InSAR地面沉降监测精度分析与评价

汪宝存，远顺立，王继华，郭凌飞，王文杰，焦学军

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，郑州450006；2.河南省地质勘查信息化工程技术研究中心，郑州450006；3.河南省地质环境监测院，郑州450006）

InSAR地面沉降监测精度分析与评价

汪宝存1，2，远顺立1，2，王继华3，郭凌飞1，2，王文杰1，2，焦学军1，2

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，郑州450006；2.河南省地质勘查信息化工程技术研究中心，郑州450006；3.河南省地质环境监测院，郑州450006）

针对InSAR地面沉降监测精度所受到的质疑，以郑州市为研究区，该文提出了在SAR卫星过境获取图像的同时开展水准测量，通过开展地面沉降星地同步观测实验，即利用水准观测结果对InSAR地面沉降监测的精度进行了对比分析与评价。分别于2012年11月、2013年6月、8月，开展了3次同步观测实验，获取了InSAR与同步的水准监测数据，通过统一参考基准，纠正了InSAR、水准两种测量方法测量结果出现的整体偏差；统一参考基准后，最临近距离的平均误差在±1.9mm～4.8mm之间，中误差在±2.3mm～5.6mm之间，采用克里金插值法的平均误差在±1.5mm～3.8mm之间，中误差在±1.9mm～4.6mm之间。结果表明InSAR地面沉降监测具有较高的测量精度。

InSAR；同步观测；精度；地面沉降；最邻近距离；克里金插值

0 引 言

合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）已在北京、上海、天津、南京、苏州、华北平原、长江三角洲等城市和地区的地面沉降监测得到了较好的应用，取得了很大的成功。在取得这些成绩的同时，InSAR地面沉降监测的精度却仍然受到广泛的质疑，这在一定程度上阻碍了InSAR技术推广和应用。

近年来，武汉大学的李振洪［1］、廖明生［2］、中科院遥感应用研究所的汤益先［3］、西南交通大学的陈强［4］、长安大学的赵超英［5］、中国地震局地壳应力研究所的刘志敏［6］、西南交通大学的贾洪果［7］、中国地质大学的杨红磊［8］、葛大庆［9］、山东科技大学的余景波［10］以及国外的Berardino P［11－12］等均对InSAR的监测精度进行了评价，本文以郑州市为研究区，采用水准与InSAR同步观测的方式，开展地面沉降星地同步观测实验，即在合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星过境获取图像的同时开展水准测量，分别以4个时间段的沉降量对InSAR地面沉降监测精度进行分析与评价。

1 研究思路

由于水准测量、InSAR测量分别属于两种不同的测量系统，水准测量无法与InSAR测量结果进行直接的对比。为此首先开展地面沉降水准测量、InSAR沉降监测工作，获取测量数据，然后对测量数据进行时间、空间基准统一，利用最邻近距离、克里金插值法提取水准监测点对应InSAR测量值，利用线性回归实现水准及InSAR两种测量系统参考基准的统一，最后对InSAR测量精度进行分析与评价。

2 监测数据的获取及预处理

2.1 InSAR地面沉降监测

订购3mTerraSAR－X数据，数据获取时间为2012年9月1日～2013年9月9日，将获取的17景图像，组成了26个干涉对（图1），采用SRTM3 DEM去除地形相位。采用振幅离差阈值和相干系数阈值双阈值方法识别永久散射体，阈值分别设为0.25和0.4，识别的永久散射点主要分布在人工建筑和裸露的地表。对识别Ps点集进行二轨差分得到每个点的差分干涉相位，选择研究区内中部一个相对稳定并且后向散射强的一个点作为参考点，为了保证该点的可靠性，以该点9×9大小窗口的的相位均值为参考相位，对差分干涉相位进行时空域相位解缠，得到初始形变速率和高程改正量，对残差相位进行空间域滤波，滤波窗口为50×50，得到大气延迟相位。利用高程改正量纠正初始SRTM3 DEM后，联合大气延迟相位重新进行二轨差分干涉，接着再次进行时空域相位解缠，得到正确的形变量相位值。最后解缠后的相位采用SVD分解获得时序形变信息。

图1 干涉对分布图

2.2 地面沉降水准监测

地面沉降水准监测采用二等水准测量作业方式进行，作业时间与卫星过境时间尽可能一致，具体时间见表1。水准测量路线分别在沉降严重区（三全路、花园路、红专路，年沉降量30mm～100mm）、沉降轻微区（航海西路、紫荆山路，年沉降20mm～40mm）以及相对稳定区（中原东路、人民路，年沉降量0～10mm）进行布设［13－15］，联测各等级控制点共60个，水准路线长34km。

表1 水准、SAR图像获取时间表

2.3 InSAR、水准监测数据时空基准统一

采用水准与InSAR同步观测的方式，开展地面沉降星地同步观测实验，实现了InSAR与水准观测数据在时间基准上的统一。由于水准观测时间间隔不足一年，根据三次水准观测值采用一次回归分析所拟合出的结果。将InSAR、水准的测量结果统一投影到精确的WGS－84（World Geodetic System 1984，WGS－84）坐标系，实现空间基准的统一。

2.4 InSAR验证数据提取与分析

时空基准统一后，采用最邻近距离以及克里金插值两种方法提取与水准点对应的InSAR验证数值。最邻近距离法是以水准监测点为中心搜索最近的Ps点，提取水准监测点附近InSAR地面沉降值，距离的量度方式采用欧式距离法。克里金插值法首先利用普通克里金法对InSAR测量结果进行插值，得到地面沉降分布图，然后再提取水准监测点上对应的InSAR测量值。图2、图3为2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）4个时间段水准、InSAR测量结果及差值折线图（差值为InSAR测量值减去水准测量值）。从图2、图3均可以看出InSAR测量结果与水准测量结果保持了很高的一致性，InSAR与水准的差值绝大多数位于±10mm之间，且克里金插值法结果优于最邻近距离法。

图2 水准、最邻近距离InSAR结果及差值折线图

图3 水准、克里金插值InSAR测量结果及差值折线

3 统一参考基准及精度分析与评价

3.1 统一参考基准

采用线性回归模型对水准及对应InSAR监测结果进行回归分析，回归方程为（式1）［9］，其中y为InSAR的测量值，x为水准测量值，a为回归系数，b为常数。通过回归分析得到3个时间段及年均的回归方程（表2），对应的y轴的截距b即为InSAR与水准之间的整体偏差，以水准为基础调整对应的InSAR值，对InSAR值进行补偿，补偿的值见表3，实现InSAR与水准参考基准的统一。

y＝ax＋b （1）

统一参考基准后，InSAR与水准的差值仍然有部分点差值大于10mm（表3），实地调查表明个别监测点差值过大主要是因为有些水准监测点位于道路附近，车辆的碾压导致水准监测值偏大，另有部分InSAR点位于新建建筑物上，建筑物自身的沉降导致InSAR监测值偏大，为准确评价InSAR监测精度，统一参考基准时将差值绝对值大于10mm的点删除。图4、图5为统一参考基准之后2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）4个时间段水准、InSAR测量结果及差值折线图。统一参考基准后InSAR与水准测量结果一致性进一步提高，InSAR与水准的差值均在± 10mm之间，克里金插值法结果优于最邻近距离法。

表2 最邻近距离、克里金插值回归分析结果

表3 最临近距离、克里金插值统一参考基准

图4 统一参考基准后水准、最邻近距离InSAR测量结果及差值折线图

图5 统一参考基准水准、克里金插值InSAR测量结果及差值折线图

3.2 精度分析与评价

误差评价采用如下公式：

式中：φ为平均误差，dli为水准测量值，dIi为InSAR测量值，m为中误差，由此可求得3个时间段及年均的测量精度。

利用式（2）、式（3）计算得到2012.11～2013.6、2012.11～2013.8、2013.6～2013.8、2012.9～2013.9（年均）统一参考基准前后InSAR误差一览表（表4、表5）。从结果可以看出克里金插值的结果普遍优于最邻近距离法，除统一参考基准前2012.11～2013.6、2012.11～2013.8两个时间段最邻近距离法的中误差超过±10mm，其余精度均在毫米级；统一参考基准的后结果普遍优于之前的结果，其中基于克里金插值2011.11～2012.6平均误差为± 3.8mm，中误差为±4.6mm，验证率为88.30%，2012.11～2013.8平均误差为±3.7mm，中误差为±4.5mm，验证率为88.30%，2013.6～2013.8平均误差为±1.5mm，中误差为±1.9mm，验证率为100.00%，2012.9～2013.9（年均）平均误差为± 3.5mm，中误差为±4.4mm，验证率为78.30%，除年均的验证率稍低，其它指标均优于基于最邻近距离的结果。

表4 统一参考基准前最邻近距离、克里金插值误差一览表

表5 统一参考基准后最邻近距离、克里金插值误差一览表

4 结束语

本文开展地面沉降星地同步观测实验，对InSAR技术地面沉降监测的精度进行了分析与评价，主要结果如下：

①采用最临近距离法的平均误差在±1.9mm～4.8mm之间，中误差在±2.3mm～5.6mm之间，采用克里金插值法的平均误差在±1.5mm～3.8mm之间，中误差在±1.9mm～4.6mm之间。评价结果表明InSAR地面沉降监测具有较高的测量精度。

②从采样密度上分析，InSAR监测在市区、城镇等人工建筑物密集的地区，Ps点的密度能达到100个／km2～4000个／km2；从监测周期／频率上分析，目前在轨SAR卫星中Radarsat－2重访周期为24天，Terrasar－X为11天，Cosmo－Skymed为4天。

③与水准测量相比InSAR技术具有较高的垂向测量精度，远高于水准采样密度以及监测周期／频率，因此更容易识别出地面沉降的分布规律以及发展动态变化规律。

［1］ 李振洪，刘经南，许才军.InSAR数据处理中的误差分析［J］.武汉大学学报（信息科学版），2004，29（1）：73－75.

［2］ 廖明生，裴媛媛，王寒梅，等.永久散射体雷达干涉技术监测上海地面沉降［J］.上海国土资源，2012，33（3）：5－11.

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［14］ 王继华，汪宝存，攀登，等.中原城市群地质环境监测与评价2012年年度报告［R］.2012.

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Accuracy Analysis and Evaluation of InSAR Land Subsidence Monitoring

WANG Bao－cun1，2，YUAN Shun－li1，2，WANG Ji－hua3，GUO Ling－fei1，2，WANG Wen－jie1，2，JIAO Xue－jun1，2
（1.Institute of Surveying，Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo－exploration and Mineral Development，Zhengzhou450006；2.Engineering Research Center of Henan Provincial Geological Exploration of Information Technology，Zhengzhou450006；3.Henan Geo－Environmental Monitoring Institute，Zhengzhou450006）

This paper takes Zhengzhou city as the research area，aiming at the question of InSAR land subsidence monitoring accuracy，then carries out the“land subsidence observation experiment by synchronize satellite and ground”with the way of levelling when SAR satellite captures images.Namely，we analyze and evaluate the InSAR land subsidence monitoring accuracy by utilizing the levelling results.Three synchronize experiments were carried out in August 2012，November 2013and June 2013，then InSAR and synchronize levelling results were acquired.The whole deviation of InSAR and levelling measurement results were corrected through the unified reference.The average error of the near distance between±1.9mm～4.8mm and the mean square error between±2.3mm～5.6mm after the reference been unified.The average error between±1.5mm～3.8mm and the mean square error between±1.9mm～4.6mm after applying the kriging interpolation method.Results showed that the InSAR land subsidence monitoring have higher measuring accuracy.

InSAR；synchronous observation；accuracy；land subsidence；near distance；kriging interpolation

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.002

P642.26

A

1000－3177（2015）140－0008－06

2014－07－29

2014－09－04

中国地质调查局项目（12120110809049）；河南省地矿局项目（豫地环［2012］17号）。

汪宝存（1980—），男，工程师，主要从事基于InSAR的地面沉降监测应用研究。

E－mail：309307201＠qq.com