基于云计算的引调水工程星载TD-InSAR地表形变监测

针对时间序列InSAR计算量大、时效性低、传统D-InSAR精度不高的问题,提出了TD-InSAR连续像对干涉测量方法,并利用HyP3云计算平台实现了长距离引调水工程沿线地表形变连续干涉像对快速分析。以珠江三角洲水资源配置工程为研究区,以传统PS-InSAR监测结果为参照数据对TD-InSAR地表形变探测精度进行了验证。试验结果表明:TD-InSAR取得的地表形变速率与PS-InSAR趋势一致,决定系数R 2>0.7,精度相比传统D-InSAR方法提高了52.6%;基于云计算的TD-InSAR地表形变监测方法降低了时序分析的计算量,提高了时序分析的时效性,适用于大范围的地表形变快速普查分析。

基于PS-InSAR技术的晋城矿区地表形变监测及地质灾害风险预警

地表形变是一种严重的地质灾害现象,不仅严重影响灾害区居民的日常生活,而且会造成巨大的社会经济危害,尤其在采煤区。针对传统地表沉陷监测方法费时费力、无法获取地表沉降面状信息、难以进行地表沉陷灾害评估的不足,基于高分辨率SAR卫星影像,利用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术对山西省晋城市晋城矿区2018年1月至2018年12月期间地表沉陷进行监测,分析获取了该地区地表连续形变情况,并利用该技术获取的海量PS点建立支持向量机(SVM)地质灾害风险评估预警模型,对晋城矿区周边居民点地质灾害风险进行了识别和预测。结果表明:晋城矿区10个煤矿及其周边区域存在较大的地表形变;晋城矿区平均LOS向年平均地表形变速率范围为-37~30.3 mm/a;PS-InSAR技术在晋城矿区地表形变监测中具有可行性,且可以实现矿区地质灾害风险综合识别和预警。

露天矿无人机遥感边坡地表形变提取方法研究

针对当前露天矿边坡监测过程中存在的设备留有监测死角、点位布控缺乏依据、地质隐患解译困难、无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)影像点云重构复杂度高等问题,提出了一种基于无人机遥感的边坡地表形变提取方法。首先,通过分析UAV激光点云与影像特点构建点云序列;其次,利用融合尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)与圆柱形邻域搜索的改进迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)算法,实现点云序列的精准高效配准,提高边坡形变提取精度;最终,借助数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)叠加分析与可视化,精准定位边坡重点形变区域,直观提取边坡形变位置和大小,并结合正射影像图像特征进行形变区域分析与解译。以南芬露天矿为工程应用实例,研究表明:边坡形变模型标准偏差为0.032 m,对比全球定位系统-实时动态差分(Global Positioning System-Real Time Kinematic,GPS-RTK)实测形变值,形变中误差为0.012 m,能够快速实现大尺度复杂边坡地表扫描与形变提取,从而为地质灾害隐患分析、盲区边坡形变监测与地面监测设备科学布控提供技术支撑。

基于PS-InSAR技术的地表形变监测与驱动力分析

以昆明市官渡区为研究区,基于PS-InSAR技术,结合2019年1月—2021年12月覆盖官渡区的36幅Sentinel-1A升轨数据和36幅Sentinel-1A降轨数据,提取研究区内沿雷达视线向地表形变速率,并结合地理探测器对坡度、坡向、高程、降雨量、土地覆被类型、道路密度、距铁路的距离以及距地铁的距离进行单因子和多因子交互的驱动力分析。结果表明,升轨形变速率范围为-30.67~18.27 mm/a,降轨形变速率范围为-24.58~24.36 mm/a,共识别出4个沉降漏斗;通过升降轨数据的交叉验证,证明了利用PS-InSAR技术监测地表形变的可行性;距铁路的距离对官渡区地表形变空间分异的影响最强,同时多因子交互作用增强了地表形变的空间分异。

基于SBAS-InSAR技术的杨伙盘矿区地表形变监测

煤炭等矿产资源的开采引起了一系列的生态环境问题,其中,地面塌陷及其引起的链式灾害尤为严重。地表形变监测是修复生态环境问题的首要工作。InSAR技术作为一种面监测技术,因其独特的优势,已成功应用于煤矿地面塌陷监测。本文收集2020年8月至2022年10月时间段内共58景Sentinel-1A数据,利用时间序列干涉测量(SBAS-InSAR)技术,对杨伙盘矿区地表进行形变监测,同时利用无人机正射光学影像进行形变特征解译。相关资料和监测结果显示:在监测期内,煤矿开采3−1煤层,共监测到3个形变中心,分别位于301盘区和303盘区的工作面,可探测的最大形变值达−130 mm,最大年平均形变速率约为−52 mm/a。对每个形变中心进行时间序列形变规律分析,地表在工作面开采后进入加速变形期,随后减速逐渐趋于稳定状态。研究结果表明,InSAR监测形变区位置与煤矿开采工作面位置及地表裂缝等形变特征基本保持一致。时间序列InSAR技术可以有效应用于大范围矿区开采沉陷的识别与监测,为采空区灾害的预防及治理提供技术服务。

基于SABS-InSAR的保德矿区地表形变监测与分析

煤炭开采是保德县的主导产业,长期高强度的矿产资源开发导致矿区内地表发生了不同程度的形变,地质灾害频发,对进一步采矿作业造成了极大的安全隐患,破坏了当地的生态环境。为了进一步探究矿区地表变形的时空分布变化规律以及地表形变的驱动因素,利用SBAS-InSAR技术对覆盖研究区的32景Sentinel-1A影像数据进行处理,得到了保德矿区2020-06-24—2022-09-13期间的地表形变信息。在监测时间段内,研究区整体以沉降为主,形成多处由中心向四周发展的漏斗状下沉区域,主形变区内形变量与时间大致呈线性关系。依据计算得到的形变结果将保德矿区划分为6个重点研究区,以5号重点研究区中的泰安煤矿为例,通过分析其工作面的采掘工程,得出以下结论:①煤矿地表并未达到稳定状态。②发生地表形变的区域与工作面空间分布相吻合。③作为矿区形变的主要驱动因素,随着采矿工程的推进,主形变区域的范围和沉降速率将会进一步增大。研究区内的地质构造和地层岩性对研究区整体形变的趋势和范围起到一定的控制作用,断层两侧上盘、下盘的相对运动以及不同区域地表的可压缩层厚度差异均对地面的形变速率有一定的影响。通过叠加对比重点监测点累积形变量与区域降水量信息,得出研究区地表形变与降水也有一定的相关性,且降水对地下井工开采和露天开采的地表影响结果有所不同。

基于LSTM模型的时序InSAR地表形变预测

为了解长江沿江区域的地表形变状况及发展趋势,维护长江防洪安全和河势稳定,利用2017年3月至2022年3月期间覆盖长江南京段沿江区域的61景Sentinel-1A影像,基于SBAS-InSAR技术获取了地面沉降监测结果,并基于LSTM长短期记忆神经网络模型对特征点未来变化趋势进行了预测。结果表明:①与水准监测结果相比,长江南京段沿江区域SBAS-InSAR监测结果具有一定的准确性;研究区域地面年均形变速率在-31~19 mm/a,并形成4个沉降漏斗。②LSTM模型对研究区域的形变预测值与SBAS-InSAR监测的期望值具有较高的一致性,两者最大绝对误差为3.28 mm;采用该方法对研究区域特征点的沉降趋势进行预测发现,未来2 a特征点总体表现为缓慢下沉并趋于稳定的趋势。研究成果可为相关部门制定沿江地区保护及规划方案提供技术参考。

基于D-InSAR技术的杨伙盘矿区地表形变监测与分析

【目的】煤炭资源的开采引发一系列的生态环境问题,地面塌陷问题尤为严重,而地表形变监测是修复生态环境问题的首要工作。【方法】InSAR技术作为一种面监测技术,已成功应用到煤矿地面塌陷监测中,本研究利用雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术,计算2020年8月至2022年10月间共31景Sentinel-1A数据。【结果】在监测期内,开采工作面的地表共形成3个形变中心,分别位于301和303盘区的工作面,地表在煤矿开采后进入快速形变期,之后开始缓慢形变,直至趋于稳定状态。【结论】D-InSAR技术对于此类地面塌陷问题,相较于点监测技术,具有先天的优势,能够快速、准确地获取整个工作面的形变情况,对煤矿生态环境问题的改善起到了指导作用。

基于SBAS-InSAR技术的新疆某煤矿长时序地表形变监测与分析

新疆某煤矿长期开采导致矿区出现严重地表形变,严重威胁矿区的安全生产和区域可持续发展,有必要采用有效方法监测煤矿地表形变。为深入研究矿区地表形变规律,选取2017年1月23日至2022年12月23日共178景Sentinel-1A升轨雷达影像数据,利用SBAS-In SAR技术实测矿区2017—2022年地表形变信息,并引入GACOS数据去除大气误差影响,分析了矿区地表形变空间分布特征、时空演化规律及地表形变驱动因素。研究结果表明:(1)监测期间,研究矿区内地表形变以沉降为主,地表最大形变速率约为-113 mm/a,最大累计沉降量约为580 mm,主要地表沉降区域面积约为15.2 km^(2);(2)研究矿区地表沉降面积和累计沉降量不断增大,地表沉降符合煤矿开采沉降曲线,地表沉降将会进一步增加;(3)研究矿区地表形变主要由采矿工程所致,降水也是影响该矿区地表变形的重要因素。本研究为煤矿区地表形变监测、地质灾害预警与防控及矿区安全生产提供科学依据。

基于InSAR技术门源地震地表形变监测与分析

地震引发的地表形变规模大、范围广,由地震引发的次生地质灾害对当地基础设施和工程建设影响明显。研究门源地震造成的地表形变,对理解地震形变运动过程、识别地质灾害隐患具有重要意义。利用合成孔径雷达差分干涉测量(differential interferometric synthetic aperture Radar,D-InSAR)技术获取门源地震同震形变场,根据升降轨几何关系,提取门源地震地表二维形变信息;利用覆盖研究区域的21景升轨Sentinel-1A影像,基于短基线集合成孔径雷达干涉测量(small baseline subset-interferometric synthetic aperture Radar,SBAS-InSAR)技术提取门源地震震后地表形变信息,得到视线向(line of sight,LOS)的时间序列和平均形变速率。结果表明,同震形变主要分布在冷龙岭断裂与托莱山断裂的交汇处,LOS向地表形变升轨隆升形变量为0.40 m,沉降量为-0.65 m,降轨隆升形变量为0.80 m,沉降量为-0.70 m;联合升降轨视线向结果分析二维形变,得到垂直方向最大形变量为-0.32 m,以沉降为主,水平方向最大形变量为0.87 m,以向东运动为主,说明此次地震水平方向形变显著,断层运动状态为左旋走滑作用。2022年1月17日—9月26日期间,整体形变较为稳定,部分区域形变明显,断裂带活动是影响地表形变的主要因素,平均形变速率最大值为53 mm/a,最大形变量达到77 mm。研究结果可为地震灾害防治、应急管理工作和社会经济可持续发展提供技术支持。

基于改进SBAS-InSAR技术的西南山区铁路沿线地表形变监测方法研究

合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)是一种新兴的对地观测手段,因其不受昼夜、云雨限制,被广泛应用于地表形变监测等领域。然而,受大气误差与失相干影响,InSAR技术仍然存在一些局限,尤其在植被茂密的西南山区,以SBAS-InSAR为代表的时间序列InSAR方法存在观测点不足的问题,难以开展山区变形监测。针对以上问题,考虑西南山区气候特征,设计改进的SBAS-InSAR时间序列处理方法,对干涉相位进行优化。丽香铁路是我国云南省境内一条连接丽江市与迪庆藏族自治州香格里拉的电气化铁路,是西部铁路网中滇藏铁路的重要组成部分。为保障丽香铁路安全稳定,同时验证上述方法的可用性,以丽香铁路段沿线的某段为研究区,利用星载SAR卫星存档影像数据对其周边地表开展历史形变探测,计算研究区近6.5年(2015年05月16日至2021年12月10日)的历史形变时间序列,并分析其影响范围、形变因素、变化规律等信息。最后将提出的改进后的SBAS-InSAR方法与常规InSAR方法比较,充分证明了所提出方法的优越性。

联合InSAR与数值模拟的采空区地表形变过程与机制研究

为消除矿体持续开采引发的地面沉陷灾害给矿区和社会造成的安全隐患,开展采空区地表形变的有效监测和形变机制研究极为重要。以金沙矿业灯杆树矿段为研究背景,采用时序合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术对矿区地表开展变形监测,并结合现场实际建立三维模型,通过FLAC3D模拟地下开挖过程获取采空区围岩的位移、应力和塑性区的分布规律,综合探究地下开采作用下上覆岩层和地表的形变过程和机制。研究结果表明:研究区处于不均匀形变状态,形变明显的区域主要分布在沿公路边坡所处的区域,其累积形变量在-80~20 mm范围内浮动。在采动影响下采空区围岩以剪切破坏为主,塑性区范围随开采深度增加逐渐扩张。随着采掘深度的推进,采空区顶板在自身重力和采动应力作用下,集中应力的大小、影响范围增大,对地表的扰动影响随之叠加。3次开采结束,采空区围岩移动范围逐步增大并贯通至地表引起地表形变。数值模拟与InSAR监测结果所显示的地表沉降变形结果相吻合,使模拟过程的合理性与可靠性得到证实。研究表明联合InSAR监测与数值模拟可直观反映出采空区地表形变的形成过程与机制。该方法可为类似的地下矿山采空区地表形变灾害的监测及潜在灾害预防提供参考。

矿区地表形变时空演化分析方法研究

用传统监测方法获取的离散点数据只能描述特定时间的空间形变状态,无法反映矿区地表形变整体时空演化。本文介绍了一种矿区地表形变时空模型的构建方法,通过对空间多项式引入时间项变为时空多项式,并基于移动最小二乘法顾及局部特征,提出时空多项式和移动最小二乘法结合完成模型拟合。实验分析表明,选取合适时空项阶次的模型具有良好的拟合精度,实现了对矿区地表形变的时空趋势拟合,能够直观地反映矿区地表形变的整体时空演化趋势和规律。

基于升降轨InSAR技术的地表形变应用研究

本文基于SBAS-InSAR技术,采用Sentinel-1A卫星在2017年1月至12月获取的10景升轨数据和2景降轨数据,通过一系列的数据处理与分析,获得了升降轨视线向形变场和升降轨时间序列视线向积累形变量。通过与研究区内的GNSS测量数据对比,验证了升降轨InSAR技术应用在地表形变监测中的精度,并揭示了地表形变变化规律,为进一步研究升降轨InSAR技术积累了经验。

基于SBAS-InSAR的中老铁路玉溪化念段地表形变监测研究

地面沉降是一种缓变型地质灾害,具有发展缓慢、影响范围广泛和防治难度大等特点,对城市建设、社会发展和居民日常生活构成潜在威胁。中老铁路玉溪化念段途经大营街街道、高仓街道、研和镇、化念镇几个主要乡镇,监测区域内地面沉降现象,对其安全运营具有重要影响。本研究基于多主影像的小基线集技术(SBAS-InSAR),选取时间跨度为2020年9月~2023年9月共32景Sentinel-1A的升轨SLC数据,采用VV的极化方式对中老铁路玉溪化念段沿线经过地区进行地表形变监测。研究结果表明:① 研究区地表整体沉降速率明显大于抬升速率,沉降分布状况集中于研究区东北部,中心最大年均沉降速率达−71.65 mm/a。② 玉溪站到研和站的线路段为严重沉降区,其最严重的年平均沉降速率可达−65.41 mm/a。③ 玉溪站和研和站呈现出显著的地表沉降趋势,而峨山站则展示了地表抬升的特性,突显了地质活动、水文条件和人类工程活动在地表形变中的综合作用。

基于时序InSAR的盐渍土区域地表形变过程建模与动态演化机理分析

时序InSAR(interferometric synthetic aperture radar)作为一种新兴的对地空间观测技术,可实现对广域地表的高时空分辨率、高精度形变提取,已成功应用于城市地表、滑坡灾害、永久性冻土、高山冰川等多种复杂环境下的时序形变监测。随着大量SAR卫星的发射升空及SAR影像数据的不断积累。

基于InSAR的青藏工程走廊多年冻土区地表形变监测及稳定性评价研究

以青藏工程走廊多年冻土区地表形变为研究对象,以长时间序列地表形变数据的获取、时空变化分析、影响因素分析和形变数据利用为主线,首先通过广域InSAR技术获取了覆盖研究区范围内的长时序升、降轨SAR卫星一维视线向的形变结果,以影像获取日期为约束条件解算出二维(东西向和垂直向)形变信息。然后以垂直向形变结果为依据,利用GIS空间分析方法分析了研究区地表形变的时空特征,应用地理探测器方法实现对形变驱动因子的分析。最后以垂直形变数据为依据,利用正态分布统计、Sen趋势分析、M-K显著性检测和Hurst指数计算实现对研究区及交通工程的稳定性评价和高危区域识别及预警工作。论文取得了以下主要研究成果。

南水北调地下水回补对潮白河冲洪积扇中上部地表形变响应及控制因素

2014年南水进京后,持续开展地下水回补对于遏制和减缓地面沉降发展起到重要作用,但地下水回升由此带来的不同区域、不同层位的地面沉降与回弹机制及其控制因素尚不明确。深入探讨和研究回补时间、回补量、回补地点与水位及地表形变之间的关系,了解地表形变发生机理和识别主控因素,为后续如何科学回补,发挥最大化水资源回补效益、对地面沉降防治和超采区治理具有极其重要意义。笔者以潮白河冲洪积扇中上部区域为例,采用永久散射体差分干涉测量(PS-InSAR)技术获取研究区地面沉降形变信息,并结合区域分层地下水位动态变化、分层沉降变化等多手段进行耦合,查明研究区地表形变与多因素之间的响应与控制因素。结果表明:南水持续回补导致区域地面沉降减缓,并在牛栏山地区出现地表抬升,抬升范围也随着水位上升逐渐向中下游扩展,2022年最大回弹速率达46.9 mm/a;地表形变具有明显的受断裂所控制的第四系沉积差异特性,以黄庄—高丽营断裂、顺义断裂和南口—孙河断裂所分割的后沙峪凹陷范围内变化明显大于其他地区;地下水位变幅与富水性差异决定水位上升范围与响应变化,而沉积构造作用所造成第四系沉积差异在地下水流向上具有一定控制作用。结果为地面沉降防控和机理研究提供理论和科学依据,同时也为后续开展地下水科学回补和方案优化提供指导和借鉴。

基于时序InSAR技术的工业园区地表形变监测

工业园区作为城市经济发展的核心区,对园区进行地表形变监测尤为重要。目前,对工业园区形变机制的研究较少,且传统的监测手段成本高、效率低。因此,本文提出利用时序合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术构建园区的综合监测模型,在提升监测效率的同时节约了成本。以白银区银西工业园为例,基于2018年6月—2021年4月34景Sentinel-1A数据,利用StaMPS-PS与SBAS-InSAR技术获取了园区地表形变信息,并对两种技术获取的形变信息从时空分布的角度进行交叉验证。结果表明,两种技术获取的形变特征点均对应于实地勘察照片中形变位置,再利用585个相同经纬度点进行精度验证,发现两者相关性较好,决定系数R^(2)达0.82,均方根误差RMSE为2.20 mm/a,形变速率范围也高度一致。由于StaMPS-PS技术识别出的形变点数量比SBAS-InSAR技术多47%,因此StaMPS-PS技术在园区的适用性更好。最后分析并讨论了园区地表形变的地质条件及诱因,为更好了解园区形变机制及预警灾害发生提供了参考依据。

废弃采空区封存CO_(2)地表形变特征模拟研究

为探究超临界CO_(2)注入废弃采空区引起的地表形变特征,利用FLAC3D模拟研究了地表形变一般特征与演变过程,并从形变范围、形变量等5个方面探讨了孔隙率、CO_(2)注入速率和封存深度对地表形变特征的影响。结果表明:CO_(2)注入废弃采空区后引起的地表形变呈“倒碗”形隆起形态,并经历孕育阶段、活跃阶段和稳定阶段的演变过程;随着地表点远离采空区,其在孕育阶段和稳定阶段的位移量占比逐渐增大;地表变形范围随着CO_(2)封存深度的增加明显减小,受孔隙率和CO_(2)注入速率变化影响较小;地表位移量随着孔隙率和CO_(2)封存深度的增大而逐渐减小,受CO_(2)注入速率变化影响较小;地表形变持续时间与孔隙率和CO_(2)注入速率正相关,与CO_(2)封存深度负相关;地表点在孕育阶段和稳定阶段的位移量占比与所需时步数与孔隙率和封存深度正相关,与CO_(2)注入速率负相关。