）從反映時間序列形變信息的主 圖像上選擇多個(如5個)典型區(qū)域，對于所選的每個典型區(qū)域，采用GIS空間分析方法，根據(jù) 該典型區(qū)域的時間序列形變信息獲取該典型區(qū)域的時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律(如 包括年際地面沉降量）。
[0036] 進(jìn)一步地，上述分析淺地表空間利用差異模式下地面沉降演變規(guī)律的方法還包括 以下步驟：
[0037] 采用GIS空間分析方法，根據(jù)多個典型區(qū)域中每個典型區(qū)域的時間序列形變信息 獲取多個典型區(qū)域內(nèi)的時間序列的不均勻沉降的演化規(guī)律(如包括地面沉降速率極值和年 平均地面沉降速率）。
[0038] 其中，圖1、圖2實施例中是選取2003~2009年的覆蓋研究區(qū)的29景降軌Envisat ASAR數(shù)據(jù)，以2005年12月14日為主圖像，具體的參考區(qū)域為：（經(jīng)度:El 17.180°~117.220° ; 煒度:N40.340°~40.355° )，針對PS和小基線兩種技術(shù)的不同特點(diǎn)，從相干點(diǎn)目標(biāo)散射特性 角度出發(fā)，將PS和SB干涉方法進(jìn)行融合，評估、分離像元相位中的地形相位、軌道誤差、大氣 延遲影響及噪聲去相關(guān)組份[12]，優(yōu)化干涉數(shù)據(jù)集中PS、SBAS像元子集的選取方法，在融合 像素子集的基礎(chǔ)上進(jìn)行相位解纏，通過奇異值分解及范數(shù)約束提取像元形變信息，獲取28 景輔圖像中583100個PS和小基線點(diǎn)相對于參考區(qū)域的主圖像的時間序列形變值，選取地面 沉降水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評價。
[0039] 以下以北京平原地區(qū)為例，分析北京平原地區(qū)區(qū)域地面沉降空間分布，在地面沉 降較為嚴(yán)重區(qū)域選取5個典型區(qū)域（圖3)，其不同的淺表層空間的（地鐵、城市密集建筑群 (CBD)、立體交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)施)利用模式、沉降速率(mm/a)分布及區(qū)域內(nèi)包含的PS和小基線點(diǎn) 個數(shù)分別如表1所示。
[0040] 表15個典型區(qū)域不同的淺表層空間利用及沉降情況
[0041]
[0042] 基于每個典型區(qū)域的地面沉降時序演變規(guī)律分別如下：
[0043] 1)典型區(qū)域1:
[0044] 圖4中al表明典型區(qū)域1的淺地表空間利用情況，該地區(qū)位于順義區(qū)的西北部地 區(qū)，基本無交通線通過，多為村莊居民地和農(nóng)田，土地利用類型比較簡單，因此可以推斷地 面沉降的產(chǎn)生多受地下水開采和自然沉降的影響，相對受地表動靜載荷影響較?。粓D4中a2 為該區(qū)域的沉降速率情況，該區(qū)域03年~09年的沉降速率在-35.33mm/a~-8.62mm/a之間； 這說明該區(qū)域近年來地面沉降發(fā)展極為迅速，且不均勻沉降情況明顯?；贕IS空間分析技 術(shù)，將區(qū)域的可壓縮層厚度、斷裂分布與沉降情況疊置分析，如圖4中a2所示，黃莊~高麗營 斷裂，可以明顯看出斷層兩側(cè)差異性沉降明顯;進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在斷層的東南側(cè)，可壓縮層厚度 在50~60米之間的區(qū)域，相干點(diǎn)的沉降速率大都在-35.33mm/a~-25.38mm/a;而可壓縮層