结合Prophet-CNN模型的多轨时序InSAR矿区三维形变监测预警

绝大多数矿区由于矿床的地质条件及特殊的采矿方式,推进开采容易引发矿区地质应力失衡,造成不同程度的变形破坏。为探究采矿活动下大红山矿区地表稳定性,本文通过对覆盖大红山矿区2021—2023年的三轨SAR影像进行联合解算矿区三维形变场,分析矿区形变特征;在此基础上,运用Prophet-CNN模型对形变时序进行训练,构建形变预测模型对矿区的三维形变趋势并进行预测;结果表明,矿区在开采活动的影响下地表持续发生形变,形变主要分布于硝水箐—南部废石场、露天采区及铜矿采区,最大垂直形变速率为-51.22 mm/a;采用Prophet-CNN组合模型对矿区地表三维形变进行时序预测,3个方向预测结果的RMSE与MAE分别在2.90和1.85 mm以下,充分证明了本文方法能够运用于矿区沉降趋势预测,为防灾减灾工作提供技术依据。

基于SBAS-InSAR升降轨融合的尾矿库地表形变监测

由于不同轨道的SAR数据成像几何不同,难以评定仅用单组SAR数据解得结果的准确性,为提高尾矿库地表形变监测结果的精度,以四川省攀枝花市米易县牛望田尾矿库为研究对象,基于2个轨道(65景升轨、56景降轨)的Sentinel-1A卫星影像,利用差分干涉测量短基线集时序分析技术(SBAS-InSAR)分别对升轨、降轨数据进行处理,然后融合升轨和降轨的数据处理结果,获得升轨、降轨和升降轨融合共3组形变数据,利用GNSS卫星监测结果对3组数据进行验证,结果表明:升降轨融合结果比单轨监测结果精度更高;2019年11月至2021年12月,尾矿库坝体发生了微小形变,坝体累计形变量为-22.77~10.48 mm,形成了一个面积约为111361 m^(2)的沉降区域和一个面积约为38906 m^(2)的抬升区域。后续研究可以通过引入外部数据或采用三轨InSAR数据,分别对尾矿库垂直、东西、南北3个维度的形变进行三维解算,以使监测结果更加准确。

基于升降轨InSAR技术的砀山县地面沉降监测与分析

针对皖北平原区地面沉降监测网络尚不完善的现状,本文以砀山县为研究区,采用升降轨异源时序合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术监测,获取该区域2017年5月—2020年12月间的地面沉降信息,并对其时空发育特征及研究区内铁路工程的基础结构稳定性进行了详细分析。结果表明,研究区监测时段内存在严重的沉降漏斗,中心处沉降速率超过60 mm/a,且主要集中在城区;此外,受地面沉降影响,陇海铁路和徐兰高铁部分路段出现不同程度的形变病害,最大沉降速率值分别超过25 mm/a和12 mm/a,需引起关注。为了验证所获取沉降信息的可靠性,对升降轨异源监测成果进行了相关性分析,通过对比发现二者的相关系数达到0.95,具有较高的一致性。

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InSAR的乌东德水电站库区边坡形变监测及分析

水电站建成投产后,水库水位变化频繁,改变了库岸边坡原有的稳定性,易诱发边坡失稳破坏,从而对水电站的安全运行及周边居民区产生一定安全隐患。为了更好地掌握乌东德水电站蓄水过程中库区边坡的形变情况,通过SBAS-InSAR技术对该区域2020年5月至2022年8月间的升降轨哨兵数据进行解算,获取了研究区的地表形变特征;结合库水位变化情况、SAR数据反演出的边坡土壤含水量后向散射系数,对识别出的5处不稳定区域的形变机理进行分析。结果表明:运用升降轨InSAR可准确识别出库岸边坡的形变情况,研究区最大年平均沉降速率为-92 mm/a;库岸边坡的形变趋势与库水位及土壤含水量后向散射系数变化有着明显的相关性,水库蓄水是致使边坡体加速沉降的主要因素。

升降轨Sentinel-1数据在滑坡形变识别中的适用性研究

针对采用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术开展滑坡灾害大区域调查和普查时,Sentinel-1雷达数据源升降轨模式难以恰当选用,或应用场景不适宜,从而否定InSAR技术在滑坡形变识别及监测的优势等问题,本文采用时序InSAR技术,结合升降轨的Sentinel-1雷达数据源,开展不同坡向滑坡形变的识别,研究Sentinel-1雷达数据源升降轨道模式在不同坡向滑坡灾害形变识别与监测中的适用性情况,分析Sentinel-1雷达数据源不同轨道模式对不同坡向滑坡识别与监测的优势。研究结果表明,Sentinel-1雷达数据源对大型及以上的滑坡灾害进行InSAR滑坡表面形变识别及监测结果较佳;Sentinel-1降轨数据源更适用于识别和监测西坡向、南坡向的滑坡,Sentinel-1升轨数据源更适用于识别和监测东坡向的滑坡;采用Sentinel-1升降轨数据联合的方式,更有利于东、西、南坡向滑坡识别和监测,可以更全面识别潜在滑坡灾害。

基于观测时间配准的升降轨InSAR数据二维形变场解算

传统差分干涉技术只能获取雷达视线方向的一维形变场,极大地限制该技术的应用。联合升降轨InSAR数据,可以解算出地表二维形变场。然而,受卫星轨道参数的限制,即使是不同的卫星,也很难做到对同一目标的同步观测,造成升降轨观测时间的不一致,进而降低二维形变解算精度。针对上述问题,文中提出一种升降轨观测时间配准方法,即以其中一轨SAR时序数据的采集时刻为参考,采用数据插值技术,对另一轨SAR时序数据获取的时间累积形变量进行内插,得到对应参考时刻点的形变量。最后,联合解算时间配准后的两个一维形变量,获取研究区域的二维形变场。为验证所提方法的有效性,文中以苏锡常地区为例,开展二维形变场的解算实验。研究结果表明,所提方法可以更加准确地反演地表二维形变场。

升降轨Sentinel-1A时序InSAR的中川国际机场地表形变监测与分析

可靠地监测基础设施的形变对于评估其结构健康至关重要。本文以中川国际机场为研究区,基于46景升轨和45景降轨Sentinel-1A雷达影像,使用SBASInSAR和PSInSAR技术获取了中川国际机场2017年3月27日至2020年3月23日、2017年3月20日至2020年3月28日的地表形变速率以及时序位移量,并采用内、外部检验的方式对4种监测结果进行了评定。同时结合相干性系数均值、直方图统计、形变速率方差及其标准差,选取最理想的形变结果从人为因素和自然因素分析了中川国际机场地表形变的成因。结果表明:4种形变结果总体较为一致,不同轨道模式数据采用同种时序InSAR技术所得监测点的方差和标准差较为接近,同种轨道模式数据采用不同时序InSAR技术的形变结果略有差异,SBASInSAR相比PSInSAR的监测结果更为稳健。中川国际机场存有零散的沉降区,机场西南角的形变最显著,最大的垂直沉降速率达11 mm·a^(-1)。中川国际机场的地表形变与道路网、内部扩建等人为因素有关,地层界线与机场内部形变不直接相关,地表沉降区与岩性关联紧密。在进一步推进中川国际机场建设的同时,应避免过度人为活动带来的消极影响。研究结果以期为中川国际机场的土地利用规划以及灾害防治提供指导意见与相关信息。

基于升降轨D-InSAR获取台湾美浓M_W6.7地震同震形变场

D-InSAR技术能够在大范围内获取地表形变信息,但由于卫星侧视几何成像模式、研究区地形地貌等的影响,升降轨D-InSAR技术获取的地表形变存在差异。利用双轨D-InSAR技术对6景升降轨Sentinel-1A数据分别进行差分干涉处理,得到升降轨不同视线向上台湾美浓M_W 6.7地震区地表形变图,直观地再现了震区在2016年2月6日地震前后的地表变化。研究结果表明升轨D-InSAR监测到台湾地震造成的地表抬升最大达16 cm,降轨D-InSAR监测到地表下沉最大达-11 cm,联合升降轨数据,可获得较为真实的研究区地表形变。

基于升降轨ASAR的于田Ms 7.3级地震同震形变场信息提取与分析

升降轨干涉测量可以更好地反映地震同震形变场特征。利用欧空局ASAR数据通过二轨法差分干涉测量提取了新疆于田县Ms 7.3级地震升降轨同震形变场信息。结果显示:升轨同震形变场最大视线向(LOS)隆升形变量约+13.3 cm,沉降形变量约-83.9 cm;降轨同震形变场最大LOS向隆升形变量约+36.5 cm,沉降形变量约-66.5 cm。于田地震以NNE向正断层破裂为主,并伴随左旋走滑运动,西北盘为正断层破裂的上盘(沉降盘),东南盘为正断层破裂的下盘(隆升盘)。升降轨同震形变场存在一定差异,但其变化趋势与特征非常相似,其差异主要是由于两种不同观测模式所造成的。

基于ASAR升降轨数据解算于田Ms7．3地震3D同震形变场

对覆盖同一地区的ASAR升降轨数据进行二通法差分干涉处理，获取2008年3月21日于田地震在两种LOS方向下干涉纹图。通过对干涉纹图的判读，结合震源机制解、地质构造和余震分布，认为于田地震断层为略有走滑分量的NE向正断层。考虑到于田地震的走滑分量微小的特定形变特点，在形变场三维解算中加入沿断层方向形变值近似为0的约束条件，结合已有的升降轨LOS方向形变约束，可以满足求解三维形变场的条件。解算的三维形变场结果表明，在雷达相干区域内．下盘抬升最高值达到15cm，上盘沉降最大值达到22cm，水平拉张的最大形变值出现在下盘，形变量达115cm，这说明于田地震拉张特征明显。该结果为进一步认识于田地震的同震变形特征提供参考。

升降轨PSInSAR观测反演沉降与水平向位移试验

In SAR观测的解算值为雷达视线向形变量,在具备多个方向独立观测的条件下可利用最小二乘方法反演垂直、东西甚至南北方向的形变量。由于难以同时获取上下、东西和南北3个方向上的独立观测值,因而可利用升降轨模式实现对垂向和东西方向移动量的估计。以PSIn SAR监测所获取的形变速率为观测值,利用二维简化模型求解地面沉降量和东西方向移动量。结果表明,研究区形变以沉降为主,水平方向移动微小,证明了升降轨PSIn SAR在地面沉降中的适用性和可靠性。

西藏改则地震升降轨同震形变场特征分析与破裂模式

通过升降轨ASAR数据的获取与差分干涉处理,获取了西藏改则地震的双视线向同震形变场信息。对升降轨同震形变场的特征分析表明,改则地震主、余震均表现为典型的正断裂破裂模式,并先后形成了东、西两条规模不同的走向NE、倾向NW的正断层破裂带(可能未出露地表),以及西北盘的东、西两个沉降形变中心。从干涉条纹的切割关系判断,东沉降形变中心可能受2008年1月9日Ms 6.9级主震的控制,西沉降形变中心可能受2008年1月16日Ms 6.0级余震的控制。Ms 6.9级主震形成东南盘隆升与西北盘沉降的总体格局;Ms 6.0级余震使西北盘余震震中及以西部位进一步沉降,造成西沉降中心沉降形变量大于东沉降中心。升降轨同震形变场的获取为进一步的震源参数模拟与三维形变场解算提供了更好的约束条件与信息。

利用两轨法D-InSAR技术获取玛尼地震形变

采用欧洲太空局提供的ERS1/2 SAR影像数据,结合美国NASA提供的免费SRTM DEM,利用两轨法D-InSAR技术获取了1997年11月8日西藏玛尼地震的部分差分干涉图。结果表明,断裂为左旋扭动态势,由地震引起的雷达视线向的形变北盘约为0.7 m,南盘约为0.8 m,认为,利用D-InSAR技术提取地震形变具有一定的潜力和优势。

联合升降轨Sentinel-1A数据监测桃坪乡古滑坡沿坡向的形变速度场

单一平台或轨道的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术通常只能获取到滑坡体沿雷达卫星视线(LOS)方向的一维形变信息,无法直接获取到滑坡体沿坡向的形变信息,使得InSAR技术无法充分满足滑坡监测的工程需求。针对这一问题,本文提出联合升降轨Sentinel-1A数据提取滑坡沿坡向形变速度场的模型算法,其基本方法是:首先利用InSAR技术分别获取升轨和降轨沿LOS方向的形变速度场,然后根据坡向和坡度建立滑坡的滑动面坐标系,基于LOS方向与滑动面的几何关系对升降轨对应的LOS向形变速度值进行建模,在滑动面上不存在法线方向形变的合理假设下通过解算独立方程组获得滑坡体沿坡向的形变速度场和沿垂直坡向的形变速度场。本文选取四川省理县桃坪乡古滑坡作为研究对象,并通过模拟实验对模型的解算精度进行验证,结果表明:相比于LOS向形变速度场,重建的沿坡向和沿垂直坡向形变速度场更加清晰地揭露了滑坡体的主要位移模式和危险性较高的坡体区域。同时,模拟实验结果表明,模型算法的解算误差与噪声水平大致呈线性增加的关系,当噪声水平达到10 mm·a^(-1)时,沿坡向形变速度场的解算误差为14.1 mm·a^(-1),沿垂直坡向形变速度场的解算误差为11.9 mm·a^(-1),证明了模型算法以及结果的可靠性。

升降轨SAR数据融合的地震形变场观测

鉴于D-InSAR方法在雷达视线方向上存在模糊现象而无法得到地表三维方向形变量的问题,利用升降轨雷达视线方向形变量和限定方程联合求解地震三维形变量的方法。该方法首先对干涉纹图特征进行分析,然后基于发震断层走滑分量较小的特点,将断层走向形变值假定为零作为限定方程,从而实现三维形变场的解算。以拉奎拉Mw6.3地震为例,实验结果与野外调查结果相一致,验证了该方法的有效性。

联合升降轨Sentinel-1A的地表形变监测技术研究

河谷型、海岸带、海岛礁以及滩涂等区域地表形变信息的准确获取,迫切且关键。利用25景升轨和28景降轨Sentinel-1A数据,基于SBAS-InSAR技术,获取兰州城区2014年10月~2016年9月的地表沉降速率图和沿视线方向(line-of-sight,LOS)的时相位移量,探讨升降轨数据在河谷型城市地表形变监测中的适用性。结果表明:升降轨Sentinel-1A数据之间的时相位移量具有高度关联性,其中升轨数据在地形起伏较大区体现出良好的干涉性,而降轨数据在平坦区表现出较好的监测能力。兰州城区大部分区域处于稳定状态,但沙井驿、九州、小达坪、东岗、伏龙坪、西客站以及周边区域地表存在沉降趋势,最大沉降速率可达30 mm/年。联合升降轨Sentinel-1A数据监测河谷型、海岸带、海岛礁以及滩涂等区域地面沉降具有可行性和可靠性。

南水进京后利用升降轨InSAR解译北京地面沉降发展态势

地下水长期超量开采引发的地面沉降是北京市面临的一个重大问题。中国南水北调中线工程通水极大地缓解了北京市水资源短缺问题。针对南水北调中线工程对北京地面沉降的影响,利用升降轨时序合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)分析2015-12—2020-12期间南水北调中线工程通水后北京地面沉降发展态势。研究结果表明,北京市沉降分布不均匀,升轨形变速率及累积形变量最大值分别为-134 mm/a和-697 mm,降轨形变速率及累积形变量最大值分别为-135 mm/a和-734 mm。对比地下水位数据和抗差最小二乘拟合法融合的InSAR形变结果发现,北京地区的沉降速率随着地下水位的上升而逐渐减小,也即南水北调中线工程在一定程度上缓解了北京的地面沉降扩张趋势。

基于D-InSAR技术的意大利拉奎拉地震同震形变分析

基于DORIS软件和欧空局提供的ENVISAT数据,结合美国NASA的高精度SRTM数字高程模型DEM,以二轨差分方法获取了意大利拉奎拉地震同震形变场的差分干涉图。结果表明,该区域在往西南方向上的弧后扩张是此次地震发生的主要驱动力,地震造成了该地区在卫星雷达视线方向上隆起了25.2cm。

D-InSAR在地面形变监测中的应用研究

主要研究星载重复轨道干涉测量技术的原理、数据处理以及其在地表形变监测中的应用。采用ENVISAT ASAR影像作为实验数据,围绕D-InSAR数据处理过程中的关键技术这一主线,对其中的干涉复图像对的配准、干涉图的生成、去平地效应、差分、提取地表形变等内容进行了深入的探讨。