CN115205345A - 一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，主要涉及地表形变监测和信息处理技术领域，包括：1、将原始SAR影像进行预处理，基于时间序列InSAR技术获取填海区机场地表不均匀形变信息；2、根据填海时间将填海区机场划分为n个区域(n为填海次数)，再根据划分的区域建立填海区机场的基础地表形变数据库；3、在基础地表形变数据库基础之上，计算得到n个区域的地表形变趋势；4、随着外部多源数据的持续获取，对填海区机场的基础地表形变数据库进行更新，形成一个对研究区地表形变监测的良性循环。构成一个完整的地表不均匀形变信息提取与管理体系，对填海区机场地表形变的科学防治提供了有力依据。
Description
技术领域
本发明涉及地表形变监测和信息处理技术领域，具体涉及一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，许多沿海城市通过填海造陆的方式来缓解城市建设和交通用地短缺的问题。在过去的几十年里，为了合理的对城市用地进行规划以及减轻航空运输的压力，沿海城市的机场大都选择建立在靠近大海且远离城市中心的区域，如中国香港、中国澳门、中国上海等。由于这些机场土地围垦时间短，天然地基薄弱，会不可避免地发生土地固结压缩情况，进而出现严重的地表形变问题，尤其是不均匀形变存在重大的安全隐患。因此，为了保障机场和人员的安全，确保地面的稳定性，十分有必要对填海区机场的地表形变信息进行及时提取和科学管理。
目前，地表形变监测包括基于点目标的传统方法(如全球定位系统(GPS)和水准基准法) 和新兴的合成孔径雷达干涉测量技术(interfer-ometric synthetic apertureradar，InSAR)。使用传统方法进行测量需要大量的人力物力，不仅耗时而且难以清晰的展现地表形变的宏观空间分布，特别是对于面积大、跨度长的大型基础设施来说缺点尤为明显，如机场、道路、桥梁等。相比之下，InSAR技术以更高的空间分辨率和亚厘米级精度实现了大面积地表形变监测，突破了传统方法的局限性。然而InSAR技术容易受到失相关、大气及轨道误差的影响，为了克服这些问题，时间序列InSAR(TS-InSAR)技术被提出且成为研究地表形变时空特征的有效方法。虽然，目前已经有些机场开展了地表形变监测，但是仍然存在以下几个明显的问题：
(1)针对填海区机场的监测力度低，不能随着时间的推移形成系统的填海区机场地表形变信息提取与管理体系。
(2)在监测到不均匀形变信息后无法及时根据当地实际条件提出防治方案，导致响应时间滞后。
发明内容
本发明提出了一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，以解决目前国际上填海区机场地表不均匀形变监测力度低、形变信息提取与管理不成体系，且得到监测结果响应时间滞后的问题。
本发明采用的技术方案如下：
步骤1：将原始SAR影像进行预处理，基于时间序列InSAR技术，获取影像覆盖范围的填海区机场地表不均匀形变数据；
步骤2：根据填海施工时间顺序将填海区机场划分为n个区域，再按照划分的区域建立填海区机场的基础地表形变数据库，并将填海区机场的地表形变信息都储存在对应的基础地表形变数据库中；
步骤3：在填海区机场的基础地表形变数据库基础上，计算得到n个区域的地表形变趋势，通过分析地表形变趋势得出地表形变的本质，进而采取相应的对策；
步骤4：通过持续获取外部多源数据，对填海区机场的基础地表形变数据库进行更新，完成对填海区机场地表不均匀形变信息的持续提取与管理；随着时间的推移与外部数据(SAR影像、降水、温度、地质等)的持续获取，对填海区机场的基础地表形变数据库进行更新，形成一个对研究区地表形变监测的良性循环。
其中，所述步骤1具体为：
步骤1.1：所述预处理包括：
1)确定SAR影像配准时的主影像和辅影像；
2)利用轨道数据和外部数字高程模型(DEM)进行校正处理，去除轨道误差和地形相位；
3)对获取的所有SAR影像进行影像配准并生成干涉图；
步骤1.2：为获得影像覆盖范围内的研究区地表形变数据，首先将预处理生成的干涉图进行噪声估计，再进行PS点的选择，通过设计一个阈值选取相干性较好的PS点，去除其它相干性较差的点，将保留下的PS点进行合并和重采样，最后经过相位解缠提取相应形变信息，获得影像覆盖范围内的研究区地表形变数据。
其中，所述步骤2中的基础地表形变数据库由多个数据表单构成，数据表单是由地表形变的基本属性表组成，数据表单的个数取决于填海区机场区域进行填海的次数，并且各个基本属性表按照形变获取时间进行顺序排列；
进一步的，所述基本属性表包括形变速率表和累计形变量表，所述形变速率表中主要包含PS点的经度、维度、类型、对应的形变速率等信息；累计形变量表中主要包含PS点的经度、维度、获取SAR影像各时间段的累计形变量等信息，所述每个时间段的PS点都被赋予唯一的ID进行存储。
其中，所述步骤3具体为：
步骤3.1：当确定了n个区域的边界后，通过计算得到各区域的平均形变速率，定量评价填海各阶段与地表形变之间的对应关系；
步骤3.2：统计各区域的平均形变速率标准差，通过标准差的大小反映了各区域空间变化情况，进而计算得到n个区域的地表形变趋势。
其中，所述步骤4中的外部多源数据包括最新的SAR影像、温度数据、降水数据、地质数据等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提出的方法实际可操作性强，显著提高了填海区机场地表不均匀形变监测能力；通过建立机场的地表形变数据库，形成了一个完整的填海区机场地表不均匀形变信息提取与管理体系，可以对地表形变进行科学有效的防治，及时发现问题，减少机场和人员损失。
附图说明
本发明将通过例子并参见附图的方式说明，其中：
图1是本发明实施例的方法流程示意图；
图2是本发明实施例中地表形变提取信息图；
图3是本发明实施例中分区图；
图4是本发明实施例中基础地表形变数据库图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面参见图1～图4对本发明作详细说明：
本实施例中，我们使用2021年1月1日至2021年9月30日的21景Sentinel-1A SAR影像数据，选择上海浦东填海区机场(SPIA)作为研究区域。在1999年，SPIA一期工程建成，机场正式投入运营，包括T1航站楼和一条跑道；2006年完成了SPIA二期工程，后续又扩建了第二航站楼、第三、四、五跑道以及全球最大的单体卫星厅等，逐渐形成了今天的规模。由于机场的大部分跑道和基础设施都是建立在不同时期的地基上，导致地表很容易出现不均匀形变现象，所以开展SPIA的地表形变研究对评估机场的整体稳定性和安全情况十分重要。
本发明提出的一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，具体步骤见总体设计图(参见附图1)。
步骤1、从在研究时间内获取的SAR影像中确定主影像，然后将所有影像进行配准。
时间序列InSAR是将时间维度添加到DInSAR的处理过程中，需要将覆盖相同研究区的时间序列SAR影像经过配对组合，形成干涉对进行干涉处理。从t0,t1,…tN时刻采集的研究区N+1景SAR影像中筛选出在时间基线和空间基线中靠中间的一景作为主影像，当主影像与其他影像进行配准时需满足下式的条件：
其中，M为干涉图数量，N为SAR影像数量。
其中，所述SAR影像的英文全称为：Synthetic Aperture Radar；中文全称为：合成孔径雷达图像。
步骤2、引入外部DEM去除地形相位等误差后，对配准后的SAR影像进行干涉处理，生成相应的干涉图，再经过PS点的选取、相位解缠等步骤获得各PS点的形变速率。
对tA、tB两时刻采集的SAR影像进行干涉处理，生成干涉图j，同时需要去处地形相位等的影响，此时干涉图j上的某一像素点(x,r)的干涉相位
计算公式为：
其中，x,r分别为像素点的方位向和距离向坐标；
和
分别为tB、tA时刻获取的SAR影像上某一像素点(x,r)的相位；
为噪声相位；
为大气相位的误差；
为tA至tB时刻的卫星视线向(line of sight，LOS)形变相位；
为外部DEM引入的地形相位误差。
以空间基线为单元列立PS点在像素空间的误差方程，见公式(3)：
Vj＝vm-vn-Δvm,n j＝1,2,…,Q m,n＝1,2,…,M (3)
vm,vn为连接基线两端PS点的形变速率，Q和M分别为基线及PS点的个数，其中误差方程中的矩阵表达为：
B为高阶稀疏矩阵，X为PS点形变速率向量，X＝[v1,v2,…,vT]T，L为基线边的形变速率向量，L＝[Δv1,Δv2,…,ΔvQ]T。
利用最小二乘法求解出PS点的形变速率为：
X＝(BTB)-1BTL (5)
形变速率结果参见附图2，其中Velocity为形变速率，其范围从-52.90mm/year至32.76 mm/year，研究区域内出现明显的不均匀形变。地面沉降最为严重的是SPIA东部，尤其是靠近海岸线区域以及第五跑道附近，形变速率达到-52.90～-7.00mm/year。在SPIA的中、西部地区，特别在T1、T2航站楼与申嘉湖高速沿线附近出现地面抬升现象，形变速率达到 8.59～32.76mm/year。SPIA中的第一、第三跑道附近以及第二、第四跑道附近的地面沉降相对较小且比较稳定，形变速率主要在-6.99～8.58mm/year。
步骤3、根据填海施工时间顺序将SPIA划分为A、B、C、D四个区域，然后计算各区域的平均形变速率及其标准差。
参见附图3(a)，A区域为1986年SPIA陆地面积，B、C、D三个区域分别为1999年、2006年和2021年新增加的SPIA填海造陆面积。参见附图3(b),各区域点的平均形变速率描述了各个区域内的主要形变趋势，标准差说明了每个区域的形变变化和可能出现的误差，因此，从A区域到D区域平均形变速率标准差逐渐增加，表明D区域空间变化最大。A区域出现了地面抬升，在观测时间内的平均形变速率约为2.18mm/year；B区域出现轻微地面抬升，约为0.51mm/year；C区域出现了轻微下沉，约-1.96mm/year；D区出现了严重的地面沉降，平均形变速率达到约-16.27mm/year。
步骤4、基于SPIA划分的四个区域，建立基础地表形变数据库。
参见附图4，基础地表形变数据库是由n个数据表单组成，所述n个数据表单分别包括数据表单1、数据表单2……数据表单n，具体的数据表单的个数是由监测次数决定。每个数据表单包括两个属性表，分别为形变速率表和累计形变量表。
步骤5、分析SPIA四个区的形变趋势，并根据各区的形变情况做出响应。
参见附图3(b)可知，A区东部和B区出现地面抬升现象，原因包括地形误差和温度变化两方面，当建筑物密集、结构复杂时，必须采用高精度的三维数字地形图，有效降低地形误差，或者在获取地表形变时，采用多源数据约束运算，进一步降低因人为干预对结果产生的影响。对于由温度变化引起的地表形变，可以将一些特殊材料(如相变材料)集成到建筑外层围护或者道路建设过程中，减少周围环境因素对建筑物或者地面设施的影响。
SPIA的C、D区域出现了较明显的地面沉降，由于两地区填海时间晚，基础地质较弱且稳定性较差，随着海平面的上升，海浪和潮汐会对堤坝进行侵蚀，严重的地区会导致护岸崩塌并损坏堤防，所以需要加固围垦区堤防和增加沿海海堤高度。针对如D区这样沉降严重的区域需要进行重点关注，如果地面沉降趋势继续恶化，有必要在海岸线继续扩大填海面积，增加一段缓冲区域，进一步减少海水对地质的影响。
步骤6、随着外部多源数据的持续获取，对SPIA的基础地表形变数据库进行更新，最终形成一个针对SPIA的地表不均匀形变信息提取与管理体系。
外部多源数据包括最新的SAR影像、温度数据、降水数据、地质数据等，这些多源数据的加入，为全面和综合的分析研究区地表形变机理提供了有力支撑。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1：将原始SAR影像进行预处理，基于时间序列InSAR技术，获取影像覆盖范围的填海区机场地表不均匀形变数据；
步骤2：根据填海施工的时间顺序将填海区机场划分为n个区域，再按照划分的区域建立填海区机场的基础地表形变数据库，并将填海区机场的地表形变信息都储存在对应的基础地表形变数据库中；
步骤3：在填海区机场的基础地表形变数据库基础上，计算得到n个区域的地表形变趋势，通过分析地表形变趋势得出地表形变的本质；
步骤4：通过持续获取外部多源数据，对填海区机场的基础地表形变数据库进行更新，完成对填海区机场地表不均匀形变信息的持续提取与管理。
2.根据权利要求1所述的一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，其特征在于，
所述步骤1具体为：
步骤1.1：所述预处理包括：
1)确定SAR影像配准时的主影像和辅影像；
2)利用轨道数据和外部数字高程模型进行校正处理，去除轨道误差和地形相位；
3)对获取的所有SAR影像进行影像配准并生成干涉图；
步骤1.2：将预处理生成的干涉图进行噪声估计，再进行PS点的选择，通过设计一个阈值选取符合要求的PS点，去除其它PS点，将保留下符合要求的PS点进行合并和重采样，最后经过相位解缠提取相应的形变信息，获得影像覆盖范围内的研究区的地表形变数据。
3.根据权利要求1所述的一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，其特征在于，所述步骤2中的基础地表形变数据库由多个数据表单构成，数据表单是由地表形变的基本属性表组成，数据表单的个数取决于填海区机场区域进行填海的次数，并且各个基本属性表按照形变获取时间进行顺序排列。
4.根据权利要求3所述的一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，其特征在于，所述基本属性表包括形变速率表和累计形变量表，所述形变速率表中包含PS点的经度、维度、类型以及对应的形变速率；累计形变量表中包含PS点的经度、维度以及获取SAR影像各时间段的累计形变量，所述每个时间段的PS点都被赋予唯一的ID进行存储。
5.根据权利要求1所述的一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
步骤3.1：当确定了n个区域的边界后，通过计算得到各区域的平均形变速率，定量评价填海各阶段与地表形变之间的对应关系；
步骤3.2：统计各区域的平均形变速率标准差，通过标准差的大小反映各区域空间变化情况，进而计算得到n个区域的地表形变趋势。
6.根据权利要求1所述的一种填海区机场的地表不均匀形变信息提取与管理方法，其特征在于，所述步骤4中的外部多源数据包括最新的SAR影像、温度数据、降水数据以及地质数据。
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