关键词:
地面沉降
时序InSAR
时空预测
卷积长短时记忆神经网络
摘要:
现有地面沉降时空预测方法存在时序特征捕捉能力差,未顾及空间邻域特征等问题,导致地面沉降时空预测的可靠性差。采用合成孔径雷达干涉测量技术(interferometric synthetic aperture radar,InSAR),提出了一种能够捕捉时序特征和空间邻域特征的卷积长短时记忆(convolutional long short-term memory,ConvLSTM)神经网络地面沉降时空预测方法。选取北京首都国际机场作为研究区,首先基于差分干涉测量短基线集InSAR(small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR),利用Sentinel-1A影像获取地面沉降时空InSAR数据,然后构建ConvLSTM的地面沉降时空预测模型,模拟预测该区域未来一年的地面沉降。利用永久散射体干涉测量技术、SBAS-InSAR结果和水准点数据,交叉验证了时序InSAR结果的可靠性;时序InSAR地面沉降数据采用滑动窗口进行数据分割,形成多对一数据集模式;结合小波变换和评价指标确定时空预测模型的最佳时间步长,建立时序InSAR地面沉降的ConvLSTM时空预测模型。实验结果显示,所提模型的预测结果和真实结果的拟合度R^(2)达到0.997,基于图像评价指标结构相似性(structural similarity,SSIM)和多尺度结构相似性(multi-scale structural similarity,MS-SSIM)进一步评价了模型的性能,SSIM和MS-SSIM分别达到了0.914、0.975。此外,与支持向量回归、多层感知器、卷积神经网络和长短时记忆神经网络模型进行了对比分析,各项指标均显示所提模型最优。所提模型预测到2022年11月北京首都国际机场最大累积沉降量达到157 mm,研究成果可为城市地面沉降早期预防提供关键技术支撑。