A technical review on persistent scatterer interferometry

This article focuses on reviewing the technologies of persistent scatterer interferometry （PSI）, which has been often used to monitor the deformation of Earth surface. Three critical steps in the implementation of PSI were introduced, i.e., （1） detection of persistent scatterer （PS）, （2） construction of PS network, and （3） PSI modeling and solution. Finally, the main problems and outlooks on the PSI technique are discussed and given.

金坛盐穴天然气储库区地表变形PSI监测

地面沉降监测对天然气地下储气库安全有效运行具有重要意义。由于盐穴空间分布和应力环境周期性改变的特点,盐穴储库区地面变形具有空间差异性和时间波动性。因而,利用监测时空密度较高的技术才能全面细致地反映盐穴储库区地面变形的时空特征。基于永久散射体雷达干涉测量(PSI)技术,利用PALSAR数据,对金坛盐穴天然气储库区在2007～2010年的地面变形进行监测。与地面GPS监测结果的对比表明,PSI监测在变形的总体趋势和非线性过程方面都具有较高精度,并且监测的空间范围更广、空间密度和时间密度更高。储库区地面变形显示明显的空间差异,沉降高值区与人类工程活动强烈的区域对应。同时,监测时间段内的储库区非线性变形过程可以被划分为3个沉降阶段和2个抬升阶段。但是因为相关资料的缺乏,这种沉降和抬升的交替现象是否与各时段的人类活动特征有关,还有待进一步研究。

基于PSInSAR的成都地区地表沉降空间分布研究

针对成都地区土地规划利用的需要,采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(Permanent Scatterer InSAR,PSInSAR)对成都地区地表沉降空间分布情况进行了实验研究。结果表明,在该研究时段内研究区域最大沉降量达到24 mm,最大抬升量达到18 mm。研究区西北至东南方向地表在研究时段内发生了抬升,东北至西南方向出现了地表沉降现象,并对可能造成地表沉降的主要原因进行了分析。

Monitoring of reclamation-induced ground subsidence in Macao (China) using PSInSAR technique

The long-term reclamation-induced ground subsidence in Macao, a coastal city of southern China was investigated. Persistent scatterer interferometry (PSI) technique was applied to retrieve the deformation rate in Macao during the period from April 2003 to August 2010 with a total of 41 scenes of descending ASAR data sets. The PSI-retrieved results show a relatively stable pattern in Macao Peninsula, Taipa Island and Coloane Island, with an average subsidence velocity of -3 mm/a. In contrast, relatively large subsidence rates are highlighted in Cotai area, a new reclamation land in 1990s, in which an average subsidence velocity is about -10 mm/a. A consistent relationship between the PSI results and the leveling measurements indicate that this PSI technique is an effective tool to monitor the reclamation-induced ground subsidence with a high accuracy and adequate spatial details. Accordingly, the valuable ground subsidence results generated by PSI can be used not only for early detection and remedial activities of potential settlement of building, but also for helping the local government to formulate regional sustainable development planning and decision-making in disaster prevention and mitigation.

Comparison of density and positioning accuracy of PS extracted from super-resolution PSI with those from traditional PSI

In the application of persistent scatterer interferometry(PSI),deformation information is extracted from persistent scatterer(PS)points.Thus,the density and position of PS points are critical for PSI.To increase the PS density,a time-series InSAR chain termed as"super-resolution persistent scatterer interferometry"(SR-PSI)is proposed.In this study,we investigate certain important properties of SR-PSI.First,we review the main workflow and dataflow of SR-PSI.It is shown that in the implementation of the Capon algorithm,the diagonal loading(DL)approach should be only used when the condition number of the covariance matrix is sufficiently high to reduce the discontinuities between the joint images.We then discuss the density and positioning accuracy of PS when compared with traditional PSI.The theory and experimental results indicate that SR-PSI can increase the PS density in urban areas.However,it is ineffective for the rural areas,which should be an important consideration for the engineering application of SR-PSI.Furthermore,we validate that the positioning accuracy of PS can be improved by SRPSI via simulations.

PSI技术在贵阳市地面沉降监测中的应用

本文选用2018年12月至2019年12月共计32景Sentinel-1升轨影像数据,基于PSI技术对贵阳市进行了形变信息提取。结果显示,监测区内共发现较大形变区24处,其中沉降区21处,抬升区3处。通过统计学方法,证明了地铁沿线并无明显形变,对形变区进行分析发现,24处形变区均与城市化建设有关,与地铁施工运行并无关系。最后,本文从形变区中挑选了3处作为实例进行分析,并对其原因进行分析。本文研究成果为有关部门开展地表形变普查、沉降监测工作等提供了参考,也为城市安全监测工作提供了依据。

基于Sentinel-1A SAR数据的呼和浩特城区地表形变分析

为了实现对呼和浩特市城区形变监测,采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术,对2017年3月—2021年4月期间25景呼和浩特市城区Sentinel-1A数据进行时序干涉处理,提取了城区地表沉降信息,并分析了主要沉降中心沉降原因。结果表明:呼和浩特市城区地表存在5个明显的沉降中心,整体地表平均年沉降速率3.65 mm/a,平均累计沉降量为15.50 mm,其沉降主要原因是由于地下水过度开采。Sentinel-1A数据具有时间基线短、影像数量足、数据免费等优点,利于InSAR时序分析,可满足同类城区地表形变监测工作,服务城市安全。

钙质岛礁沉降变形过程分析

随着海上丝绸之路战略的推进,中国在多个钙质岛礁上开展了工程建设。沉降变形是岛礁建设所面临的主要问题之一。由于钙质砂工程性质的特殊性,钙质岛礁的沉降变形过程和机理具有一定的独特性。然而,由于岛礁位置通常远离内陆,使用常规监测方法不易于开展岛礁沉降研究,有关钙质岛礁沉降变形的研究仍较少。本研究选取我国典型钙质岛礁,利用永久散射体干涉测量技术(Permanent Scatterer Interferometry,PSI),准确反演了其沉降变形过程,并进行数值模拟分析。初步结果表明:钙质岛礁的沉降变形存在明显的时空分异特征,总体上,岛礁边缘沉降速率略大于其内部沉降速率,工程扰动区大于非扰动区;与其他吹填材料的区域相比,钙质岛礁沉降速率偏小,总体上稳定。但是沉降过程在时间上表现出明显的非线性波动特征,受工程建设和海洋水动力影响明显。考虑到钙质砂特殊的结构特征和复杂的颗粒破碎机理,钙质岛礁未来的沉降变形仍然存在一定的不确定性,需要进一步的过程监测和机理分析,以期为我国岛礁的安全建设提供科学支撑。

时序差分雷达干涉中永久散射体的自动探测

为了有效探测时序差分雷达干涉中的永久散射体,考虑永久散射体对雷达波的强反射特性和散射的稳定性,提出了探测永久散射体的振幅信息双阈值法.该方法根据振幅阈值选取具有强反射特性的点作为永久散射体候选点,然后根据振幅离差阈值,选取散射特性稳定的候选点作为永久散射体.利用上海地区的26幅ERS-1/2 C波段SAR(合成孔径雷达)图像进行了实验,证明该方法是有效和可靠的.

PS-DInSAR公共主影像的优化选取

在充分顾及DInSAR时空基线跨度及多普勒质心频率差异3个因素对干涉相关性影响的基础上,提出一种PS-DInSAR公共主影像的优化选取算法,采用综合相关测度作为总体干涉相关性的衡量指标,给出具体的综合相关函数模型及其求解方法。借助欧洲空间局(ESA)ERS-1/2卫星从1992-2002年间飞越上海地区所获取的25幅C波段SAR影像作为源数据,开展了PS-DInSAR公共主影像的优化选取实验。计算结果与分析表明,综合相关系数模型用于PS公共主影像的优化选取是有效的和可靠的。

PS-InSAR技术与多光谱遥感建筑指数的载荷密度对地面沉降影响的研究

城市快速发展带来的载荷增加在一定程度上加剧着局部的地面沉降。选取覆盖北京平原区的TM多光谱遥感影像,反演基于指数的建筑用地指数,表征建筑用地(载荷)时空密度差异信息;进而基于永久散射体干涉测量监测技术和遥感建筑指数,结合GIS空间分析方法,从像元角度,分析典型区域载荷变化与地面沉降的相关性。结果表明:(1)载荷的密度与沉降的不均匀性存在正相关关系,尤其在高沉降速率地区体现的较为明显;(2)由于地质结构、土体结构的复杂性、滞后性等特点,使得在相对较短周期研究内,载荷的增加对地面沉降的影响并不十分凸显;(3)高密度建筑群使得局部地面荷载增加,各单体建筑的附加沉降互相叠加,对区域性地面沉降的贡献是不容忽视的问题。

北京典型地下水漏斗区载荷密度与地面沉降相关性

地面沉降是由于地表高程降低所诱发的区域环境地质灾害.城市快速发展带来的载荷的增加影响地面沉降的发展.选取覆盖北京平原区的TM遥感影像,以北京典型地下水漏斗区为研究区,在NDBI、MNDWI、SAVI指数基础上,计算遥感建筑用地指数(IBI),获取建筑用地(载荷)时空密度差异信息;结合永久散射体干涉测量(Persistent Scatterers for SAR Interferometry,PS-InSAR)监测结果,基于GIS空间分析技术和统计分析方法,从3种不同的空间采样角度,分析载荷密度差异与地面沉降的相关性.结论显示,(1)地面沉降的不均匀性与载荷密度的正相关性表现为:沉降速率值越大,Spearman秩相关系数越大;(2)动静载荷的共同作用相对于单纯的静载荷对地面沉降的影响更明显;(3)在较短时间周期内,相对于地下水开采,载荷对地面沉降的影响较小,但仍旧是不容忽视的问题,需要长期系统性的研究.

永久散射体干涉测量中最佳主图像选取

以系统热噪声、时空基线、季节性变化和多普勒质心频率作为影响因子,建立主图像选取函数,根据生成相干系数矩阵预测最佳主图像,并利用拉斯维加斯地区的数据实际处理结果对该方法的预测结果进行验证。结果表明该方法能够准确地预测PSInSAR数据处理中不相干图像个数以及图像之间的相干系数,为最佳主图像的选取提供可靠的参考依据。

融合GPS数据的PSDInSAR公用主影像的优化选取

分析了永久散射体合成孔径雷达差分干涉测量(PS-DInSAR)引起相干性损失的主要影响因子,提出一种顾及大气延迟变化差异的PS-DInSAR公用主影像的优化选取方法,给出了具体的函数模型、建模思想及求解方法.借助天津地区欧空局ENVISAT(environmental satellite)卫星ASAR(advanced synthetic aperture radar)影像和连续运行GPS(global positioning system)永久监测站数据为源数据,采用Bernese 5.0和Matlab7.1及Shell自编程序等开展了融合GPS数据的公用主影像的优化选取实验.实验结果表明,融合GPS数据的模型相关系数法能准确快速地从多幅SAR影像中选出最优公用主影像,为PS-DInSAR的高精度形变监测奠定了基础.

PS-DInSAR技术在山区重复采动地表沉陷监测中的应用(英文)

基于高分辨率TerraS AR-X数据,利用DInS AR和PSI技术监测山区重复采动引起的地表沉陷。在DInS AR数据处理过程中,分别利用SRTM、基于矿区大比例尺航测地形图生成的relief-DEM对外部DEM的影响进行分析评价。结果表明,由于研究区的地形复杂,SRTM无法充分补偿地形相位。随后,利用在矿区范围内布设的角反射器对基于不同外部DEM的地理编码进行检验,结果显示,基于relief-DEM的地理编码精度明显较优,其在X、Y方向的地理编码中误差分别为6.35 m和11.65 m。对于PSI技术,为了降低形变梯度过大对相位解缠的影响,基于时序DInS AR的处理结果,对识别出来的PS点进行掩模,使得只有位于沉陷边缘和稳定区域的PS点用于PSI分析处理。结果表明,PSI技术可以进一步优化时序DIn SAR获取的地表形变边界信息。

城市建筑物沉降永久散射体干涉雷达监测

地面沉降对城市建筑物构成巨大威胁,对城市建筑物进行沉降监测具有重要意义.采用德国合成孔径雷达(TerraSAR-X)1,m空间分辨率的雷达影像,使用永久散射体干涉测量(PSI)技术,以天津塘沽渤海石油新村和东沽石油新村为研究区,研究不同类型建筑物(建造时间、层高及地理位置等)的沉降特征.研究结果表明,不同类型建筑物在沉降率和沉降时间过程上具有较强的时空分异性.研究结果可以为天津塘沽滨海新区建筑物沉降风险控制提供科学参考.

PS-DInSAR时序差分干涉图公共主影像选取方法

针对基于相干系数的PS-DInSAR时序差分干涉图主影像优化选取方法存在的干涉对垂直空间基线、时间基线和多普勒质心频率差3个因素中有任意一个因素大于临界值时,其他2个因素的影响将被忽略的问题,提出了基于正则化距离的主影像优化选取方法.实验结果表明,当干涉图序列的时空基线或多普勒质心频率差总体较大时,所提方法较基于相干系数的方法更加有效和可靠.

永久散射体差分干涉测量技术中SAR影像精配准的一种新方法

提出并实现一种基于加权最小二乘的低相干SAR影像对精配准新方法。该方法借助一幅与主、辅影像相干性都较高的第3幅影像来完成低相干SAR影像对的初步配准,利用加权最小二乘法求出二者间的坐标映射函数,从而实现低相干SAR影像对的高精度亚像素级配准。采用ERS-1/2实际数据的配准试验,验证该方法可以提高低相干SAR影像对的干涉图质量,提高二者之间的相干性和控制点的配准精度,改善低相干SAR影像对的配准效果,在一定程度上解决PS InSAR技术中低相干SAR影像对的配准问题。

短时空基线PS-DInSAR提取地表形变时间序列

为减小合成孔径雷达差分干涉技术中时空失相关对区域地表形变探测的影响，采用同时限制时间和空间基线的方式自由组合干涉对，基于永久散射体构建差分网络模型以提取区域形变，并利用奇异值分解方法恢复其时间序列．为验证算法的有效性，以美国Phoenix市为试验区域，采用39幅ERS-1／2卫星C波段SAR图像（时间跨度为1992～2000年）进行地表沉降探测．结果表明，该算法能有效提取区域地表沉降的时间序列．

PSDInSAR的永久散射体时序选择方法

已有永久散射体(PS)识别技术均侧重于利用时序数据集的统计特性,而没有考虑到数据集的时序特性,这样的处理方式势必带来时序信息的浪费,造成部分PS点的漏选。该文重点关注一种永久散射体具有较好的相位稳定度但却在整个监测时间内不连续,称这种PS点为类永久散射体点。文中对类永久散射体的概念及特征进行了详细描述,利用仿真实验分析了类永久散射体应用的可行性,根据类永久散射体特性对其进行了有效选择,形成一种新的永久散射体选择方法——时序选择法。同时对时序选择法以天津地区Envisat ASAR影像数据进行实验验证。通过类永久散射体的选择,PS点数量提高了、不均匀分布特性得到改善,同时保证了其较高的相干性。