文摘

人口的长期时空变形监测分布式基础设施附近的湖地区具有重要意义理解城市卫生状况和防止潜在的交通安全问题。摘要永久散射体的干涉(PSI)技术与terrasar - x意象在洞庭湖周围地区是利用生成长期时空变形。自从x波段SAR干涉阶段高度热膨胀的影响观察对象,和大型基础设施的变形是高度相关的外部温度,结合变形模型考虑到热膨胀和季节性环境因素提出了模型变形的时间变化。时间序列变形和热扩张区域得到参数,并与传统的线性模型进行了比较研究。洞庭湖大桥和湖周围的典型特征点分布的详细分析。为了弥补外部原位测量的可用性区域,阶段残差和产生的沉降通过微分干涉合成孔径雷达(D-InSAR)是用来验证获得的变形时间序列的准确性。实验结果表明,该模型是合适的,建议选择研究的网站。均方根误差(RMSE)残余相位估计的0.32 rad和RMSE相比D-InSAR派生变形±1.1毫米。

1。介绍

洞庭湖位于长江南岸的湖南北部的中国,这是一个构造湖与堰塞湖的特点。周围的水系统,洞庭湖与长江北毗邻,河水流入湘河。岳阳是一个湖边的城市湖南省洞庭湖旁边,结合地质结构特征下的间歇性隆升剥蚀和间歇隆起淀积(即稳定。、提升和稳定的交替)(1]。作为一个拥有580万人口的城市,大量的居民区和发达的交通网络分布在岳阳。每一个汛期,洞庭湖周围的居民区受到高潜在危险的累积变形,地面坍塌,甚至滑坡的坡,大大危害的安全区域。人口的稳定控制分布式基础设施附近的湖地区是不同寻常的重要性。因此,长期的时空变形监测在这方面具有重要意义,了解其健康状况,防止潜在的交通安全问题。

永久散射体干涉法(PSI)已被证明是一个有效的工具来获取时间序列变形结果通过提取和处理那些PS点,总能保持长期稳定的后向散射特性在multi-SAR图像(2]。它可以用毫米精度地面位移的检测信息,显示高潜在能力应用到大型交通基础设施(即。、铁路、公路、桥梁)[3- - - - - -6]。早期研究表明,桥梁栏杆、限制和人行道可视为人工角反射器结构,很容易被称为PS点在SAR图像(7]。成功案例也证明了使用PSI技术适用性高分辨率SAR图像监控缓慢变形的大型桥梁和其他人造结构(8,9]。

变形模型决定了功能组件和位移之间的关系阶段变形参数在每个高相干点。变形模型不仅决定了位移估计的准确性,而且直接影响到后续的进展,如相位和最终的变形结果的解释(10]。早期的研究表明,线性模型(LM)是最常用的时序模型PSI处理,已成功地应用在大量的情况下(11,12]。然而,变形在大型基础设施(特别是桥梁)与复杂的因素,如桩基础、钢结构、桥梁电缆,是高度受到外部的温度(13]。具体来说,向上热膨胀的集聚效应可以抵消向下运动引起的地面沉降,从而导致地面沉降估算的低估14]。此外,正如介绍(15),x波段SAR干涉阶段高度热膨胀的影响观察的对象。给定的热组件干涉图显示了位移由热膨胀引起的,这是由于温度差异在成像区域两个特别行政区之间的收购。这些因素有一个明确的对变形速度影响地图。特别是,这些因素可以是非常严重的,如果观察周期相对较短的(例如,不到一年)16]。此外,考虑到变形的钢桥高度与外部温度有关,一些研究人员介绍了热膨胀模型转换为大型基础设施的变形估计(17- - - - - -19]。

基于上述背景,考虑热膨胀的不可避免的影响观察对象的x波段SAR图像和竟湖地区的特殊的水文环境,介绍了热膨胀和参与到季节性模型(TESM),用于模拟低通组件PSI。使用24个高分辨率terrasar - x照片获得了2011年12月到2013年4月,覆盖洞庭湖周围的区域,两组时间序列变形结果,生成的LM和TESM。随后,两个变形序列之间的比较调查,和时间序列变形结果,详细分析了洞庭湖大桥。

2。方法

2.1。标准的LMψ

主形象应该从时间序列中选择SAR图像实验,然后所有的奴隶图像coregistered重新取样到主形象。外部SRTM DEM数据是用来去除地形阶段,因此,相过滤和为每个干涉对时空进行展开。

为每个基线PS网络连接 - - - - - -th和 - - - - - -th PS候选人),干涉相位差可以表示为(20.] 在哪里 代表了指数的干涉, 和 干涉相位的差异和整数之间的相位模糊邻近PS目标,分别 定义了线性位移的增量率沿视线(LOS) 代表高程误差的增量。 和 代表时间基线和正常的基线 - - - - - -干涉图,分别 定义了倾斜范围距离, 定义了入射角; 剩余阶段,包括大气延迟相位的贡献,解相关噪声,高通变形组件。

根据公式(1), , ,和 是未知的。λ(最小二乘模糊相关调整)方法提出Teunissen荷兰代尔夫特大学的GPS双差相位观测模型可以用来打开时间微分阶段(21]。这种技术被引入InSAR 2003年在PSI处理整数模糊搜索(22]。为了确保时间展开结果的准确性,有必要评估每个PS点的质量和删除的质量较差。我们选择基线相关系数作为基线精度指标,通过引入(Ferretti)20.,23]。它可以写成 在哪里 基线的总数, 每个基线的剩余阶段(= 在方程(1))。

绝对变形速率和在每个PS点高程误差计算通过空间相位展开。具体的处理流程如图1。


图1
PSI数据处理流程图。
2.2。季节性模型ψ

季节性模型假设低通组件作为线性和周期性的和沉降,已广泛用于描述变形与季节性因素有关。季节性模型可以写成(24] 在哪里 定义了季节性变形时期( ); , , 是未知参数。

2.3。延长TESMψ

TESM介绍了热膨胀组件到季节性模型,可以写成: 在哪里 和 是两者之间的温差和降水SAR图像的收购 - - - - - -th干涉图,分别 和 是热的增量扩张参数和沉淀系数之间的两个相邻PS单独目标。方程中的未知参数(4)扩展 , , , , , ,和 。它可以看到从方程(4)干涉相位变化与未知参数线性。因此,类似算法中引入方程(1)可以用来解决未知参数。随后,每个目标的低通(LP)变形组件。考虑到大气延迟相位组件是一个暂时的随机高频信号,它是空间相关的低频信号。相比之下,非线性残余变形阶段是一个高频信号时空上(25]。因此,为了提取高通(HP)变形组件的剩余阶段,颞HP滤波和空间可以利用LP过滤(23]。通过总结LP和惠普变形分量,最后时间序列在每个PS点可以获得变形。

2.4。实验
2.4.1。研究区域的地质背景

洞庭湖的周边地区被选为研究区域。作为一个拥有580万人口的城市,大量的居民区和发达的交通网络分布在岳阳。Hangzhou-Ruili高速公路,穿过洞庭湖大桥和洞庭湖超级桥,是一个重要的交通枢纽连接君山区和西北地区的岳阳的岳阳楼。洞庭湖大桥位于北部的下游闸门渡轮在岳阳城市,建于1996年12月19日,2000年12月26日通车。作为一个城市高速公路连接君山区和岳阳楼,洞庭湖大桥是一个超级巨大的跨线桥洞庭湖北湖南干线。总长度5784.5米,宽度的主要水位洞庭湖大桥约为1400米。配备一个 连续箱形梁,这是一个880大跨度斜拉桥和三塔双斜面漂浮电缆系统。三塔大跨度斜拉桥是第一个结构形式采用在中国,这是最重要的结构特点洞庭湖大桥(26]。

所选terrasar - x的空间覆盖了红色矩形图形象2(一)绿色矩形图2(b)定义了测试区域竟感兴趣我们的实验。洞庭湖大桥的位置的平均振幅图像作为背景图所示2(b),中国境内如图2(c)和桥的现场照片如图2(d)。根据我们现场地质调查、地表水系统在洞庭湖大桥,含水层广泛,容易沉降。因此,这一地区的长期变形监测具有重要意义。


图2
研究区域特征在不同尺度:(a)在中国区域范围内,(b)振幅图像研究的区域,(c)研究区域的位置在中国,和(d)原位洞庭湖大桥的照片。
2.4.2。SAR采集和数据处理

摘要24 TerraSAR x波段Stripmap下行覆盖洞庭湖大桥图片收集从2011年12月到2013年4月(这些图像中列出的参数表1)。选择图像的像素间距是1.364米的方向和范围1.849沿方位角方向。这些图像的偏振模式是HH极化。Sarscape 5.2的雷达处理模块用于干涉处理。为了进行更精确的观察在桥上,没有进行限制multilooking原始分辨率。9日在表的形象1代表所选主形象,而其余的是奴隶的图像。干涉处理,地形相位消除了使用SRTM DEM数据(30米空间分辨率由NASA提供)。删除轨道误差多项式拟合方法(27]。因此,23日没有时空相位微分干涉图生成。

表1
的干涉对和它们的参数列表与图像9号主(不带。011年,降序)。

根据方程(4),为了模型组件热膨胀阶段,温差和微分干涉时期的降水是必要的。岳阳城市的外部空气平均温度图所示3(在中国气象局网站上获得28),这被视为表面温度在方程(4)。流程包括PS识别(29日),PS基线网络建设、参数估计、和时间序列变形生成进行了MATLAB软件。4420 PS 9224分和三角形网络基线生成。


图3
岳阳城市的平均气温和降水(2011年12月28日至2013年4月3日)。
2.5。实验结果
2.5.1。线性变形速度

两组对两个模型进行了实验,分别用两组变形参数生成。生成的平均线速度TESM(图4(一))。和p点的数量分布的比较两个模型如图4 (b)。本文所有的地理编码结果转移到垂直方向根据 ,在哪里 和 分别代表了垂直和洛杉矶沉降。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
(a)线速度TESM生成的地图(Google地图作为背景)。(b) PS点分布的比较两个模型的变形速度。

根据我们的实验,实验结果表明,PS数量分布的两个模型显示了良好的一致性(图4 (b))。结果表明,TESM线速度的空间分布是一致的,和变形速率通常是2毫米/年和-10毫米/年,最大变形速率是-13毫米/年,并从黄色到橙色的颜色范围。模型有一个轻微的隆起点东风湖附近及其速度之间主要是2毫米/年和6毫米/年。认为隆起与Jianghan-Dongting盆地的地质构造和地形类型岳阳城市所在。这个区域位于地质构造之间的边缘Yuanjiang抑郁和福山隆起(1]。为了进一步分析结果,A和B两个主要变形区域(红色矩形图4(一))中提取。隆起的区域是8毫米/年。相比之下,B是由沉降面积,最大沉降速率是13毫米/年。洞庭湖大桥的总平均变形速度是5毫米/年。

2.5.2。温度图

获得的热膨胀参数方程(4)如图5(a)。可以看出点矩形内C与相对高值,最大值为0.3毫米/°C。建议的原因是高度相关的基础设施。根据方程(5)介绍16](这将在稍后描述),与一个常数热膨胀(被认为是常数时不同的基础设施是由类似的材料),热扩张器参数成正比的建筑物的高度。所有热扩张参数的定量分布如图5(b)。很容易发现60%的p点的值不等时间间隔内(-0.1 - 0.1)mm /°C,而90%的p点的区间内(-0.2 - 0.2)毫米/°C和98%的p点的区间内(-0.3 - 0.3)毫米/°C。作为我们的现场调查,典型的建筑分布在C是本世纪新的三角形建筑和明星建筑,都是与更高的高度(如图5(c))。根据我们的估计,最高的热膨胀参数C区世纪明星建筑,一个值为0.17毫米/°C,这应该是由石英岩聚合水泥混凝土。相比之下,区域D如图5东风湖附近(a)在北方主要分布在旧居民区和酒店(放大图如图5(d))。高度较低,热膨胀参数在这一领域相对较低甚至负(Fengqiaohu道路的平均热膨胀参数估计为-0.12毫米/°C)(见图5(d))。介绍了(14,16),当点远离SAR传感器在洛杉矶方向,重点表现的水平偏转是负的。因此,负热膨胀系数表明离SAR传感器水平偏转大于积极的垂直偏转,导致综合-变形远离传感器。更高的水平偏转和较低的垂直偏转高楼,热膨胀引起的总挠度表现积极。相比之下,低的热膨胀和漫长的道路主要有负偏差。因此,负热膨胀系数的点沿着路执行集中。这就是为什么负热膨胀沿着路点主要分布在图5(d)。


图5
(一)热膨胀参数映射。(b)的比例对PS目标热扩张参数分布。(c)、(d)和(e)放大的地图区域c, d, e图5(a)与光学图像(背景)。

PS的热膨胀参数点分布在洞庭湖桥(E区域图5(一))也得到了,显然这是显示在图5(e),生成的热膨胀参数可以反映观察到的物体的物理属性,一个粗略的函数被用来估计相应的桥梁材料的热膨胀系数,可以表示为(16] 在哪里 和Th定义热膨胀系数和热扩张参数,分别; 代表桥的主梁的高度引用的码头。根据我们的估计,平均桥材料的膨胀系数 。根据收集到的建筑设计材料,洞庭湖大桥的主梁网是由预应力混凝土连续肋板结构。这种混凝土的热膨胀系数是大约从 来 。因此,我们的估计显示与桥材料的物理性质(良好的一致性30.]。

2.5.3。整体时间序列变形

生成的两组整体变形时间序列映射基于LM和TESM数据所示6分别和7。从空间分布、表面变形的LM东风湖(黑色椭圆 )显示轻微的隆起,大约3毫米到7毫米的范围内,而城市腹地主要是地面沉降,5毫米至13毫米的范围内。结果基于TESM主要是橙色,和相应的沉降约为2毫米,6毫米不等。此外,它可以从图中找到7有一个明显的沉降漏斗(见红色的椭圆 )定位接近东风湖和九华山路(如图7),它被LM隐藏在生成的结果。进一步讨论和分析典型的成长过程沉降碗,概要分析沿横向和纵向方向(横向线 和纵向线 在过去的形象图7)进行。结果如图所示8。根据我们的测量,峰值沉降沿 方向是6毫米和15日8毫米和第54像素,而7毫米和9毫米38和63像素 方向。8毫米和9毫米的最大沉降检测在第54和63像素 和 方向,分别。根据我们的调查时间光学图像(如图所示9),这个区域的工程材料收集的历史,我们发现,一些厂房的破坏(区域1和2,如图所示9)和湖填海项目在某些领域(显示为区域在图3和图49)发生期间从2010年10月17日到2012年9月15日。这个区域的下沉现象提出相关工程项目在此期间。


图6
时间序列变形在洞庭湖基于LM(参考2011年12月28日, 代表了一种典型的隆起区,这将在稍后讨论)。

图7
时间序列变形在洞庭湖基于TESM(参考2011年12月28日, 是一个典型的沉降与横向线L1和纵向线L2碗,这将在稍后讨论)。
(一)
(一)
(b)
(b)
图8
概要文件的沉降碗在图7。(一)沿 方向。(b)沿 方向。
(一)
(一)
(b)
(b)
图9
放大的地图隆起区 在图7光学映射为背景。
2.5.4。精度评估

为了弥补外部的不可用原位变形测量在这个区域,每一个干涉图的剩余阶段通过TESM LM的价格相比。根据(31日变形模型的拟合精度,可以反映出渣阶段( 在方程(1))。剩余阶段越小,选择模型的准确性就越高。均方根(RMS)的剩余阶段如图的干涉图10。两个模型可以看出,剩余的总均方根阶段rad小于0.7,这表明一个好的变形建模的准确性。相对,6th7th,8th21岁th,22岁th,23th图像,RMS TESM显然低于LM,和总rad TESM RMS是0.32,而LM 0.46 rad。它显示的时间演化变形在本研究领域可以更准确地建模热膨胀组件添加到传统的季节性模式。


图10
RMS的剩余阶段23-interferogram比较TESM和LM (DT意味着每个干涉图的温度差异)。

进一步评估获得的变形时间序列的准确性,PSI派生变形与D-InSAR处理的结果。选择四个时期以及生成相应的D-InSAR变形双显示如图11。沿截面高度差D-InSAR结果 被提取的比较与PSI生成的结果,在图演示了12。它可以注意到的残余变形TESM明显低于LM。TESM低于0.8毫米的偏差,而对于LM,大部分像素都高于1.2毫米。的定量计算平均值和均方根误差(RMSE)总结了残差表2。很容易发现TESM显示出更好的性能,总RMSE±1.1毫米为整个观察期和提高约33%。此外,早期的研究介绍,洞庭湖区域周围的沉降幅度在1厘米,这是符合本文获得的大小(32]。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
D-InSAR变形对生成的。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图12
残余变形的对比两个模型沿截面高度差 。
表2
意味着剩余和RMSE相比D-InSAR派生沉降(DT表示温度的差异)。

3所示。讨论

3.1。基于TESM颞变形特性

从演化生成的时间序列变形地图所示TESM(见图7),可以看出,结果显示一个周期时间进化。从2012年3月3日到2012年8月26日,暂时消退趋势主导这一领域,累积沉降13毫米,直到2012年8月26日。从2012年8月26日到2012年12月14日,一个缓慢上升趋势主导变形、最大恢复积累到14毫米。这种周期性变化的主要原因应该与当地的水文地质条件和气候因素有关。根据402年湖南省地质队伍的工作数据,这个区域是极其发达的水系统和里克地下水资源(32]。根据我们的现场调查,浅层地下水紧密相连的主要供水系统。在雨季,河流和湖泊的水量是由降水增加。根据气象部门的统计数据,从4月到7月在岳阳降水明显严重,平均降水量超过150毫米(见图3)。由于夏季降水的增加,地下水被周围的水系统和降水增加供给,导致明显的湖区周围的地面隆起。

为了清楚地显示的时间演化变形、两个特征点位于沉降漏斗和隆起区选择,分别。每个组件的比例如表所示3。例如,对于PS1,变形组件相关的季节性组件占79.7%,而相关的组件热膨胀占11.2%,和沉降变形组件占3.2%,线性组件占1.7%,HP-deformation 4.2%。PS2,孤立的变形分量与季节性分量占总变形的32.3%,和相关的组件热膨胀占56.1%。降水变形组件和线性组件只占5.3%和2.6%,分别。HP-deformation孤立的剩余阶段只占3.7%。我们可以看到,季节性组件和热膨胀组件总变形为主,与降水变形组件之后,表明在该地区软土的变形是最重要的季节性组件和热膨胀的影响。时间序列的季节性组件和组件热膨胀变形如图2分13特征。可以看出,PS1主要沉降变形的周期性波动。季节性组件PS1的总变形为主,占大约80%。PS1的最大沉降发生在2013年4月3日是10毫米。相比之下,PS2是由热膨胀组件(占56%),因此在时间周期变化,与峰值累积于2012年8月26日4毫米,最大沉降于2012年12月14日2毫米。

表3
的比例每个形变组件PS1和PS2。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图13
时间序列变形的两个特征点在图7:(一)季节性变形组件,(b)热膨胀变形组件,(c)惠普变形分量,总变形(d)。
3.2。基于TESM变形在洞庭湖大桥

在我们的实验中,从洞庭湖大桥,191 PS点提取时间序列变形如图14。温度为每个sub-Figure马克图14是每个干涉的温差,用于得到函数的平均温度(4)。很容易发现,PS点整桥的颜色主要是黄色的,这表明和解趋势,12毫米的最大沉降发生在2012年8月26日。这是建议与桥墩的纵向扩张的增加温度。此外,点中间的桥塔的顶部显示蓝色居多而沿着桥塔的下部是黄色和红色。这一现象表明中间桥塔的顶部是受到的张力保持电缆两边,诱导一个主要水平运动而不是沉降。因为我们大致把三维变形的贡献一个洛杉矶变形分量,最后转移垂直变形的点中间的塔的顶部显示一个相对上升的趋势。从2012年10月9日,更多的橙色点出现在从中间段塔南塔,与6毫米的最大沉降发生在2012年8月26日。此外,我们的结果反映,PS点靠近河边都比中心段更加稳定,这是相关的更多的稳定支持皮尔斯在河边。根据桥的设计标准,最大下行跨跨中挠度是33.8厘米,最大向下偏转的跨度是12.8厘米。因此,根据估计的大小,总变形引起的热膨胀是在可控的范围内,这表明这座桥是一个相对稳定的条件下。


图14
洞庭湖大桥的整体变形时间序列。

为了进一步分析的演化变形沿桥,三个特征点选择在三墩,索引为PS3, PS4, PS5从南到北的位置(参见图3 PSs15)。PS3位于南塔,在PS3和获得的时间序列变形如图16。它可以注意到,在PS3主要沉降变形。季节性成分占总变形的80%,最大价值8毫米。相比之下,热膨胀组件变形占总数的10%。热膨胀组件的隆起峰值0.4毫米2012年8月26日,而最大沉降是0毫米2013年1月5日。根据我们的估计从图5(a),热膨胀参数点PS3是0.178毫米/°C。总变形显示了明显的周期性演化,最大沉降的2012年5月30日6毫米。


图15
洞庭湖大桥上特征点的位置。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图16
时间序列变形组件在洞庭湖大桥上特征点:(a)季节性变形分量,(b)热膨胀变形分量,(c)惠普变形组件,和总变形(d)。

相对,PS4和PS5位于中部和北部桥塔通常与周期性波动时间序列沉降。热膨胀组件占超过30%的总变形,2毫米的两个目标。的最大隆起热膨胀组件是PS4的2.3毫米,而PS5 1.5毫米,分别发生在2012年5月30日。这两点的热膨胀参数0.323毫米/°C和0.294毫米/°C,分别。两个点的总变形达到最大8月8毫米和4毫米,分别。同样,约7毫米复苏,总变形只有1毫米2012年12月14日。显然,变形时间序列的周期性波动取决于季节性组件。

如图14,我们发现总变形显示每个干涉期与温差之间的关系。为了进一步探索总变形和温度之间的关系,我们进行了相关分析,如图所示17。由于桥梁表面温度的细节不可用,我们只收集外部空气温度在岳阳城市进行研究。从图可以发现,这座桥是高度的垂直变形与温度相关,相关系数为0.89,0.87和0.79,分别对三个目标。


图17
之间的相关性特征点的变形和环境温度。

4所示。结论

长期变形调查在洞庭湖周围的面积与人口分布的基础设施提出了基于PSI技术使用24 terrasar - x图像从2011年12月到2013年4月。考虑热膨胀的不可避免的影响了基础设施对TerraSAR X卫星图像和季节湖滨地区的环境因素,提出了TESM取代传统的LM。比较分析的时空调查已经进行了变形时间序列。空间,沉降主要是北方内陆地区主导研究区域的一部分,而东风湖一带进行了轻微的上升趋势。一个明显的沉降漏斗,靠近岳阳楼九华山路区,是TESM的结果中发现,隐藏在LM。此外,一般期刊通过TESM沉降变化检测,最大沉降发生在2012年8月26日18毫米。从生成的热扩张器参数映射,洞庭湖大桥的热膨胀系数估计 ,这是符合桥梁混凝土的物理性质。结果三个特征点在斯坦福桥的最大沉降值表明,这座桥是8毫米,发生在2012年8月26日,显示整个桥在整个观测期间病情稳定。

为了弥补外部原位的不可用大地测量在这个区域,生成的阶段残差和D-InSAR沉降是用来验证获得的变形时间序列的准确性。结果表明,随着添加组件热膨胀,RMS的剩余阶段执行30%的改善。RMS DInSAR相比这两个模型的结果是1.7毫米和1.1毫米,分别表示一个TESM增加33%。协议级的一致性在这方面介绍了早期的研究工作也验证了结果的可靠性。

数据可用性

terrasar - x的卫星图像中使用本文提供的德国航天中心(DLR)(数据顺序程序项目:MTH3393)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金资助下的中国(41701536号、61701047号和41904003号),湖南省自然科学基金资助下(jj3322 2017号、2019号jj50639),湖南省教育主管部门授予的关键项目(没有。18 a148),湖南省教育项目在格兰特(16 c0034),和开放的空间信息技术工程实验室基金湖南高速公路地质灾害预警在格兰特(没有。kfj190601)。