分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry，合成孔径雷达 干涉)技术下的地面沉降监测及时序演化规律领域，具体而言，涉及一种分析浅地表空间利 用差异模式下地面沉降演变规律的方法。
【背景技术】
[0002] 相对于水准测量、分层标测量等常规监测方法，InSAR技术可以实时动态获取大范 围、高精度的地表形变细节信息。永久散射体干涉测量(Permanent Scatterer for SAR Interferometry，PS_InSAR)技术、小基线集雷达干涉测量(Small Baseline-InSAR，SBAS) 是目前具有代表性的时序InSAR监测技术，克服了传统D-InSAR技术空间、时间去相干影响， 减弱大气延迟带来的误差组分，提高形变监测信息的时、空分辨率及数据处理的精度，在城 区或植被覆盖稀少地区可以达到毫米级的地表形变监测精度。国内外众多专家学者不断改 进该两种方法，并取得了成功的应用。H 〇〇per(2007)提出一种新的融合小基线（SBAS)和PS 技术监测地表形变的算法，证明了小基线（SBAS)技术和PS方法虽然用不同的离散模型，但 二者存在优势互补之处，融合两者数据集不仅能够增加相干像元数量，而且提高了像元的 信噪比，大幅度减小了解缠空间的偏差，这一优势是单一小基线技术或PS技术都无法比拟 的。
[0003] 在时序InSAR技术获取地面沉降监测信息基础上，借助地理信息系统强大的空间 数据管理和分析能力，可以更全面地揭示地面沉降时空演化过程。因此，时序InSAR与GIS技 术的集成应用，是地面沉降监测和演化研究的重要发展方向。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法，用以 研究浅地表空间的地面沉降演变规律。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供了一种分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演 变规律的方法包括以下步骤：
[0006] 对设定期间内反映地表形变信息的图像序列进行差分干涉处理，并对处理得到的 多幅差分干涉相位图像进行光谱滤波得到SBAS数据集和PS数据集；
[0007] 采用空间相关组分、空间非相关视角误差评估方法，从得到的所述SBAS数据集和 所述PS数据集中选择误差小于设定值的一组SBAS点和PSA;
[0008] 对所选的一组SBAS点和PS点进行数据集融合处理，并对融合后的数据集进行相位 解缠，通过奇异值分解及范数约束提取像元形变信息，得到相对于参考区域的主图像的时 间序列形变信息。
[0009] 进一步地，上述分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法还包括 以下步骤：
[0010] 采用设定大小的移动窗口从反映时间序列形变信息的主图像上选择多个典型区 域，对于所选的每个典型区域，采用GIS空间分析方法，根据该典型区域的时间序列形变信 息获取该典型区域的时间序列的不均匀沉降的演化规律。
[0011] 进一步地，上述分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法还包括 以下步骤：
[0012] 采用GIS空间分析方法，根据多个典型区域中每个典型区域的时间序列形变信息 获取多个典型区域内的时间序列的不均匀沉降的演化规律。
[0013] 进一步地，所述多个典型区域为5个。
[0014]进一步地，所述移动窗口为6km2大小的正方形。
[0015] 进一步地，该典型区域的时间序列的不均匀沉降的演化规律包括年际地面沉降 量。
[0016] 进一步地，多个典型区域内的时间序列的不均匀沉降的演化规律包括地面沉降速 率极值和年平均地面沉降速率。
[0017] 本发明采用的永久散射体干涉测量（Permanent Scatterer for SAR Interferometry，PS_InSAR)技术、小基线集雷达干涉测量(Small Baseline-InSAR,SBAS) 是目前具有代表性的时序InSAR监测技术，克服了传统D-InSAR技术空间、时间去相干影响， 减弱大气延迟带来的误差组分，提高形变监测信息的时、空分辨率及数据处理的精度，在城 区或植被覆盖稀少地区可以达到毫米级的地表形变监测精度。同时，结合GIS空间分析方 法，在区域浅表层空间（地铁、城市密集建筑群(CBD)、立体交通网络设施)不同的变异模式 下，选取多个典型地面沉降区域，结合土地利用分类信息、可见光遥感影像、地质资料等，分 析时间序列的不均匀沉降的演化规律。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1为本发明一个实施例的融合PS和小基线InSAR技术数据处理流程图；
[0020] 图2为本发明一个实施例的5个典型区域不均匀地面沉降演变过程分析图；
[0021] 图3为5个典型的移动窗口的位置分布及沉降速率情况图；
[0022] 图4为典型区域1的沉降分布(左)与年际形变演化过程(右)图；
[0023] 图5为典型区域2的沉降分布(左)与年际形变演化过程(右)图；
[0024] 图6为典型区域3的沉降分布(左)与年际形变演化过程(右)图；
[0025] 图7为典型区域4的沉降分布(左)与年际形变演化过程(右)图；
[0026] 图8为典型区域5的沉降分布(左)与年际形变演化过程(右)图；
[0027] 图9为5个典型区域PS点和小基线点不同沉降速率比例分布图；
[0028] 图10为5个典型区域相干点沉降速率极值比较分布图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 图1为本发明一个实施例的融合PS和小基线InSAR技术数据处理流程图；图2为本 发明一个实施例的5个典型区域不均匀地面沉降演变过程分析图；如图所示，分析浅地表空 间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法包括以下步骤：
[0031] 对设定期间内反映地表形变信息的图像序列进行差分干涉处理，并对处理得到的 多幅差分干涉相位图像进行光谱滤波得到SBAS数据集和PS数据集；
[0032] 采用空间相关组分、空间非相关视角误差评估方法，从得到的所述SBAS数据集和 所述PS数据集中选择误差小于设定值的一组SBAS点和PS点；从得到的所述SBAS数据集和所 述PS数据集选择设定数量的SBAS点和PS点，并对所选的SBAS点和PS点进行空间相关组分、 空间非相关视角误差评估；
[0033] 对所选的一组SBAS点和PS点进行数据集融合处理，并对融合后的数据集进行相位 解缠，通过奇异值分解及范数约束提取像元形变信息，得到相对于参考区域的主图像的时 间序列形变信息。
[0034] 进一步地，上述分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法还包括 以下步骤：
[0035]采用设定大小的移动窗口（如6km2大小的正方形）从反映时间序列形变信息的主 图像上选择多个(如5个)典型区域，对于所选的每个典型区域，采用GIS空间分析方法，根据 该典型区域的时间序列形变信息获取该典型区域的时间序列的不均匀沉降的演化规律(如 包括年际地面沉降量）。
[0036] 进一步地，上述分析浅地表空间利用差异模式下地面沉降演变规律的方法还包括 以下步骤：
[0037] 采用GIS空间分析方法，根据多个典型区域中每个典型区域的时间序列形变信息 获取多个典型区域内的时间序列的不均匀沉降的演化规律(如包括地面沉降速率极值和年 平均地面沉降速率）。
[0038] 其中，图1、图2实施例中是选取2003~2009年的覆盖研究区的29景降轨Envisat ASAR数据，以2005年12月14日为主图像，具体的参考区域为：（经度:El 17.180°~117.220° ; 炜度:N40.340°~40.355° )，针对PS和小基线两种技术的不同特点，从相干点目标散射特性 角度出发，将PS和SB干涉方法进行融合，评估、分离像元相位中的地形相位、轨道误差、大气 延迟影响及噪声去相关组份[12]，优化干涉数据集中PS、SBAS像元子集的选取方法，在融合 像素子集的基础上进行相位解缠，通过奇异值分解及范数约束提取像元形变信息，获取28 景辅图像中583100个PS和小基线点相对于参考区域的主图像的时间序列形变值，选取地面 沉降水准数据进行精度评价。
[0039] 以下以北京平原地区为例，分析北京平原地区区域地面沉降空间分布，在地面沉 降较为严重区域选取5个典型区域（图3)，其不同的浅表层空间的（地铁、城市密集建筑群 (CBD)、立体交通网络设施)利用模式、沉降速率(mm/a)分布及区域内包含的PS和小基线点 个数分别如表1所示。
[0040] 表15个典型区域不同的浅表层空间利用及沉降情况
[0041]
[0042] 基于每个典型区域的地面沉降时序演变规律分别如下：
[0043] 1)典型区域1:
[0044] 图4中al表明典型区域1的浅地表空间利用情况，该地区位于顺义区的西北部地 区，基本无交通线通过，多为村庄居民地和农田，土地利用类型比较简单，因此可以推断地 面沉降的产生多受地下水开采和自然沉降的影响，相对受地表动静载荷影响较小；图4中a2 为该区域的沉降速率情况，该区域03年~09年的沉降速率在-35.33mm/a~-8.62mm/a之间； 这说明该区域近年来地面沉降发展极为迅速，且不均匀沉降情况明显。基于GIS空间分析技 术，将区域的可压缩层厚度、断裂分布与沉降情况叠置分析，如图4中a2所示，黄庄~高丽营 断裂，可以明显看出断层两侧差异性沉降明显;进一步发现在断层的东南侧，可压缩层厚度 在50~60米之间的区域，相干点的沉降速率大都在-35.33mm/a~-25.38mm/a;而可压缩层