MCJ-UNet:一种双/多通道联合InSAR相位解缠网络

干涉合成孔径雷达(InSAR)可实现地表高程的高效获取,在地形测绘中应用广泛。双/多通道InSAR技术可借助不同通道(基线、频点)的高程模糊度差异,解决相位欠采样问题,完成高程陡变区域的干涉相位解缠,实现InSAR技术在测绘困难区域的有效应用。该文即面向高效高精度相位解缠需求,利用深度学习这一有力工具,结合不同通道的相位特征及相互约束关系,提出了一种双/多通道联合干涉相位解缠网络:Multi-Channel-Joint-UNet(MCJ-UNet)。该网络的构建以双通道(双频、双基线)InSAR为基本观测构型,并可实现向多通道构型的扩展,其构建的核心思路主要包括3点:首先,将干涉相位解缠中的模糊数估计问题转化为语义分割问题,并采用UNet网络完成分割处理;其次,引入挤压激励模块(SE)动态调整信息权重,以增强网络不同通道对其所需信息的感知能力;最后,利用多通道联合约束下的相位残差优化损失函数,实现网络调谐。此外,为避免语义分割结果的边缘细节误差对解缠效果的影响,该文还提出了一种基于多通道联合约束的解缠误差自修正方法,以保证解缠质量。模拟地形仿真数据、真实地形仿真数据以及TerraSAR-X实测数据验证了所提方法的有效性。

采空区地表InSAR形变监测与安全稳定性评价

为探明河南省平顶山市某变电站拟建场地的安全稳定性,避免采空区地表沉降或倾斜给变电站造成安全隐患,采用永久散射体(PS)合成孔径雷达干涉测量(InSAR)研究平顶山市2015—2022年间的45景Sentinel-1A数据,精细化分析拟建场地的9个代表位置的时序形变特征,进而建立基于InSAR监测的采空区地表场地安全稳定性评价机制,完成对场地的安全稳定性评价。研究结果表明:基于模糊数据集的模糊PS选点法可克服PS点密度低的弊端,有效增加分析可用数据,提升监测结果的准确性;依据基准点校正拟建区内代表点的时序形变后发现,拟建场地整体形变较小且逐渐呈现趋于稳定的趋势,最大沉降量为13.05 mm,最大沉降速度为5.73 mm/a,最大倾斜为0.070 mm/m。基于安全稳定性评价机制分析可知:采空区地表场地移动变形处于稳定状态,变电站地基基础处于安全状态,采空区地表沉降对拟建变电站的影响程度小,综合3种评价指标进行分析,采空区地表场地安全稳定性等级为高,具备建设变电站的可行性。

基于InSAR技术分析2023年积石山地震同震形变及断层滑动分布

2023年12月18日甘肃省临夏州积石山县发生了自该区域地震观测以来的首次大地震,研究本次地震的地表形变和地震机制,可以为了解该区域的断层活动特征提供有价值的参考。本文采用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术,利用Sentinel-1A降轨影像,在SAR影像几何畸变评估和干涉图大气延迟校正的基础上,提取了地震LOS向同震形变场,并利用Okada弹性半空间位错模型反演了发震断层几何参数及其滑动分布。研究结果显示,所用Sentinel-1A降轨影像在研究区域受几何畸变影响面积占3.6%,适用于该区域形变场提取;地震引发的地表形变近似呈椭圆形隆升,最大雷达视线LOS方向形变量为8.5 cm;本次地震的发震断层在走向、倾角等几何参数上与拉脊山南缘断裂带较吻合,因此倾向于认为发震断层与拉脊山南缘断裂带存在一定的关联性。

星载InSAR基线构型测量误差模型与灵敏度分析

为避免双天线InSAR系统基线测量动态监测过程中引入误差,影响基线测量精度,对基线长度与角度测量过程中的可能误差进行定性与定量分析。采用坐标变换法建立系统误差数学模型,明确测量系统的误差来源。提出误差灵敏度概念,对误差项进行定量计算,并对每一自由度的误差源进行灵敏度分析,进一步形成综合误差定量合成结果。根据误差灵敏度系数给出一组精度反演误差分配案例。最后,依据蒙特卡洛法在MATLAB平台闭环验证精度量化分配方法的可行性与稳定性。仿真分析结果表明,激光视觉三轴位置的测量精度要求为300μm(3σ),三轴角度的测量精度要求为50″(3σ),即可满足基线长度精度1 mm(1.6σ),基线角度精度2″(1.6σ)。通过本方法可由测量环境条件输入直接获得基线测量的精度,根据灵敏度系数对误差分配进行反演可以得到系统最优布局,其结果可为测量系统的方案设计与精度分解提供有效指导。

观测信息不足条件下TanDEM-X InSAR的大范围林下地形反演

TerraSAR/TanDEM-X InSAR双站卫星系统是目前最主要的全球测图卫星系统之一,但该系统主要获取单基线、单极化InSAR数据。受观测信息不足的限制,无法直接分离植被体散射与地表散射信息,难以获取高精度的森林高度和林下地形。鉴于此,本文提出了联合单/双基线的大范围林下地形反演方法,其核心思想为:在InSAR干涉对重叠区,每个干涉对有不同的基线,两个干涉对重叠相当于双基线观测,可以采用RVoG模型估计森林高度。然后,利用简化的RVoG模型(C-SINC模型),以重叠区反演的树高结果为已知值,通过假定不同树高的散射过程具有相似性,对C-SINC模型进行求解进而获取林下地形。最后,以西班牙Teruel试验区对本文方法进行验证,与LiDAR DEM进行精度对比,InSAR DEM的RMSE为7.43 m,本文方法获取的林下地形RMSE为5.98 m,精度提高了20%。本文方法为利用TanDEM-X实现大范围林下地形测绘提供了参考。

SBAS-InSAR技术在地质灾害调查中的应用

在地质灾害调查中及时识别和排查潜在的隐患灾害点对地质灾害的预防和监测工作至关重要。然而传统的地质灾害排查方法时间和人力成本较高,难以实现对广泛区域的全面排查。本文通过对青海省大通回族土族自治县城关镇区域内的地质灾害情况进行详细的调查,获取了区内的地质灾害分布特征。并进一步采用了哨兵1号(Sentinel-1)雷达数据,利用差分干涉测量短基线集时序分析(SBAS-InSAR)技术进行数据处理,成功揭示了该区域的地表形变情况。通过综合分析,能够准确地识别出重点监测区域的变化信息,从而提高了地质灾害及时预防和应对的效率。

一种适用于低频InSAR的改进空变维纳预滤波算法

为了提高低频干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)干涉相位图质量,本文提出一种改进的空变维纳预滤波算法。该算法首先改进了空变维纳预滤波算法的滤波器结构,通过改变了参数估计方法,减少了计算量,提高了计算效率;其次,引入了迭代处理,从而有效提升了预滤波处理效果;最后,联合公共带预滤波处理方法,去除多余噪声,进一步提升干涉相位图质量。仿真数据和实测数据处理结果表明:经过本文所提算法处理后,在未缩减频谱范围的前提下,可使相干系数和干涉相位图质量得到提升,从而验证了所提算法的有效性和实用性。

星载InSAR方位向逐行的顺轨有效基线计算方法

本文开展了星载干涉合成孔径雷达(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)顺轨有效基线计算方法的改进研究。首先利用多项式拟合卫星轨道方程,使用相干系数法计算待配准图像对的像元偏移量,通过建立顺轨有效基线与方位向行号的函数关系式获得逐行有效基线,解决了在整幅图像使用固定有效基线带来的误差问题。通过TanDEM-X/TerraSAR-X实测干涉数据对本文的改进方法进行了应用和检验,同时针对所使用干涉图像对的特殊线性关系建立了快捷实用的线性方程。通过在整幅图像上精细化使用顺轨有效基线会对诸如海流反演方面有效提高反演精度。

面向时序InSAR的卫星任务规划框架设计

随着国内自主雷达卫星和差分干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR)及衍生的时序InSAR技术的发展,以时间序列上重复观测为主的长周期形变监测的应用与日俱增。对遥感卫星地面任务规划系统来说,规划和管理大量有时序关联的重复任务,从而最大限度地满足观测要求,是提升以形变监测为使命的雷达卫星运控效率的关键。在综合考虑雷达差分干涉任务序列性、一致性、周期性特征的基础上,设计了一种面向雷达卫星时序InSAR类型任务的规划框架,旨在规划序列任务时,考虑序列整体特性,进行序列任务组间的冲突检测。基于此方法,对现有的地面任务规划系统进行了优化升级,验证了框架的有效性。结果证明:该方法可快速、自动进行序列任务冲突消解,可为长周期序列任务的规划和管理提供设计参考。

基于地形辅助的无人机载InSAR图像分区配准方法

小型化、轻量化的无人机(UAV)为合成孔径雷达(SAR)提供了更加灵活、机动的观测平台,无人机载干涉SAR(InSAR)逐步应用于干涉测量领域。无人机小而轻,易受气流扰动的影响,采用多航过模式进行干涉测量时,飞行航迹非线性且不平行。非线性、不平行的飞行轨迹导致两幅图像之间存在几何畸变。在复杂地形条件下,无人机载InSAR的干涉图像对之间的偏移量大且具有明显的空变特性,给图像配准带来了很大的技术挑战,常规的基于多项式拟合的配准方法不再适用。该文提出了一种利用地形辅助分区的图像配准方法。首先基于航迹信息生成高程门限,利用外部地形对测量区域进行图像分区处理,然后对区域内的偏移量构建多项式变换模型,对各区域边界处的偏移量施加约束,并进行联合求解,最后获得连续的全局偏移量拟合面,通过对辅图像进行重采样实现精配准。基于P波段无人机载InSAR获取的实测数据,初步验证了该方法的有效性。

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。

基于SBAS-InSAR技术的淮北市地表沉降监测分析

长期高强度的煤炭开采和地下水抽采,导致淮北市地表发生大面积沉降,破坏了耕地以及生态环境,因此对地表沉降监测显得尤为重要。本文通过短基线集合成孔径雷达干涉测量(SBAS-InSAR)方法获取了2020年1月5日到2020年12月30日的淮北市地表年形变速率,并且使用水准数据对监测结果进行了精度验证。结果表明:淮北市沉降存在不均匀现象,年形变速率为-55~42 mm,淮北市地表沉降由地下煤炭资源开采和地下水抽采引起,主要地表沉降由采煤引起。研究结果可为地质灾害预防提供数据参考。

基于PS-InSAR的道路穿越区长城形变分析

随着交通网络不断扩展,现代道路穿越古老的长城,这种变化引发了长城的形变效应,成为引起广泛关注的议题。为了更深入地了解道路穿越长城对其形变的影响,研究采用了永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术,对长城周边区域进行了详细的形变分析。研究发现,道路穿越长城的行为明显影响了长城的形变情况,尤其是在特定区域出现了明显的地面沉降现象。这种形变表现为在道路穿越区域内的长城被拉伸和压缩,导致最大累积沉降量高达75.2 mm。在这些受影响的区域中,长城的沉降速率甚至达到了每年24.6 mm。通过对长城振动变形信息的综合分析和呈现,研究揭示了道路穿越长城对其造成的明显形变效应。这一研究成果不仅对长城的保护和管理具有重要的实际应用价值,还为类似地区的形变研究提供了参考和借鉴。

基于时序InSAR技术的西山黄土滑坡形变特征分析

黄土滑坡具有范围广、易受降雨影响、危害性强等特点,黄土滑坡监测具有重要意义。传统地表形变监测技术耗时费力,难以满足大范围监测需求。本研究以青海省同仁市西山黄土滑坡为研究对象,选取2017年3月20日-2021年12月24日哨兵1A (Sentinel-1A)卫星48景升轨数据为研究数据,利用短基线集合成孔径雷达干涉测量技术(Small Baseline Subsets Interferometric Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)对研究区进行配准、差分干涉、滤波、相位解缠、重去平、形变建模与解算等处理,获取了该区域的时序形变特征。结果表明,西山黄土滑坡群共有2处明显的形变区。第一处形变区位于研究区东北部,其雷达视线向年平均形变速率介于-34.27~2.73mm/a;第二处形变区位于研究区中部,其雷达视线向年平均形变速率介于-30.27~4.20 mm/a。本文结合同仁市该时段的月降雨总量进行分析,结果表明降雨对滑坡形变速率具有正反馈作用。结果分析和野外调查表明,SBASInSAR技术在滑坡形变监测方面具有有效性,为该区域滑坡灾害防治提供了有效的技术支持。

基于PS-InSAR的广西北部湾沿岸形变探测及成因分析

受强降雨等极端天气影响,广西地区沉降地质灾害频发。为保障区域可持续发展,利用36景Sentient-1A卫星影像,探究广西北部湾沿岸地区土地形变情况并分析其成因。首先基于PS-InSAR技术和SBAS-InSAR技术,获取2018年1月~2020年12月广西北部湾地区地表沉降信息。结果表明:两种方法具有高度一致性,研究区域最大累计沉降量达-78.1 mm,最大平均形变速率为-22.664 mm/a。其次结合降雨量数据与人类活动强度,分析地表形变成因,结果进一步表明:广西北部湾地区累计沉降量与人类活动强度呈现正相关;每年7、8月雨季时,地表形变速率提高,雨季结束后,部分地面出现抬升。人类活动与降雨是导致广西北部湾地区大面积不规则沉降的重要原因。

基于多目标蚁狮优化算法的月球InSAR卫星编队构型设计

本文研究了月球干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)卫星编队构型设计问题。首先,建立了基于相对偏心率/相对倾角(eccentricity/inclination,E/I)矢量的月球InSAR卫星相对动力学模型。然后,研究了月球轨道摄动环境下的编队飞行长期稳定飞行条件。进一步,以相对测高精度和模糊高度为优化指标,同时考虑星间安全性,给出了月球InSAR卫星编队构型优化的目标函数。针对现有的研究方法难以解决构型设计的多目标问题,应用改进多目标蚁狮优化算法实现了月球InSAR卫星编队构型设计。仿真结果表明,其在基线使用率方面更优,从而验证了所提算法的适应性和有效性。

基于时序InSAR技术的滨海新区地面沉降监测

针对传统地面沉降测量方法在大范围测区内费时长、时效性差等缺点,本文利用2017—2021年覆盖天津市滨海新区Sentinel-1A影像数据,采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)和短基线集合成孔径雷达干涉测量(SBAS-InSAR)技术获取地面沉降数据,通过地表形变信息的时空分析确定各类因素对地面沉降的影响并交叉验证结果的可靠性。分析结果表明,天津市滨海新区的地面沉降受到降水、第四系地层厚度、地下水等因素影响。其中,天津市滨海新区在2017—2021年存在地面沉降现象,最大沉降速率为-130 mm/a,最大抬升速率为40 mm/a,最大累计沉降量为-411 mm。重点沉降区域主要分布在东北部的杨家泊镇与寨上街道交界地区以及西南部的中塘镇和北大港水库附近。

基于SBAS-InSAR和BPNN的铀尾矿坝形变智能监测与预测

为提高铀尾矿库退役治理的监测工作效率,提出一个基于小基线合成孔径雷达干涉测量(SBAS-InSAR)技术和反向传播神经网络(BPNN)的铀尾矿库形变智能监测与预测模型。首先,利用SBAS-InSAR技术得到铀尾矿库2020年12月—2022年12月的累计形变量与年均形变速率,并用第一拦水坝的7个全球导航卫星系统(GNSS)监测站验证InSAR监测值的精度;然后,选取铀尾矿库中的雷公塘坝、南坡横坝、战斗坝和松林坝4个坝段的累计沉降量并结合降雨量进行沉降分析;最后,随机提取铀尾矿坝100个沉降点的累积沉降数据,通过BPNN预测铀尾矿坝的形变。结果表明:2年间铀尾矿库的形变速率在-60.06~34.94 mm/a,铀尾矿坝整体处于下沉状态,累计沉降量最大为-46.67 mm。BPNN预测值与实际监测值的平均绝对误差为0.586 mm,均方误差为0.624 mm。

基于变分贝叶斯学习时序InSAR数据的城市轨道沉降监测方法

为了合理监测城市轨道沉降,保障城市轨道行车安全,提出了基于变分贝叶斯学习时序InSAR数据的城市轨道沉降监测方法。以城市环境中的铁路线路轨道为例,使用永久散射体InSAR技术获取了一系列X段79景较短波长的SAR影像,时间跨度为2016年1月-2023年9月。通过变分贝叶斯学习,我们对SAR图像进行滤波、主辅影像选择与干涉处理,并获得了干涉相位图。然后,通过永久散射体挑选,获取了城市轨道目标点的形变数据。将所获得的形变信息进行地理编码后,将其放入适当的地理空间数据分析平台进行可视化和分析处理。通过转换为垂直方向的形变数据,可以反映研究区域城市轨道的沉降状况。测试结果表明,在研究区域内,能够获取约45280个目标点,包括轨道及其两侧各35 m范围内的数据。基于这些数据,我们可以进行城市轨道沉降观测工作,得到研究区域内城市轨道沉降速率分布,并展示观测期间城市轨道沉降的变化趋势。

SBAS-InSAR技术支持下的矿山地表形变监测研究

利用SBAS⁃InSAR技术对矿山地表形变进行全面监测。以河南永城矿区为研究对象,深入研究了该地区的地质情况及可能的地表变化类型,并设计了监测方案。介绍了如何获取和处理合成孔径雷达(SAR)数据,以及干涉图生成的关键步骤。通过分析时间序列形变图和形变结果,揭示了矿区地表形变的趋势。该研究有助于解决河南永城矿区地表形变的问题,为地表形变监测领域提供了一个重要范例,有望更好地理解煤矿地表的演化过程,为降低地质灾害风险及矿山的安全运营提供了关键支持。