基于SAR偏移量追踪技术的露天矿大梯度形变监测

首先分析了不同参数对偏移追踪计算结果的影响,其次在SNAP8.0的偏移追踪工具中添加基于纹理特征的偏移量追踪法,两种偏移量追踪方法相结合对Sentinel-1升、降轨数据进行了处理,根据升、降轨观测几何解算出露天矿二维形变量。结果显示,在排土场、开采区和剥离区一共有6处大梯度形变区域,垂直向和东西向形变量范围为-42.41 m~40.71 m、-50.41 m~42.80 m,剥离区垂直向和东西向形变量达到最大,分别为-42.41 m、-50.41 m,识别的大梯度形变主要位于采掘和排土作业等频繁的区域,因此SAR偏移量追踪技术可对露天矿生产作业区的形变进行有效监测,以保障矿区安全生产和生活。

多源遥感影像融合处理提取格拉丹东雪山区域特征信息

2022年7月中国地质大学(武汉)冰川勘测组与登山组,在格拉丹东雪山开展了“第二次大学生长江源科考”工作。为详细分析该区域冰川时空特征信息,以此次科研数据为支撑,结合光学遥感影像解译、InSAR形变信息提取、激光雷达测高及高精度大地测量,进行了多源遥感影像融合处理研究。针对格拉丹东雪山及典型冰川,采用高分卫星GF1、GF6、GF7、ZY3与Landsat7遥感影像,利用空三加密、频域影像互相关匹配、波段比值法及目视解译,提取区域DOM、冰川面积及条数分布;利用Sentinel-1A、ICESat-2影像,以SAR影像空间域互相关偏移量追踪方法为支撑,分别提取冰川表面流速及高程变化;利用青海省域北斗CORS站点,采用Gamit/Globk双差无电离层组合模型、卫星星站差分(real-time extended,简称RTX)及RTK(real-time kinematic)方法,计算所有控制点三维空间坐标及高程异常值。结果表明:格拉丹东雪山共发育冰川512条,年均增长率为3.12%,面积1111.96 km^(2),年均退缩速率为0.63%;姜根(古)迪如冰川日均最大流速为0.25 cm/d,年均最大流速为91.25 cm/a,其南支最大退缩值、堆积值及年变化速率分别为-74.63 m、38.44 m、-5.29~3.09 m/a,北支最大退缩值、堆积值和年变化速率-39.17 m、35.74 m、-3.02~2.85 m/a;所有控制点中误差及区域似大地水准面精化模型精度均达到了mm级。研究成果可以为后续在该地区开展相关冰川研究工作提供数据支撑。

合成孔径雷达在矿区形变监测中的应用

随着社会经济的快速发展,对地下能源和矿产的开采需求将进一步扩大。矿区将延伸至城市、城镇、村庄、主要交通干线、水系等,这将不可避免地造成地表变形。大多数变化发生缓慢,即以厘米为单位测量的地表沉降的小幅度变化。这将对土地资源、矿区环境造成极大的破坏,也不利于社会和谐发展的目标。为了矿区的安全生产和可持续发展,需要建立更加精细的矿区地表变形监测体系。本文从矿山地表形变监测的必要性出发,首先介绍了SAR传感的发展历程,并总结了现有SAR卫星及其相关参数,为矿山地表形变监测SAR数据选取提供必要依据。其次分别介绍了DInSAR、PS-InSAR和SBAS-InSAR技术监测矿山形变的基本原理,深入分析了其不同的技术特性。最后介绍了SAR偏移量追踪在发生较大形变的矿山监测中的技术原理。提供了几种不同类型的SAR矿山形变监测技术,对矿山安全生产与合理开采具有重要意义。

矿区地表大量级沉陷形变短基线集InSAR监测分析

针对矿区地表大量级形变导致的InSAR影像配准精度低、可监测性差、探测量级小、地表沉陷前后完整形变信息难以获取等问题,研究了相应的偏移量追踪法、FFT过采样法、滤波技术与基线精化等数据处理方法,并利用短基线集(small baseline subset,SBAS)技术,使距离向配准精度、最大累积探测量级得到明显提高,矿区地表形变可监测性有了很大改善。研究结果表明,该方法不仅获得了2008—2011年间研究区开采进程中地表大量级沉陷的完整形变时间序列,而且其监测结果与外业实测数据以及采矿进程资料具有良好的一致性;通过对矿区地表形变剖线的统计分析,得到了开采工作面地表形变的时空演变规律。

基于InSAR技术的地表三维形变获取方法综述

对近年来提出的基于InSAR技术的地表三维形变获取方法进行了综述,并对该技术的发展进行了展望。对一些重要的知识背景和理论方法进行了简单介绍,并针对每种方法列举典型案例,对其适用条件进行了简单总结,为相关领域的研究者提供了最新研究进展和技术参考。

基于ALOS PALSAR数据的山地冰川流速估算方法比较——以喀喇昆仑地区斯克洋坎力冰川为例

冰川表面流速是进行冰川动力学和物质平衡研究的关键参数之一。合成孔径雷达(SAR)影像作为能大范围提取山地冰川表面流速的重要数据源,利用其进行冰川流速估算目前主要有差分In SAR(D-In SAR)法、多孔径InSAR(MAI)法和SAR偏移量追踪(offset tracking)法3种。其中,MAI法是为了克服D-In SAR对雷达方位向(along-track)形变不敏感而发展的一种新的In SAR技术。以喀喇昆仑山中部地区的斯克洋坎力冰川为例,选取了2008年2景间隔46 d的L波段ALOS PALSAR数据,利用上述3种方法分别进行冰川流速提取实验,讨论了3种方法在山地冰川表面流速监测中的适用性和局限性。结果表明,D-In SAR和MAI方法都能够精确提取距离向和方位向的冰川流速信息,但对相干性均要求较高;在低相干区域,SAR偏移量追踪方法也能够获取更为可靠的方位向和距离向二维冰川流速的速度场,但该方法在冰川表面特征不明显的地区受到一定限制。

尼泊尔Mw7.8地震对珠峰区域内冰川形变及流速的影响

本文以L波段的ALOS PALSAR-2数据为基础,采用长时间序列InSAR技术对2014年9月至2019年8月的青藏高原区域进行动态监测,结合偏移量追踪法获取部分冰川在尼泊尔地震前后分别在距离向、方位向和水平方向的冰川流速分布结果。结果表明:在监测时段内,研究区普遍存在沉降现象,仅在个别年份出现小幅度的抬升,研究区最大年平均形变速率可达-203.1 mm/a,认为此次地震对研究区的时序观测结果的波动有特殊影响;在研究时期内部分冰川流速在地震后的相当长的一段时间内大幅度增加,最大速度可达2.645 m/d,认为地震是导致冰川流速急剧增加的原因之一。

基于MT-InSAR技术的滑坡体形变监测

矿区开采致使山体发生形变,由微小形变逐渐演变为大梯度形变,变形量值逐渐增加,导致传统的差分干涉技术无法监测到大梯度形变,针对此问题本文利用多时相合成孔径雷达干涉测量(Multi-temporal Interferometric Synthetic Aperture Radar,MT-InSAR)技术对大梯度形变研究区进行滑坡体形变监测。本文详细阐述了合成孔径差分雷达技术、小基线集以及像素偏移量追踪技术的原理以及适用范围,并使用2017年4月至2019年1月的10景ALOS PALSAR-2数据采用三种方法应用在贵州省兴仁县发耳镇发耳村某矿区的滑坡监测中,充分验证了三种方法相结合的方式可有效监测到由山体蠕动而导致的山体滑坡。

联合SAR影像相位和强度信息的矿区形变监测关键技术研究

SAR技术已在矿区形变监测方面得到了广泛的应用。InSAR技术在矿区小变形监测方面具有较高的精度,但无法获取矿区大量级形变。子带干涉技术能降低解缠难度进而提高测量精度。偏移量追踪方法可用于提取矿区大形变,但其监测精度相对较低。如何融合各方法的优势,获取矿区高精度大梯度形变信息是目前面临的科学问题。为此,论文重点研究了子带干涉技术在矿区形变监测中的适宜性、偏移量追踪方法在矿区形变监测中互相关窗口的选取方法及InSAR技术、子带干涉技术、偏移量追踪方法和概率积分模型融合的方法,通过与实测对比证明了方法的可靠性。主要工作及成果如下。

“10·11”川藏交界滑坡灾害的滑坡特征与运动监测

2018年10月11日7时10分,西藏自治区江达县波罗乡境内发生大规模的高位山体滑坡,堵塞金沙江并形成了堰塞湖,对周边以及金沙江下游人民群众的生命和财产造成威胁。本文基于遥感手段监测滑坡区域灾前的运动情况,根据滑坡运动规律监测滑坡运动的“激增点”。以Sentinel-1数据为数据源,采用偏移量追踪算法技术(Offset Tracking Technology)对灾区2015年至2018年滑坡区的运动进行监测,并采用Landsat8光学遥感数据结合归一化互相关算法(Normalized cross correlation,NCC)进行运动趋势可靠性验证。监测结果发现,滑坡区2018年4月末5月初开始运动激增。

联合SAR影像相位和幅度信息的多形变量级滑坡监测——以金沙江白格滑坡为例

近年来,雷达遥感被广泛用于提取滑坡表面的高精度形变信息,所用技术包括基于相位的干涉测量和基于幅度的像素偏移量追踪;然而,大型复杂滑坡的形变量在时间演化以及空间分布上都存在较大差异,单一雷达遥感手段难以实现滑坡形变的全面监测。该文在雷达遥感形变探测能力分析的基础上,提出联合SAR(synthetic aperture Radar)影像的相位和幅度信息进行滑坡的全过程监测。以2018年发生的金沙江白格滑坡为例,基于2014—2021年Sentinel-1数据和2014—2018年ALOS-2数据,联合时序InSAR(interferometric SAR)分析和时序像素偏移量追踪(pixel offset tracking,POT),获取滑坡灾前灾后时序形变。结果显示白格滑坡灾前后缘的年平均速率在20 mm/a,主滑坡区2014年12月—2018年7月形变量可达45 m左右;灾后滑坡逐渐向后缘扩张,年平均形变速率可达200 mm/a,已经威胁到部分民房。2种方法的联合可以实现大型复杂滑坡的时空维多形变量级提取。

2022年泸定Mw6.7地震诱发地质灾害研究

2022年9月5日四川甘孜州泸定县发生6.7级地震,地震诱发了大量同震地质灾害,对震区人民生命财产造成了巨大损失。本文综合利用升降轨Sentinel-1A卫星雷达影像数据,基于像素偏移量追踪技术对地震诱发地质灾害进行了识别,并讨论分析了滑坡分布与断层活动间的关系。像素偏移量追踪结果显示:在此次震前震后雷达影像的像素偏移追踪处理中,共识别同震诱发的中大型地质灾害240处,识别灾害集中分布在断层显著破裂区段,并在断层近场上盘更为密集,而断层下盘大渡河沿岸主要密集分布滑坡灾害。

雷达遥感滑坡隐患识别与形变监测

滑坡是全球发生最为频繁、造成损失最严重的自然灾害之一,滑坡表面形变测量对于滑坡的早期识别、监测和预警具有重要意义。雷达遥感具有非接触式大范围空间连续覆盖和高精度形变测量等优势,在滑坡地质灾害领域中取得了广泛的应用。本文概述武汉大学干涉雷达遥感团队近几年在利用雷达遥感监测滑坡形变方面的研究内容,包括:雷达遥感在滑坡形变监测中的可行性和适用性分析、大范围滑坡隐患识别、复杂山区滑坡形变测量、大梯度滑坡形变测量、滑坡三维形变提取等。

联合DInSAR与Offset-tracking技术监测高强度采区开采沉陷的方法

高强度煤炭开采产生巨大的地表形变,形变相位梯度过大导致干涉测量解缠错误,单一采用常规DInSAR及其衍生技术都无法获得地表沉陷主值。本文提出一种新的解决方案,即联合利用DInSAR与偏移量追踪技术(Offset-tracking)各自的技术优势,实现开采区大变形的准确提取,并基于GAUSS函数模型拟合恢复沉陷区剖面形态。基于2012年2月13日和2012年11月27日两景高分辨率SAR数据(RADARSAT-2,5 m精细波束模式(MF5))为数据源,以神东矿区布尔台矿、寸草塔一矿、二矿为研究区,采用常规DInSAR技术获得亚厘米级沉陷区边界,边界沉陷值处于-0.01^-0.02 m;利用偏移量追踪方法获取米级地表沉陷中心主值,中心沉陷值集中在-1.0^-4.0 m。将2种方法监测到沉陷信息分段融合,最后采用GAUSS函数模型重构矿区开采沉陷下沉特征曲线。结果表明,偏移量追踪方法可弥补DInSAR技术监测大量级形变信息的不足,联合技术可完整获取高强度采区的大形变沉陷。

利用新型C波段雷达卫星研究南伊内里切克冰川运动特征

利用新型C波段Sentinel-1卫星获取的2015年2月至2017年2月期间的影像数据,研究分析了天山中部南伊内里切克冰川不同时段的运动特征。利用偏移量追踪技术计算不同时间段冰川位移,首先采用三步配准的方法进行主辅影像高精度整体配准,然后基于归一化互相关(normalized cross correlation,NCC)算法通过调整窗口参数精确估算局部偏移量,进一步分离得到冰川移动信息。监测结果表明:(1)在空间分布上,狭长的冰舌区是冰川主要的高速流动区域,冰舌区底部流速小于上部,两侧流速小于中间,末端流速明显减缓。(2)在季节变化上,冰川运动速率与温度变化趋势一致,在5月至8月期间运动速率最快,沿剖面线的最高速率达49 cm/d;在11月至次年2月期间运动最为缓慢,速率为25～30 cm/d左右。(3)在年度变化上,2015年夏季的运动速率比2016年整体高约1～3 cm/d,其他季节则没有明显差异。与高分辨率L波段PALSAR-2影像的监测结果进行定量对比分析时,将冰舌区的像元进行抽稀后统计,得到两种数据获取的运动速率之差的均值为3.48 cm/d,标准差为±3.78 cm/d,证实了南伊内里切克冰川运动监测结果的可靠性。

岗纳楼冰川表面流速时空变化特征提取及分析

冰川表面流速是反映冰川动态变化的重要指标,能够为冰川物质平衡提供重要信息。利用2016年的13景Sentinel-1A影像和合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)偏移量追踪法测定岗纳楼冰川表面流速场,并根据地表温度是否大于0℃将其分为冰封期(10月-次年3月)和消融期(4月-9月)。其中,冰封期流速场较为稳定,中轴流速快于两侧,边界流速趋于0 m/a;消融期流速场冰舌中下部与冰舌上部差异明显,冰川表面流速具有分区特征。基于SAR观测数据,在冰川积累增厚、消融减薄及冰川表面流动的综合影响下,冰封期冰川表面流速最大为65.43 m/a;消融期冰川表面流速最大为46.28 m/a。通过分析冰川中线流速、冰面高程以及地表温度之间的关系可知,冰封期内,岩床坡度是影响冰川流速的主要原因,且岗纳楼冰川为"压缩-舒张"流运动模式;消融期内,地表温度升高、冰面海拔变化是冰川表面流速出现分区现象的主要原因。

藏东南然乌湖流域雅弄冰川流速季节性变化

冰川流速是表征冰川运动的重要参数之一,对于冰川动力学、气候变化以及物质平衡等研究具有重要意义。冰川流速的影响因素多样,其中气象因子主要是通过改变冰川物质平衡、活动性以及水力特征来对冰川运动产生影响,所以冰川流速也可能与气象因子一样具有季节性差异。基于2017-11-06—2020-11-02期间31景哨兵1号(Sentinel-1)雷达影像,采用外部数字高程模型(digital elevation model,DEM)辅助的偏移量追踪法对中国西藏自治区昌都市八宿县境内然乌湖流域的雅弄冰川进行了冰川表面流速提取,并结合研究区冰舌面积变化以及气象因子(平均气温、降水量、降雪日数以及平均日照数)对雅弄冰川流速季节性变化进行了分析。结果表明:雅弄冰川流速分布呈现中上部流速高而下部流速低的特点,且冰川中部主流线流速明显高于两侧速度。30组冰川流速变化具有明显的季节性,夏季流速高而冬春季流速低。与流速变化相同,冰舌面积变化同样具有季节性差异,冬季面积明显大于夏季面积。与气象影响因子对比分析发现,气温、降水以及日照均对冰川表面流速具有正效应,促进冰川运动,而降雪抑制了部分热量及辐射传递,进而抑制了冰川融水过程,减缓了冰川运动。在气象因子影响力上,气温对冰川运动的效应最明显,降雨次之,日照影响最小。

阿尼玛卿冰川表面流速与地质灾害隐患点监测

为了更好地开展冰川变化与地质灾害隐患的监测研究,该文基于Sentinel-1A数据,使用合成孔径雷达影像偏移量追踪技术和GACOS辅助下的小基线集-InSAR方法,对阿尼玛卿冰川表面流速及周边区域地质灾害隐患点进行了监测分析。结果表明:2015—2021年阿尼玛卿冰川表面流速先增加后减缓,在2018年达到了最大(6 m/a);冰川流速暖季(5—9月)大于冷季(10月—次年4月);地质灾害隐患点多集中于冰川两侧,其形变速率与冰川运动速率一致性较好,推测与冰川融水对岩土体稳定性的影响有关。该文的研究结果可为冰川融化引起的地质灾害的防灾减灾工作提供重要参考。