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自然资源遥感  2025, Vol. 37 Issue (5): 141-151    DOI: 10.6046/zrzyyg.2024299
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利用C-LSTM的时序InSAR地表形变趋势分析及预测方法
文艺1,2,3,4(), 张玲1,2,3, 孔含泉5, 万祥星1,2,3(), 葛大庆1,2,3, 刘斌1,2,3
1.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室,北京 100083
3.自然资源部地质灾害隐患遥感识别与监测工程技术创新中心,北京 100083
4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083
5.黑龙江省地质测绘地理信息院,哈尔滨 150030
Trend analysis and prediction method of ground deformation using TS-InSAR-based combination-long short-term memory
WEN Yi1,2,3,4(), ZHANG Ling1,2,3, KONG Hanquan5, WAN Xiangxing1,2,3(), GE Daqing1,2,3, LIU Bin1,2,3
1. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources,Beijing 100083,China
2. Key Laboratory of Airborne Geophysics and Remote Sensing Geology,Ministry of Natural Resources,Beijing 100083,China
3. Technology Innovation Center for Geohazard Identification and Monitoring with Earth Observation System,Ministry of Natural Resources,Beijing 100083,China
4. School of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing) 100083,China
5. Heilongjiang Institute of Geological Mapping and Geographic Information,Harbin 150030,China
全文: PDF(9007 KB)   HTML  
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摘要 

时序合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术已广泛应用于地表形变监测与预测,但目前在地下水与地表形变趋势的相关性及其时间滞后性分析研究方面尚显不足,此外,InSAR地表形变趋势预测模型多依赖于单一InSAR信息,限制了模型的预测精度和泛化能力。针对上述问题,该文提出了一种结合地下水位、降雨量和InSAR形变信息的基于排列组合长短期记忆网络(combination-long short-term memory,C-LSTM)模型,分别对单因子模型和多因子模型的预测精度进行评价。分析发现,地表形变与地下水位变化间存在滞后关系,利用地下水和降雨量通过模型训练得到的最优特征组合,其预测结果与实际地表形变相比决定系数(R2)分别较单一特征因子预测结果提高了2.45%,1.52%,4.16%,8.08%,5.08%和1.45%。通过增加与地表形变相关性高的模型特征组合,提升了对地表形变区域预测的准确性。

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文艺
张玲
孔含泉
万祥星
葛大庆
刘斌
关键词 时序InSAR地表形变相关性分析C-LSTM    
Abstract

Time-series interferometric synthetic aperture radar (TS-InSAR) technology has been widely used in ground deformation monitoring and prediction. However,current research remains insufficient in the correlation and temporal lag between groundwater and ground deformation. Moreover,InSAR-based prediction models for ground deformation mostly rely on a single InSAR data,which limits the prediction accuracy and generalization ability of the models. To address these challenges,this study proposed a combination-long short-term memory (C-LSTM) model that integrates groundwater level,rainfall,and InSAR deformation data. This model was employed to evaluate the prediction and accuracy of single-factor and multi-factor models,respectively. The results revealed a temporal lag between ground deformation and changes in groundwater level. The optimal feature combination,obtained through model training using groundwater and rainfall data,exhibited significant improvements in prediction accuracy compared to single-factor predictions,with the coefficient of determination (R2) increasing by 2.45%,1.52%,4.16%,8.08%,5.08%,and 1.45% respectively. The model enhances the prediction accuracy of ground deformation by incorporating model feature combinations with high correlation with ground deformation.

Key wordstime-series interferometric synthetic aperture radar (TS-InSAR)    ground deformation    correlation analysis    combination-long short-term memory (C-LSTM)
收稿日期: 2024-09-14      出版日期: 2025-10-28
ZTFLH:  TP79  
基金资助:中国自然资源航空物探遥感中心青年创新基金“多维观测下滑坡InSAR时序监测与形变分解方法”(2023YFL26);国家重点研发计划项目“广域重大地质灾害隐患综合遥感识别技术研发”(2021YFC3000400)
通讯作者: 万祥星(1991-),男,博士,主要从事InSAR地质灾害隐患识别与监测方法研究。Email:wanxiangxing@mail.cgs.gov.cn
作者简介: 文 艺(1999-),女,硕士研究生,主要从事InSAR数据处理与应用。 Email:zqt2200204130@student.cumtb.edu.cn
引用本文:   
文艺, 张玲, 孔含泉, 万祥星, 葛大庆, 刘斌. 利用C-LSTM的时序InSAR地表形变趋势分析及预测方法[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(5): 141-151.
WEN Yi, ZHANG Ling, KONG Hanquan, WAN Xiangxing, GE Daqing, LIU Bin. Trend analysis and prediction method of ground deformation using TS-InSAR-based combination-long short-term memory. Remote Sensing for Natural Resources, 2025, 37(5): 141-151.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2024299      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2025/V37/I5/141
Fig.1  研究区概况图
卫星影像 Sentinel-1A-IW-SAR-SLC
时间范围 2018-01-03—2022-12-20
主影像 2019-01-22
时间基线/d 12~108
垂直基线/m -150~150
干涉对 572
DEM Copernicus-30
Tab.1  遥感数据信息概况
Fig.2  技术路线图
Fig.3  C-LSTM模型结构
Fig.4  IPTA-InSAR与Stacking结果校验
Fig.5  首都机场及其周围IPTA-InSAR时序形变结果
Fig.6  长时序累计形变量图
形变结果 王家场 米各庄-2 沙陀
累计形变量/mm -14.38 -23.46 -26.32
形变速率/(mm·a-1 -1.59 -3.66 -3.69
Tab.2  监测站InSAR形变结果
Fig.7  地下水位与累计形变量对比图
地点 相关系数r 斜率 R2 RMSE
小天竺 0.76 0.71 0.54 0.18
王家场 0.46 0.55 0.17 0.32
米各庄-2 0.55 0.67 0.21 0.28
沙陀 0.43 0.48 0.18 0.25
Tab.3  地下水位与累计形变量精度评价指标
Fig.8  相关性分析散点图
Fig.9  滞后性分析折线图
类型 参数值
步长 15
训练集和测试集比例 7∶3
训练轮数 100
训练批次个数 100
特征信息维度 1~6
隐藏层 3×LSTM+2×dropout
Tab.4  LSTM模型参数设置
Fig.10  IPTA-InSAR结果及地下水监测站点位置
因子 RMSE MAE MAPE R2 r
D1_i 0.026 8 0.022 1 3.233 6 0.960 8 0.992 0
D2_i 0.016 6 0.013 6 1.684 4 0.966 7 0.993 4
D3_i 0.022 6 0.020 4 2.607 7 0.942 5 0.992 8
D4_i 0.027 3 0.024 4 3.027 6 0.887 4 0.979 9
D5_i 0.020 9 0.019 4 2.179 5 0.940 4 0.995 8
D6_i 0.015 1 0.013 2 2.081 2 0.973 9 0.993 0
Tab.5  单因子预测结果
因子 RMSE MAE MAPE R2 r
D1_i_q_1_2 0.017 0 0.012 8 1.839 8 0.984 3 0.994 3
D2_i_q 0.012 4 0.009 7 1.221 0 0.981 4 0.995 7
D3_i_q 0.012 8 0.009 7 1.275 9 0.981 7 0.993 9
D4_i_f 0.016 5 0.012 6 1.602 2 0.959 1 0.986 6
D5_i_q_f 0.009 3 0.007 0 0.830 3 0.988 2 0.995 2
D6_i_f 0.010 2 0.007 6 1.180 0 0.988 0 0.994 4
Tab.6  多因子预测结果
Fig.11  单因子特征和多因子特征形变预测结果图
[1] Dai K, Shi X, Gou J, et al. Diagnosing subsidence geohazard at Beijing capital international airport,from high-resolution SAR interferometry[J]. Sustainability, 2020, 12(6):2269.
[2] Lu Z, Yang H, Zeng W, et al. Geological hazard identification and susceptibility assessment based on MT-InSAR[J]. Remote Sensing, 2023, 15(22):5316.
[3] 田芳, 罗勇, 周毅, 等. 北京地面沉降与地下水开采时空演变对比[J]. 南水北调与水利科技, 2017, 15(2):163-169.
Tian F, Luo Y, Zhou Y, et al. Contrastive analysis of spatial-temporal evolution between land subsidence and groundwater exploitation in Beijing[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science and Technology, 2017, 15(2):163-169.
[4] Zhang Z, Hu C, Wu Z, et al. Monitoring and analysis of ground subsidence in Shanghai based on PS-InSAR and SBAS-InSAR technologies[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1):8031.
doi: 10.1038/s41598-023-35152-1 pmid: 37198287
[5] Shi J, Wang Z, Zhang Z, et al. Assessment of deep groundwater over-exploitation in the North China plain[J]. Geoscience Frontiers, 2011, 2(4):593-598.
[6] Chen B, Gong H, Chen Y, et al. Land subsidence and its relation with groundwater aquifers in Beijing Plain of China[J]. Science of the Total Environment, 2020, 735:139111.
[7] Li Z H, Yu C, Xiao R Y, et al.. Entering a new era of InSAR:Advanced techniques and emerging applications[J]. Journal of Geodesy and Geoinformation Science, 2022, 5(1):1-4.
[8] Zhang L, Dai K, Deng J, et al. Identifying potential landslides by stacking-InSAR in southwestern China and its performance comparison with SBAS-InSAR[J]. Remote Sensing, 2021, 13(18):3662.
[9] Zhang Y, Zhang J, Wu H, et al. Monitoring of urban subsidence with SAR interferometric point target analysis:A case study in Suzhou,China[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2011, 13(5):812-818.
[10] Lattari F, Rucci A, Matteucci M. A deep learning approach for change points detection in InSAR time series[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2022, 60:1-16.
[11] Koutník J, Greff K, Gomez F, et al. A Clockwork RNN[J]. Computer Science, 2014,1863-1871
[12] 刘明坤, 贾三满, 褚宏亮. 北京市地面沉降监测系统及技术方法[J]. 地质与资源, 2012, 21(2):244-249.
Liu M K, Jia S M, Chu H L. The monitoring system and technologies of land subsidence in Beijing[J]. Geology and Resources, 2012, 21(2):244-249.
[13] Hu B, Wang H S, Sun Y L, et al. Long-term land subsidence monitoring of Beijing (China) using the small baseline subset (SBAS) technique[J]. Remote Sensing, 2014, 6(5):3648-3661.
[14] 雷坤超. 南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征[J]. 地质学报, 2024, 98(2):591-610.
Lei K C. Characteristics of groundwater and land subsidence evolution before and after the South-to-North Water Diversion Project in Beijing,China[J]. Acta Geologica Sinica, 2024, 98(2):591-610.
[1] 周玉静, 金晓媚, 马靖宣, 李晴. 青海东达布逊湖湖泊面积和水量的变化研究[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(5): 15-23.
[2] 李志, 张书毕, 李鸣庚, 陈强, 卞和方, 李世金, 高延东, 张艳锁, 张帝. 面向复杂矿区的Stacking技术辅助DS-InSAR地表形变监测方法[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(4): 12-20.
[3] 马卯楠, 常亮, 于国强, 周建伟, 韩海辉, 张群慧, 陈霄燕, 杜超. 1980—2020年格尔木河流域土地利用时空变化及驱动因子分析[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(4): 184-193.
[4] 靳婷婷, 喜文飞, 钱堂慧, 郭峻杞, 洪文玉, 丁子天, 桂富羽. 基于SBAS-InSAR技术的中老铁路沿线地表形变空间分布研究——以景洪段为例[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(4): 232-240.
[5] 陈兰兰, 范永超, 肖海平, 万俊辉, 陈磊. 结合时序InSAR与IRIME-LSTM模型的大范围矿区地表沉降预测[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(3): 245-252.
[6] 陆建涛, 郑江华, 彭建, 肖向华, 李刚勇, 刘亮, 王仁军, 张建立. 新疆生态脆弱性时空演变特征及其对干旱的响应[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(3): 253-264.
[7] 俞文轩, 李益敏, 计培琨, 冯显杰, 向倩英. 基于升降轨SAR数据的兰坪县黄登水电站上游时间序列地表形变研究[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(4): 282-294.
[8] 王昊, 刘采, 陈理, 杨金中, 温静, 孙娅琴, 安娜, 周英杰, 邵治涛. 西藏自治区建材类非金属矿山与社会经济的相关性分析[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 233-239.
[9] 李威洋, 史海静, 聂玮廷, 杨鑫源. 基于地表参数变化的延河流域地表温度时空演变分析[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(2): 229-238.
[10] 于冰, 王冰, 刘国祥, 张过, 胡云亮, 胡金龙. 融合DT和SDFPT的时序InSAR矿区形变监测与分析[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 14-25.
[11] 金鑫田, 王世杰, 张兰军, 高星月. 基于InSAR技术门源地震地表形变监测与分析[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 26-34.
[12] 赵霞, 马新岩, 余虔, 王招冰. 高分辨率InSAR技术在北京大兴国际机场形变监测中的应用[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 49-57.
[13] 王宁, 姜德才, 郑向向, 钟昶. 基于多源异构数据斜坡地质灾害隐患易发性评价——以深圳市龙岗区为例[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 122-129.
[14] 刘辉, 徐心月, 陈蜜, 陈富龙, 丁瑞力, 刘菲. 秦皇岛段明长城时序InSAR遥感动态监测[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 202-211.
[15] 庞鑫, 刘珺. 气候变化对亚洲地区植被NDVI变化的影响[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 295-305.
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