1. مقدمه
تداخل سنجی رادار دیافراگم مصنوعی (SAR) به طور گسترده ای برای تشخیص تغییر شکل های سطحی در مناطق متعددی در سراسر جهان استفاده شده است. تسطیح روش سنتی نقشه برداری زمین برای اندازه گیری تغییرات ارتفاع و ارتفاع است. علاوه بر این، روش تسطیح دقیق یک روش ترازسازی پیچیدهتر است و اندازهگیری ارتفاع بسیار دقیقی را میتوان انجام داد [ 1 ]. با این حال، پوشاندن یک منطقه چند کیلومتر مربعی با اندازهگیریهای تسطیح زمانبر و پرهزینه است. به خوبی شناخته شده است که تصاویر ماهوارهای SAR پوشش فضایی خوبی ارائه میدهند و در شرایط مساعد حتی نرخ تغییر شکل در سطح میلیمتری را میتوان در مناطق شهری تشخیص داد، به عنوان مثال، [ 1 ، 2 ]]. هدف از مطالعه حاضر استفاده از روش تداخل سنجی پراکنده پایدار (PSI) برای تشخیص فرونشست ساختمان ناپیوسته فضایی در شهر تورکو و مقایسه نتایج با دادههای تسطیح دقیق پایههای ساختمان فردی بود.
تداخل سنجی پراکنده پایدار (PSI) [ 3 ] برای بهبود کاربرد تداخل سنجی SAR دیفرانسیل (DINSAR) [ 4 ] توسعه یافت. تکنیکهای PSI دقت بالایی در اندازهگیری تغییر شکل، حتی تا سطح زیر میلیمتری [ 2 ] ارائه میکنند. چندین الگوریتم برای تشخیص تغییر شکل با استفاده از PSI وجود دارد، به عنوان مثال، [ 5 ، 6 ، 7 ، 8 ، 9 ]. ترکیبی از سری های زمانی ERS و ENVISAT در PSI ارائه شده است، به عنوان مثال، [ 10 ، 11 ، 12 ، 13 ].
اعتبار سنجی نتایج DINSAR و PSI را می توان با استفاده از روش های مختلف انجام داد. اول، یک مقایسه متقابل DINSAR (به عنوان مثال، در [ 14 ، 15]) می تواند زمانی انجام شود که مجموعه داده یکسان با استفاده از الگوریتم های DINSAR یا PSI مختلف پردازش شود، یا از الگوریتم مشابهی برای پردازش یک مجموعه داده SAR مستقل استفاده شود، به عنوان مثال مجموعه داده های صعودی و نزولی یا داده های یک حسگر SAR متفاوت. دوم، برای مطالعه دقت مطلق، دادههای حقیقت پایه مورد نیاز است. اندازهگیریهای زمینی دقیق را میتوان با استفاده از روشهای پیمایش سنتی، مانند تسطیح و سیستم ماهوارهای ناوبری جهانی (GNSS) یا اکستنسومترهای گمانه انجام داد. دقت قابل مقایسه با PSI تنها با استفاده از کمپین های مرتب سازی دقیق مکرر یا یک سری زمانی بسیار طولانی بر اساس ایستگاه های دائمی GNSS و با تجهیزات و الگوریتم های خاص امکان پذیر است. نمایه های نقشه برداری را می توان با نقشه های فرونشست SAR مانند [ 14 , 16 , 17 ] مقایسه کرد، 18 ] و بازتابنده های گوشه مصنوعی را می توان برای کالیبراسیون فاز DINSAR استفاده کرد [ 19 ، 20 ، 21 ]. مطالعات زیادی در رابطه با اعتبار سنجی پدیده های فرونشست پیوسته که با استفاده از PSI اندازه گیری شده اند، انجام شده است، به عنوان مثال، [ 14 ، 16 ، 22 ]. کارهای قبلی در مورد نظارت PSI ساختارها و زیرساخت های شهری شامل [ 23 ، 24 ، 25 ، 26 ، 27 ] است.
دقیق ترین اندازه گیری تغییرات ارتفاع با اندازه گیری تسطیح به دست می آید. اما دقت تسطیح به تجهیزات و روش های مورد استفاده بستگی دارد. دقیق ترین نتایج با استفاده از ابزار و روش دقیق تراز کردن به دست می آید [ 1 ، 28 ]. برای مثال، طبق [ 29 ]، خطای استاندارد کیلومتر برای نتایج تسطیح دقیق کمتر از 1 میلی متر/(کیلومتر 1/2 ) بود.
اندازه گیری فرونشست ساختمان بر اساس نظارت بر موقعیت پیچ های فلزی واقع در پایه های سنگی ساختمان ها است. از آنجایی که تسطیح یک روش اندازهگیری رابطهای است، بررسیها باید به یک نقطه پایدار، معمولاً یک پیچ معیار در سنگ بستر، که میتواند برای مدت زمان طولانیتری پایدار در نظر گرفته شود، گره خورده است.
مقایسه مختصری از تکنیک های تسطیح دقیق و PSI در جدول 1 ارائه شده است . برای اندازه گیری فرونشست در مناطق شهر، PSI می تواند تراکم نقطه فضایی بهتری را نسبت به اندازه گیری های بررسی زمینی ارائه دهد. با توجه به [ 30 ]، میانگین تراکم PS در مناطق شهری بین 0.5٪ و 2.5٪ از تعداد پیکسل های اصلی است، که مربوط به 50-400 نقطه در هر کیلومتر مربع است ، که بسیار بیشتر از تراکم های به دست آمده با استفاده از روش های بررسی زمینی است. پریسین و روکا [ 31] نشان داده اند که اگر تعداد زیادی صحنه SAR استفاده شود، دقت موقعیت یابی یک PS در هر سه جهت در 1 متر است. با این حال، در الگوریتم های اصلی PSI، مکان PS با چنین دقتی تعیین نمی شود. مزیت اصلی تکنیکهای DINSAR نسبت به اندازهگیریهای تسطیح، پوشش فضایی گستردهتر، هزینه و نظارت بیشتر آنهاست. بحث جامع تر و چگالی PS برای سنسورهای مختلف SAR، فرکانس و هزینه در مقایسه با تکنیک های درجا برای انواع مختلف تغییر شکل در [ 32 ] موجود است.
جدول 1. مقایسه کوتاهی از تکنیک های تداخل سنجی دقیق و تداخل پراکنده پایدار (PSI).
2. سایت و داده ها
2.1. سایت
شهر تورکو، در سواحل جنوب غربی فنلاند ( شکل 1 )، در قرن سیزدهم تاسیس شد و پایتخت سابق فنلاند است. این در دهانه رودخانه Aurajoki قرار دارد و مناطق رسی و سنگ بستر متناوب در این منطقه ( شکل 2 ). بخشی از شهر بر روی یک لایه سفالی به ضخامت ده ها متر ساخته شده است. خاک رسی دره رودخانه دلیل مشکلات شدید فرونشست امروز این شهر است. توصیف زمین شناسی این منطقه در [ 33 ] موجود است.
تورکو به عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شد زیرا فرونشست شدید ساختمان در آنجا گزارش شده است [ 34 ]. در تورکو، برخی از ساختمانها در مناطق سفالی نسبت به زمین در حال نشست هستند. چندین ساختمان هنوز بر روی شمع های چوبی قرار دارند و با پایین آمدن سطح آب زیرزمینی در این مناطق سفالی، شمع های چوبی قدیمی تجزیه می شوند و در نتیجه فرونشست ساختمان و آسیب های ساختاری ایجاد می شود. کارهای نوسازی به طور مداوم در شهر ادامه دارد. در سال 2003، هزینه تجدید تمام شمع های آسیب دیده حدود 100-200 میلیون یورو برآورد شد [ 35 ].
شکل 1. موقعیت تورکو. داده های نقشه (ج) مشارکت کنندگان OpenStreetMap.org، CC-BY-SA.
شکل 2. یک نمونه مقطع از انواع خاک در منطقه. اصلاح شده از [ 33 ].
این شهر توسط زمین های کشاورزی، جنگل ها و دریا احاطه شده است. بخش مرکزی شهر متراکم تر ساخته شده است. مساحتی به مساحت چندین کیلومتر مربع را پوشش می دهد و کل شهر پوشش گیاهی زیادی را در بر می گیرد. با توجه به تنوع فصلی مشخص در پوشش گیاهی و انسجام زمانی، DINSAR سنتی امکان پذیر نیست، و بنابراین، یک تکنیک PSI باید اعمال شود.
فرونشست در تورکو با استفاده از داده های ERS در [ 23] و در مطالعه حاضر داده های ENVISAT ASAR و نتایج سه کمپین تسطیح دقیق اضافه شد. قبل از آن کار، تکنیکهای DINSAR برای مطالعه تغییر شکلهای زمین یا فرونشست شهری در فنلاند استفاده نشده است، احتمالاً به دلیل پوشش گیاهی قابل توجه در مناطق شهری و مناطق کوچک شهری. به دلیل سنگ بستر پایدار، حرکات غیرمنتظره در فنلاند رایج نیست. با این حال، در تورکو، فرونشست ساختمان در مناطق خاک رسی رخ می دهد و باعث آسیب به ساختمان ها می شود. برای سالهای متمادی، فرونشست ساختمان با اندازهگیریهای تسطیح پایش میشود و نتایج نشاندهنده نرخ ثابت سالانه فرونشست از ۰ میلیمتر در سال تا ۷ میلیمتر در سال است. بنابراین، تورکو یک سایت آزمایشی خوب برای PSI است، زیرا فرونشست رفتار خطی از خود نشان میدهد. این موضوع در انتهای بخش 4.1 بیشتر مورد بحث قرار گرفته است.
2.2. داده های SAR
مجموعه ای از تصاویر SAR ERS-1، ERS-2 و ENVISAT یک نگاه پیچیده (SLC) برای منطقه مورد مطالعه به دست آمد. تصاویر ماهواره ای از سال 1992 تا 2005 را پوشش می دهد. در مجموع 34 صحنه ERS و هشت صحنه ENVISAT ( جدول 2 ) برای استفاده در این مطالعه انتخاب شدند. تصاویر ERS و ENVISAT هندسه تصویربرداری یکسانی دارند (زاویه نگاه، مسیر، جذب نزولی)، بنابراین همان پراکندههای پایدار در تصاویر قابل تشخیص هستند. فاصله پیکسلی تصاویر 4 متر در آزیموت و 20 متر در محدوده زمین است.
جدول 2. داده های SAR (ERS و ENVISAT، Track 494، Frame 2388)، تاریخ و عمود بر خط. تصاویر اصلی به صورت مورب هستند.
2.3. سطح بندی و داده های کمکی
داده های سطح بندی با جزئیات بیشتر در بخش 3.2 توضیح داده شده است . تصاویر هوایی، نقشه پایه شهر و مدل رقومی ارتفاع (25 متر × 25 متر اندازه شبکه) به عنوان داده های کمکی استفاده شد.
3. روش ها
3.1. پردازش PSI
در پردازش PSI، الگوریتم نظارت بر هدف منسجم (CTM) [ 9 ، 36 ، 37 ] که از پیکسلهای پایدار بلندمدت (PSs) به نام اهداف منسجم استفاده میکند، استفاده شد. اهداف منسجم بر اساس انسجام زمانی (TC) یک پیکسل انتخاب می شوند. انسجام زمانی معیاری است که نشان می دهد فاز یک پراکنده در طول زمان چقدر پایدار است. الگوریتم CTM از اطلاعات اهداف توزیع شده و همچنین نقطه مشابه استفاده می کند.
فاز تداخلنگار دیفرانسیل که در آن فاز توپوگرافی و فاز زمین مسطح حذف شدهاند، فازی است
که در آن اجزای فاز عبارتند از تغییر شکل، تاخیر اتمسفر، فاز توپوگرافی باقیمانده (خطای DEM) و نویز. یک منطقه مرجع پایدار برای تخمین فاز اتمسفر اولیه انتخاب شده است. در ابتدا، انتظار می رود جو در منطقه پردازش ثابت باشد. با کم کردن میانگین فاز ناحیه مرجع، تداخل گرافی تصحیح شده جو را بدست می آوریم
فاز مربوط به مقدار خطای DEM و شیب مدل تغییر شکل خطی برای محاسبه فاز باقیمانده استفاده می شود.
خطای DEM و شیب با استفاده از انسجام زمانی یک پیکسل تعیین می شود
که در آن i(1، …، n) تداخلگرام و n تعداد کل تداخلنگارها است. جفت خطا و شیب DEM که بیشترین انسجام زمانی را می دهد جستجو می شود (جستجوی الگو، محدوده تعریف شده توسط کاربر). در نتیجه، تخمین هایی برای خطای DEM، نرخ تغییر شکل و TC به دست می آید.
در تکرارهای بعدی، تخمین اتمسفر با کم کردن تخمینهای ϕ defo و ϕ dem_error از فاز دیفرانسیل و صاف کردن آن بر روی منطقه برای به دست آوردن یک تخمین جدید برای ϕ اتمسفر، پالایش میشود . برای این کار، تنها پیکسل هایی استفاده می شود که دارای TC بالاتر از آستانه تعریف شده توسط کاربر هستند. سپس تخمین جدید ϕ اتمسفر از فاز دیفرانسیل اصلی کم میشود تا یک تداخلگرای تصحیح شده جوی جدید به دست آید، که در جستجوی مقادیر جدید شیب و خطای DEM استفاده میشود، و متعاقبا، تخمینهای انسجام زمانی جدید بهدست میآیند .
در مطالعه ما، سری زمانی تصاویر ERS و ENVISAT به طور جداگانه تشکیل شد. از این رو تداخل متقابل تشکیل نشد. تصاویر اصلی ERS و ENVISAT مشترک ثبت شدند. بنابراین، همه تصاویر ERS و ENVISAT دارای یک شبکه مرجع مشترک بودند، و بنابراین، چندین PS رایج را میتوان هم در سریهای زمانی ERS و ENVISAT یافت. منطقه مورد علاقه مشترک (ROI) 6 کیلومتر × 15 کیلومتر برای پردازش تداخل سنجی انتخاب شد. یک تداخلنگار شبیهسازیشده از DEM بهدست آمد و بهمنظور دریافت فاز توپوگرافی تداخلنگارها در تصویر اصلی ثبت شد.
ابتدا سری زمانی ERS از 33 اینترفروگرام تشکیل شد. تصویر اصلی ERS (27.8.95) برای داشتن پراکندگی معقولی از خطوط پایه هندسی و زمانی انتخاب شد. مراحل پردازش تصویر شامل ثبت مشترک تصویر در تصویر اصلی مشترک، انتخاب ناحیه مورد نظر، و محاسبه تداخلنگارهای دیفرانسیل با استفاده از فاز توپوگرافی از مدارهای دقیق DEM و دلفت (DEOS) است.
ثانیا، سری زمانی ENVISAT از هفت اینترفروگرام به طور مشابه تشکیل شد. استاد ENVISAT برای نمایش همان زمان از سال با استاد ERS انتخاب شد تا از اثرات ناشی از تغییرات فصلی در ثبت مشترک تصویر اصلی ERS و ENVISAT جلوگیری شود.
یک ROI (4.7 × 4.4 کیلومتر) برای پردازش PSI از پشته تداخلگرام دیفرانسیل انتخاب شد. یک منطقه بدون فرونشست شناخته شده در مرکز شهر به عنوان مرجع برای تغییر شکل صفر و برای تخمین افست اتمسفر اولیه انتخاب شد. نرخ تغییر شکل نسبت به این منطقه مرجع تخمین زده می شود. منطقه در شکل 3 ارائه شده است .
شکل 3. بخش املاک و مستغلات تورکو (REDT) و موسسه ژئودتیک فنلاند (FGI) معیارهای تسطیح و نرخ تغییر شکل عمودی آنها در منطقه. زرد نقطه ثابتی است. مربع قرمز موقعیت تقریبی تخمین اتمسفر اولیه را نشان می دهد. اعداد ساختمان های اندازه گیری شده توسط REDT را نشان می دهند. تصویر هوایی © Turun kaupungin Kiinteistöliikelaitos.
سپس فرآیند تکراری برای جداسازی فازهای ناشی از تغییر شکل، تغییر اتمسفر و خطای DEM اجرا شد. در جستجوی الگو، حداکثر شیب تغییر شکل ± 0.5 چرخه در سال تعیین شد، و 0.025 چرخه در سال (~0.7 میلی متر در سال) افزایش استفاده شد، برای خطای DEM حداکثر 20 ± متر و افزایش 1 متر استفاده شد. تخمین انسجام زمانی در طول هر دور تکرار پالایش میشود و PSهای جدید پیدا میشوند. آستانه TC برای پالایش اتمسفر 0.65 بود و برای محصولات خروجی (نقشه های تغییر شکل) از آستانه TC 0.6، 0.65 و 0.7 استفاده شد. در پالایش اتمسفر، طول صاف کردن صفحه اتمسفر 2000 متر بود. برای تغییر شکل از مدل خطی استفاده شد. شیب مدل تغییر شکل با استفاده از هر دو سری زمانی ERS و ENVISAT تخمین زده می شود و هر دو سری زمانی به مدل برازش داده می شوند. از این رو، تخمین تغییر شکل نهایی با استفاده از اطلاعات هر دو سری زمانی انجام می شود. در نهایت، تغییر شکل خط دید به تغییر شکل عمودی تبدیل می شود. دو دور تکرار انجام شد. افزودن دورهای تکراری بیشتر تفاوت معنی داری در نرخ فرونشست سالانه ایجاد نکرد. از نتایج تکرار دوم در تحلیلهای زیر استفاده شد.
علاوه بر تعیین نرخ تغییر شکل، پردازش PSI همچنین تخمینی از خطای مدل ارتفاعی دیجیتال (DEM) و انسجام زمانی PS را ارائه میکند. خطای DEM تفاوت بین ارتفاع DEM مرجع و ارتفاع پراکنده است، به عنوان مثال، پراکنده ممکن است بالای یک ساختمان باشد.
3.2. ایجاد یک شبکه اعتبار سنجی برای نظارت بر فرونشست بر اساس تسطیح دقیق
دو مجموعه مختلف از دادههای تسطیح به عنوان مرجع در این مطالعه استفاده شد، یک مجموعه از اداره املاک و مستغلات شهر تورکو (REDT) و یک مجموعه توسط FGI اندازهگیری شد.
فرونشست ساختمان ها در تورکو برای دهه ها بر اساس اندازه گیری های تسطیح انجام شده توسط مقامات شهری و شرکت های خصوصی نظارت شده است. این شامل یک مجموعه داده تسطیح است که توسط اداره املاک و مستغلات شهر (REDT) نگهداری می شود که تعدادی از ساختمان های متعلق به شهر را در منطقه مرکز شهر پوشش می دهد. داده های تسطیح REDT شامل چندین مشاهدات برای هر ساختمان است، به عنوان مثال، در تمام گوشه های ساختمان ها و در وسط. دادهها بین سالهای 1990 و 2003 به دست آمدهاند، اگرچه پوشش از ساختمانی به ساختمان دیگر متفاوت است و حاوی دادههایی در مورد پیچهای متعدد برای هر ساختمان است. ساختمان های تحت نظارت آنهایی بودند که در آنها آسیب مشاهده شده بود. ده ساختمان (شامل 76 معیار) در منطقه مرکز شهر نظارت شدند. علاوه بر این، ده ها نقطه کنترل ارتفاع در این منطقه نظارت می شود. اندازه گیری ها به طور جداگانه برای هر ساختمان انجام شد. دقت این اندازه گیری ها مشخص نیست. نتایج با دقت 1 میلی متر ثبت شده است. با در نظر گرفتن دقت دستگاه های تسطیح استاندارد، دقت باید در چند میلی متر باشد. بر اساس داده های تسطیح REDT، نرخ فرونشست خطی را می توان در منطقه آزمایش فرض کرد. در ساختمان “کولو” (2.9 میلی متر در سال) و “مدرسه کلیسای جامع” (1.8 میلی متر در سال) احتمالاً استقرار متفاوت وجود دارد. برای سایر ساختمان ها حدود 1 میلی متر در سال یا کمتر است که می تواند ناشی از خطای اندازه گیری باشد. معیارها و نرخ های سطح بندی REDT در نشان داده شده است بر اساس داده های تسطیح REDT، نرخ فرونشست خطی را می توان در منطقه آزمایش فرض کرد. در ساختمان “کولو” (2.9 میلی متر در سال) و “مدرسه کلیسای جامع” (1.8 میلی متر در سال) احتمالاً استقرار متفاوت وجود دارد. برای سایر ساختمان ها حدود 1 میلی متر در سال یا کمتر است که می تواند ناشی از خطای اندازه گیری باشد. معیارها و نرخ های سطح بندی REDT در نشان داده شده است بر اساس داده های تسطیح REDT، نرخ فرونشست خطی را می توان در منطقه آزمایش فرض کرد. در ساختمان “کولو” (2.9 میلی متر در سال) و “مدرسه کلیسای جامع” (1.8 میلی متر در سال) احتمالاً استقرار متفاوت وجود دارد. برای سایر ساختمان ها حدود 1 میلی متر در سال یا کمتر است که می تواند ناشی از خطای اندازه گیری باشد. معیارها و نرخ های سطح بندی REDT در نشان داده شده استشکل 3 .
به منظور اعتبارسنجی جامع تر نتایج PSI، FGI در سال 2005 یک سایت آزمایش PSI در مرکز تورکو ایجاد کرد. ترازسازی دقیق به عنوان روش اندازه گیری انتخاب شد، زیرا هنوز دقیق ترین روش موجود است.
شکل 4. نمونه ای از معیار تسطیح (عکس: Veikko Saaranen).
تعداد زیادی از ساختمان ها قبلاً دارای پیچ و مهره های فلزی ( شکل 4 ) بر روی پایه های سنگی خود بودند که در نتیجه مشکلات فرونشست شناخته شده در منطقه بود. تمامی پیچ و مهره ها قبلاً توسط مقامات شهری یا شرکت های خصوصی که ساختمان ها را نظارت می کردند بر روی ساختمان ها نصب شده بود. 14 عدد از این پیچ ها نیز در اندازه گیری های REDT استفاده شدند. اندازهگیریها به سه پیچ در سنگ بستر بسته شدند ( جدول 3 )، و ثابت ماندند. در اندازهگیریها از سیستم تراز دیجیتال Zeiss DiNi12 با میلههای بارکد اینوار LD12 و LD13 استفاده شد.
جدول 3. فهرست بنچمارک بستر.
مسیر تسطیح دقیق FGI حدود 4.9 کیلومتر طول دارد و منطقه اصلی فرونشست در امتداد رودخانه را پوشش می دهد. از 82 پیچ در بیرون ساختمان ها و سه معیار سنگ بستر تشکیل شده است. پیچ ها از فلز ساخته شده و بر روی پایه های سنگی ساختمان ها نصب می شوند. افزونگی در طراحی شبکه تسطیح در نظر گرفته شد و تعدادی از حلقه ها اندازه گیری شد. شبکه تسطیح حاصل اساساً یک خط تسطیح در شهر با دو حلقه در وسط است. این اجازه می دهد تا نتایج قابل اعتمادتری به دست آید و ساختمان های خاصی مورد علاقه خاص قرار گیرند. گسترش محل آزمایش برای احاطه کردن سایر مکانهای اصلی فرونشست، مانند منطقه اطراف ایستگاه راهآهن، نسبتاً ساده است، زیرا این مکانهای دیگر شامل پیچهایی هستند که در سنگ بستر و روی پایههای ساختمان نصب شدهاند. با این حال،
FGI دارای سه مجموعه اندازه گیری دقیق تراز است، اولی از می 2005، دومی از اکتبر 2005، و سومی از ژوئن 2006. تنظیم شبکه با استفاده از برنامه “سیستم موقعیت یابی X محلی” [ 38 ] انجام شد. روش تعدیل یک شبکه محدود با سه معیار سنگ بستر ثابت بود. وزن هر مشاهده با فاصله فاصله معیار نسبت معکوس داشت. انحراف استاندارد پسینی برای کمپین ها 0.65 میلی متر/(کیلومتر 1/2 )، 05/1 میلی متر/(کیلومتر 1/2 )، 94/0 میلی متر/(کیلومتر 1/2 ) بود.). نتایج بهعنوان مجموعهای از دادههای نقطهای حاوی سه مشاهده برای هر نقطه و نرخ فرونشست سالانه حاصل از این اندازهگیریها ذخیره میشوند. میانگین نشست 4.7 میلی متر در سال و انحراف معیار 3.6 میلی متر در سال بود. حداکثر جابجایی اندازه گیری شده 60 میلی متر در سال (در یک ساختمان در حال بازسازی در آن زمان) و حداقل صفر بود. سایت تست تسطیح FGI در شکل 3 ارائه شده و با جزئیات بیشتر در [ 39 ] توضیح داده شده است.
3.3. مقایسه
هنگامی که یک پدیده تغییر شکل از نظر فضایی پیوسته است، تغییر شکل را می توان مدل کرد، و مشاهدات نقطه ای PS باید برای به دست آوردن یک میدان تغییر شکل پیوسته درون یابی شوند. روش های زمین آماری، مانند کریجینگ در [ 40 ]، اغلب برای درون یابی استفاده می شود. با این حال، هنگامی که تغییر شکل از نظر فضایی غیرمستمر است (ساختمانهای مجاور بسته به وضعیت شالودهها میتوانند پایدار باشند یا فروکش کنند)، مانند مورد تورکو، وضعیت سادهتر نیست، و نیاز به مشاهدات PSI مربوطه و معیارهای بررسی زمین دارد. مشخص. از آنجایی که چگالی PS معمولاً بیشتر از چگالی معیارها است، گزینههای جایگزین یا استفاده از نزدیکترین PS یا هر PS در فاصله معینی از معیار است. ژئوکدینگ هر PS خشن است،به عنوان مثال ، نزدیکترین PS لزوماً نزدیکترین آن در واقعیت نیست، و همچنین چندین PS در یک ساختمان وجود دارد. در تحلیل های زیر از نزدیکترین PS که در داخل مرزهای ساختمان قرار داشت استفاده شد. ( شکل 5 ) حداکثر فاصله 20 متر اعمال شد.
شکل 5. 11 PS، هشت معیار REDT و دو معیار تراز FGI و نرخ تغییر شکل عمودی آنها در تاون هال. انتخاب نزدیکترین PS برای دو بنچمارک FGI با فلش نشان داده شده است. برای میانگین نرخ PSI سالانه تمام 11 PS استفاده شد.
رمزگذاری جغرافیایی نتایج PSI به دلیل سیستم های مرجع مختلف داده های SAR و نقشه های شهر آسان نیست. بعلاوه، پراکنده لزوماً در مرکز عنصر تفکیک قرار نمی گیرد، بلکه فقط در ناحیه یک عنصر تفکیک شناخته شده است. در نتیجه تجزیه و تحلیل PSI، ارتفاع پراکنده یا خطای ارتفاع آن نسبت به DEM مورد استفاده میتواند بیشتر در طول ژئوکدینگ استفاده شود. با این حال، برآورد ارتفاع نادرست منجر به کدگذاری جغرافیایی نادرست خواهد شد. خوشبختانه، مشاهدات PS معمولاً خوشهای هستند و این به ارتباط مشاهدات PS کدگذاریشده با اشیاء زمینی مانند ساختمانها کمک میکند. دقت ژئوکدینگ PS با توجه به داده های نقشه به صورت بصری با مقایسه PS ها با نقشه ساختمان برآورد شد. حداکثر خطای geocoding حدود 5 متر در آزیموت (~ جهت شمال-جنوب) و حدود 20 متر در جهت محدوده زمین (~~ شرق-غرب) برآورد شد. این مشابه وضوح اسمی تصویر ERS SLC است که 10 متر در محدوده شیب و 5 متر در جهت آزیموت است.
در مطالعه موردی تورکو، از دادههای ساختمانی نقشه پایه دیجیتال شهر تورکو برای مطالعه توزیع فضایی پراکندههای پایدار استفاده شد. با استفاده از این داده ها، امکان تعیین اهداف و ساختمان های منسجم متناظر وجود داشت. مجموعه ای از تصاویر هوایی برای اهداف بازرسی بصری استفاده شد.
نرخ فرونشست داده های تسطیح REDT برای یک بخش ساختمان خاص بسیار مشابه بود، بنابراین، مشاهدات تسطیح را می توان به میانگین سرعت نشست سالانه ساختمان یا بخشی از یک ساختمان بزرگ تبدیل کرد. همچنین راحت تر است که PS های جغرافیایی کدگذاری شده را به اشیاء بزرگتر، به عنوان مثال، بخشی از یک ساختمان مرتبط کنیم. دادههای ساختمانی نقشه پایه شهر دیجیتال در شناسایی پراکندههای راداری مربوطه برخی ساختمانها استفاده شد. مشاهدات REDT بر روی نقشه پایه دیجیتالی شدند. تجزیه و تحلیل همپوشانی مجموعه داده های سطح بندی و SAR انجام شد. به منظور مقایسه نتایج تسطیح REDT و نتایج PSI، میانگین نرخ تغییر شکل سالانه برای ساختمانها یا بخشهای مختلف ساختمان محاسبه شد. برای میانگین نرخ سالانه، تمام PS در مرزهای ساختمان (یا کمتر از 2 متر از مرز) استفاده شد.
4. نتایج
نتایج تجزیه و تحلیل PSI داده های SAR مورد مطالعه قرار گرفت و نرخ تغییر شکل به شرح زیر طبقه بندی شد: پایدار (2-2- میلی متر در سال)، بالا آمدن (> 2 میلی متر در سال) و نشست (<-2 میلی متر) /سال). مقادیر آستانه TC مختلف استفاده شد. نتایج در جدول 4 فهرست شده است. هنگامی که یک مقدار آستانه TC بالاتر اعمال می شود، تعداد PS ها که نشان دهنده نشست و برآمدگی هستند کاهش می یابد. برای به دست آوردن نتایج قابل اعتماد، مقدار آستانه اعمال شده باید تا حد امکان بالا باشد، اگرچه PS کافی باید باقی بماند. نتیجه PSI در شکل 6 ارائه شده است .
جدول 4. طبقه بندی مشاهدات PSI با استفاده از آستانه های انسجام زمانی (TC) مختلف.
شکل 6. نقشه فرونشست PSI تورکو. نرخ تغییر شکل عمودی بر حسب میلی متر در سال است. خط سیاه شبکه تسطیح FGI است که شامل سه پیچ سنگ بستر (مثلث سیاه) است. TC ≥ 0.6. مختصات در سیستم مختصات ملی فنلاند (KKJ) است. تصویر هوایی © Turun kaupungin Kiinteistöliikelaitos.
4.1. مقایسه با داده های سطح بندی REDT
برای 10 ساختمان، میانگین نرخ فرونشست سالانه از دادههای تسطیح REDT (میانگین معیارها در پایههای ساختمان) و PSI (میانگین PS واقع در ساختمان) مقایسه شد. نتایج در جدول 5 نشان داده شده است. میانگین نرخ فرونشست مشابه است. با این حال، مشاهدات منفرد از مشاهدات حداکثر و حداقل متفاوت است. مقدار R2 میانگین نرخهای تغییر شکل 0.96 است و میانگین نرخ تغییر شکل از PSI به طور متوسط 0.03 میلیمتر در سال آهستهتر از میانگین نرخ تسطیح است.
جدول 5. نرخ حرکت عمودی در سال برای 10 ساختمان مختلف از پردازش PSI و اندازهگیری تسطیح REDT. میانگین نرخ تغییر شکل از PSI به طور متوسط 0.03 میلی متر در سال کندتر از میانگین نرخ تراز کردن است. مکان ساختمان ها را می توان در شکل 3 یافت .
جدول 6. تفاوت مطلق مشاهدات PS منفرد با مدل خطی بر اساس مشاهدات تسطیح REDT در شکل 7 . علاوه بر این، تفاوت PS های تک ERS و PS های ENVISAT به مدل خطی بر اساس داده های PSI ارائه شده است.
شش سری زمانی PSI در برابر سه سری زمانی همسطح REDT در شکل 7 رسم شده است. مشاهدات منفرد نویز فاز قابل توجهی دارند و قابل اعتماد نیستند، با این حال، به طور متوسط، نتایج خوبی می توان به دست آورد. میانگین نرخهای تغییر شکل از PS به PS متفاوت است و تنها تعداد کمی با سریهای زمانی تسطیح کاملاً مطابقت دارند. تفاوت نرخ تغییر شکل PS نسبت به مدل خطی بر اساس داده های تسطیح در جدول 6 ارائه شده است. اگرچه سری زمانی ENVISAT کوتاه است و بنابراین می توان دقت کمتری را در نتیجه انحراف بیشتر مقادیر تغییر شکل انتظار داشت (میانگین اختلاف با مدل خطی PSI برای ERS 3.2 و برای Envisat 4.0 است، جدول 6 )، مشاهدات را می توان مشاهده کرد. با سری زمانی ERS ترکیب شده است.
شکل 7. سری زمانی ERS و ENVISAT برای 2 PS در سه ساختمان و نشست خطی بر اساس مشاهدات PSI. برای مقایسه، یک سری زمانی تسطیح REDT برای یک معیار واقع در ساختمان ارائه شده است. تغییر شکل برای تصویر اصلی ERS صفر است.
برخی از دلایل احتمالی برای انحراف مشاهده منفرد در شکل 7 در اینجا ارائه شده است. برای چهار رصد آخر ERS (ماهواره ERS-2) از سال 2002، تفاوتهای زیادی بین تصاویر مرکز داپلر و تصویر اصلی وجود دارد که باعث عدم همبستگی بین تصاویر میشود. در تصاویر SAR که در 18.2.1996 و 19.2.1996 به دست آمد، حدوداً وجود دارد. برف 30 سانتی متری که ممکن است برخی از PS را بپوشاند، به عنوان مثال، هدف Linnakatu 39 انحرافات قابل توجهی را در شکل 7 نشان می دهد . همبستگی هندسی به دلیل خطوط پایه طولانی (بیش از 700 متر در جدول 2 ) ممکن است دقت این تخمین ها را کاهش دهد. همبستگی هندسی و واکنش به پوشش برف به ساختار PS بستگی دارد، بنابراین تأثیر آن تنها در برخی از PS قابل توجه است.
ما همچنین متوجه شدیم که در شکل 7 مشاهدات تسطیح برای هر سه معیار با خط با مقدار R 2 بالاتر از 0.99 مطابقت دارد. این فرض فرونشست خطی در تورکو را تایید می کند.
4.2. مقایسه با داده های سطح بندی FGI
برای مقایسه با دادههای تسطیح FGI، همه نرخهای فرونشست به میانگین نرخهای فرونشست سالانه تبدیل شدند. ژئوکدینگ PSs با استفاده از تصاویر هوایی پالایش شد. یک عملیات همپوشانی به منظور تعیین PS هر قسمت از ساختمانها مطابق با معیار تسطیح انجام شد. در مقایسه مشاهدات PS با مشاهدات تسطیح، حداکثر فاصله 20 متر از مشاهده تسطیح تعیین شد. این فاصله با توجه به دقت ژئوکدینگ برای PS و وضوح SAR مناسب در نظر گرفته شد.
شکل 8. نشست PS در مقایسه با نتایج تسطیح دقیق FGI.
برای 65 مورد از معیارهای تسطیح، یک مشاهده PSI نزدیک در دسترس بود. نرخ فرونشست سالانه مقایسه شد ( شکل 8 ). R 2مقدار 0.53 بود. ریشه میانگین مربعات خطا بین سری های زمانی 2.5 میلی متر در سال بود. نرخ فرونشست PSI به طور متوسط 1.0 میلی متر در سال کندتر از نرخ های اندازه گیری شده در تسطیح FGI بود. حتی اگر می توان نرخ فرونشست سالانه را برای اکثر ساختمان ها ثابت فرض کرد، باید توجه داشت که تفاوت های زمانی بین مجموعه داده ها وجود دارد و به احتمال زیاد در نرخ فرونشست چند ساختمان به دلیل کارهای نوسازی، غیرخطی بودن وجود دارد. دو معیار دارای نرخ فرونشست بسیار بالای بیش از 10 میلی متر در سال بودند که در تسطیح FGI اندازه گیری شد، در حالی که نتایج PSI برای همان ساختمان ها فرونشست را تنها در حدود 5 میلی متر در سال نشان داد. علل احتمالی این امر فرونشست غیر خطی ساختمان خاص یا اشیاء مختلف مشاهده شده یا محدودیت های تکنیک PSI در اثر نویز است [ 41 ]].
علاوه بر این، مشاهدات تسطیح FGI در امتداد سه خط تسطیح با مشاهدات PSI مقایسه شد ( شکل 9 ). روند مشابه است. با این حال نرخ فرونشست متفاوت است. میانگین قدر مطلق تفاوت 1.6 میلی متر در سال (Line1 1.8، Line2 0.9 و Line3 2.8 میلی متر در سال) بود. این نیز احتمالاً ناشی از مشاهدات مربوط به ساختمانها یا اشیاء مختلف است و همچنین دورههای زمانی متفاوتی را پوشش میدهد.
شکل 9. نتایج تسطیح دقیق FGI (نرخ فرونشست سالانه) در امتداد سه خط تسطیح و مشاهدات PS در امتداد خطوط. توجه داشته باشید که فرونشست از نظر مکانی پیوسته نیست.
مقادیر TC مشاهدات PSI نیز مورد مطالعه قرار گرفت. برای مجموعه تست، دقت نتایج CTM در مقایسه با سطح بندی به مقادیر انسجام زمانی بستگی ندارد. همانطور که در جدول 1 برای مقادیر پایین تر TC نشان داده شده است، نرخ تغییر شکل نویز می شود، با این حال، این اثر در داده ها، که حداقل TC 0.6 را دارند، قابل تشخیص نیست.
5. بحث
تفسیر نتایج به دلیل پیچیدگی ژئوکدینگ و عدم قطعیت (5 متر در آزیموت و 20 متر در محدوده) در مورد منبع پراکندگی چالش برانگیز است. نقشه ساختمان یا نقشه پایه می تواند کمک مفیدی در اصلاح ژئوکدگذاری درشت باشد و می تواند به ارتباط مشاهدات PSI با ساختمان ها کمک کند. با این حال، مجموعه داده های SAR بزرگ و تجزیه و تحلیل های مستقل برای اطمینان از شناسایی مکان های دقیق مورد نیاز است.
تفاوت های زمانی اغلب بین مجموعه داده های مختلف وجود دارد زیرا به دست آوردن داده های همزمان دشوار است. مجموعه داده SAR پیوسته به دلیل زمانهای بازدید مجدد ماهواره و اولویتهای کسب، همیشه در دسترس نیست. به عنوان مثال، ERS و ENVISAT فقط هر 35 روز یک بار امکان جمعآوری دادهها را با هندسه یکسان فعال میکنند. مدلسازی تغییر شکل غیرخطی با دادههای بهدستآمده نامنظم بهویژه دشوار است.
دادههای SAR تاریخی موجود است، اما یافتن دادههای حقیقت زمینی مربوط به همان دوره معمولاً دشوار است. خوشبختانه برای این مطالعه موردی، یک سری زمانی تسطیح طولانی تری برای برخی از ساختمان ها از اداره املاک و مستغلات شهر در دسترس بود. تسطیح FGI تنها یک دوره یک ساله از سال 2005 تا 2006 را پوشش می دهد. نرخ فرونشست FGI مورد استفاده در تجزیه و تحلیل ها از 0.15 تا -14.1 میلی متر در سال متغیر است. در نتایج PSI (نزدیک مکانهای تسطیح)، نرخ فرونشست از 5.5+ تا 9.7- میلیمتر در سال و مقادیر PSI مورد استفاده در آنالیزها از 0.6 تا -8.5 میلیمتر در سال متغیر بود. در تجزیه و تحلیل PSI، کل سری زمانی SAR از سال 1992 تا 2006 به منظور اطمینان از وجود تصاویر کافی برای به دست آوردن نتایج قابل اعتماد استفاده شد. بنابراین، تفاوت های زمانی زیادی در مجموعه داده ها وجود دارد. از آنجایی که دادههای تسطیح شهر نیز نرخهای فرونشست نسبتاً ثابتی را برای معیارها نشان میدهند، نرخ فرونشست به منظور مقایسه تسطیح FGI و اندازهگیریهای PSI ثابت در نظر گرفته شد. در سری زمانی تسطیح طولانی REDT، انحراف از نشست خطی کمتر از 1 میلی متر بود که همان مرتبه بزرگی خطای اندازه گیری بود. با این حال، این احتمال وجود دارد که برخی از ساختمان ها به دلیل کارهای نوسازی دارای مغایرت باشند.و غیره ، و بنابراین برخی از خطاها اجتناب ناپذیر هستند.
با استفاده از یک مسیر ماهواره ای می توانیم تنها یک جزء از بردار تغییر شکل سه بعدی را استخراج کنیم. در اینجا، ما انتظار داشتیم که فقط تغییر شکل عمودی رخ دهد. بنابراین هرگونه تغییر شکل افقی باعث خطا می شود.
همچنین لازم به ذکر است که برخی از پارامترها و ورودی های انتخاب شده تأثیر قابل توجهی بر نتایج تحلیل PSI دارند. منطقه مرجع برای تخمین فاز اولیه اتمسفر (منطقه مرجع پایدار) باید با دقت انتخاب شود، زیرا خطا در نتایج ترکیب می شود. آستانه مورد استفاده در انتخاب اهداف منسجم نیز تأثیر قابل توجهی بر نتایج به ویژه کیفیت نتایج دارد. هنگامی که از مقادیر انسجام زمانی کمتر استفاده می شود، تعداد PS ها افزایش می یابد و بالعکس. تعیین مقدار بهینه ساده نیست.
تجزیه و تحلیل از ماهواره های SAR جدید با وضوح بالا (به عنوان مثال، Terrasar-X، Cosmo-Skymed)، که تخمین بهتری از خطای DEM و ژئوکدگذاری دقیق تر PS، نمونه برداری PS متراکم تر و کیفیت بالاتر سری زمانی PS را ارائه می دهد، سود می برد [ 42 ]. ]. بنابراین، ارتباط یک PS با بخشی از یک ساختمان آسانتر است. با این حال، منبع دقیق پراکندگی ناشناخته باقی مانده است. وضوح بالا نیز در تعیین منطقه مرجع مفید خواهد بود. همچنین حساسیت فاز به تغییر شکل در باند X به دلیل طول موج کوتاهتر بیشتر است و در نتیجه تغییر شکل کوچکتری قابل تشخیص است. زمانهای بازبینی کوتاهتر، سریهای زمانی متراکمتری را ممکن میسازد. همچنین، با استفاده از داده های باند X با وضوح بالا، تصاویر SAR کمتری برای بدست آوردن نرخ جابجایی قابل اعتماد برای بازه زمانی یکسان مورد نیاز است [ 43 ]].
6. نتیجه گیری
در این مطالعه، ما به مقایسه نرخ فرونشست غیرمستمر شهری از تداخل سنجی SAR فضایی و تسطیح دقیق پی ساختمان ها پرداخته ایم. حتی اگر مقایسه تحت تأثیر تعدادی از مشکلات، به ویژه تفاوتهای مکانی و زمانی قرار گرفت، نتایج PSI به خوبی با دادههای سطحبندی مطابقت داشت. مقدار R2 با دادههای REDT 10 ساختمان 0.96 بود و میانگین نرخ تغییر شکل از PSI به طور متوسط 0.03 میلیمتر در سال آهستهتر از میانگین نرخ تغییر شکل ناشی از تسطیح بود . R 2مقدار PS و سطح بندی FGI یک معیار نزدیک 0.52 بود. نرخ فرونشست PS به طور متوسط 1 میلی متر کندتر از نرخ فرونشست تسطیح FGI بود. با توجه به نتایج، فرونشست ساختمان ناپیوسته مکانی که با سرعت چند میلی متر در سال رخ می دهد را می توان تشخیص داد و این نتیجه با استفاده از داده های تسطیح دقیق ژئودزی تایید شد. با استفاده از PSI، دقت قابل مقایسه با تسطیح دقیق در یک منطقه شهری با نمونه برداری فضایی خوب به دست می آید. با این حال، پارامترهای تجزیه و تحلیل PSI و کیفیت محصولات خروجی باید همیشه هنگام تفسیر نتایج PSI به دقت مورد توجه قرار گیرند.
PSI دادههای رزولوشن متوسط باند C برای مشخص کردن مناطق مشکلدار در یک محیط ساخته شده یا در غیر این صورت پایدار امکانپذیر است و یک تکنیک مناسب برای اندازهگیری نشست ساختمان است، زیرا ساختمانها معمولاً به عنوان پراکندهکنندههای پایدار عمل میکنند. دقت مطلق تکنیک به مجموعه داده ها و پارامترها بستگی دارد و نمی توان آن را بدون بازتابنده های مصنوعی با منبع پراکندگی شناخته شده تعیین کرد. به منظور تفسیر نتایج و اندازهگیری دقیق نرخهای فرونشست مطلق، باید محل دقیق پراکندههای پایدار شناخته شود و از اهداف کالیبراسیون برای تغییر شکل صفر (مثلا استفاده از بازتابندههای گوشه) استفاده شود. در مناطقی که پوشش گیاهی نقش اصلی را ایفا می کند (عدم وجود پراکنده های مداوم) هنوز به روش های سنتی نقشه برداری نیاز است.
بدون نظر