广域InSAR时序分析技术对华北平原地表形变的监测

基于2015—2019共4年的合成孔径雷达(SAR)卫星影像,提出一种广域合成孔径雷达干涉测量(In-SAR)时序分析技术,对华北平原的地表形变进行高精度连续监测。首先对SAR影像进行干涉处理,得到干涉图。在此基础上,使用经过并行化改进的永久散射体技术斯坦福改进(StaMPS)方法,提取干涉图中所有永久散射体(PS)像元,获取研究区域全分辨率的时序形变信息。之后,使用大气模型校正法与共景叠加法相结合的联合大气校正方法,估计并去除形变信息中的大气噪声。经过上述处理流程后,成功地获取华北平原地表大空间尺度、长时间跨度、全空间分辨率和高精度的形变信息,进而监测到平原内部由长期地下水开采导致的高达100mm/a的大范围强烈沉降信号。相较于既有算法,并行化StaMPS方法通过在多个计算节点之间的实时分配,节约至少60%的计算时间,联合大气校正方法则可以去除约74.3%的大气噪声项,有效性显著高于两种校正方法的单独使用效果。广域InSAR时序分析技术可以有效地实现对大范围地表形变的高精度连续监测。

结合序贯平差方法监测地表形变的InSAR 时序分析技术

基于短重访周期SAR卫星影像,对黄河三角洲地表形变进行高效和持续监测的SBAS-InSAR时序分析。首先对研究区已有的SAR影像集进行干涉处理,得到干涉图,并进行大气效应校正和轨道误差去除,然后利用传统的SBAS(small baseline subset)方法获取地表形变。在此基础上,当增加新的SAR数据时,采取渐进式SBAS方法处理,反演新时刻的地表形变。渐进式SBAS方法融合序贯平差的思想,以已有的解算结果为基础,结合新的观测数据进行增量解算,可以达到整体解算的效果。相对于传统的SBAS方法,每次增加新影像都要采用重新全部解算的方式,能够减少冗余运算,提高计算效率。实验证明,基于2018年5月-2016年8月在黄河三角洲地区获取的Sentinel-1卫星SAR数据,利用渐进式SBAS方法反演的地表形变与地表实测控制点结果相近,相关系数(R)为0.82,且与传统的SBAS方法反演得到的地表形变速率差异在1mm/a内,解算时间缩短约40%,能够持续高效地监测地表形变。

基于InSAR时序分析的北京地区地表沉降监测研究

针对常规大地测量技术在城市地表沉降监测过程中时空分辨率较低的的局限性,本文利用PS和SBAS两种InSAR时序分析技术对城市地表形变进行监测。论文首先对SBAS-InSAR技术的原理进行详细推导和分析,在此基础上,对覆盖北京地区的29景ENVISAT-ASAR数据采用PS和SBAS技术进行处理,分别提取了该区域地表年平均形变速率图。通过与已发表成果对比发现,PS和SBAS在大范围、持续缓慢城市地表形变监测中能够探测一致的地表形变运动趋势;并且在数据量有限的情况下SBAS技术能够获得更为可靠的监测结果。

京津城际天津段InSAR沉降监测及危害评估分析

针对高速铁路沿线危害评估的应用需求,笔者在采用单一主影像进行时序InSAR数据处理的基础上,提出基于地面沉降严重性分区、地面沉降变化点进行高速铁路沿线危害评估的方法。以京津城际高速铁路天津段为例,采用高分TerraSAR数据集进行监测,获取重点沉降中心的空间分布、双街镇快速沉降段以及与周边区域的地面沉降变化点等危害风险点,验证本文评估策略的有效性。

高级时序InSAR地面形变监测及地震同震震后形变反演

差分干涉测量技术(differential interferometry technique,D-InSAR)是在InSAR技术基础上发展起来的,主要应用于测量地表微小形变。该技术在监测地震形变、火山活动、冰川运动、城市地面沉降以及山体滑坡等领域得到广泛应用,但实际研究中存在很多局限性,例如轨道参数误差、地形数据误差、大气延迟误差、时空去相关引起的相位解缠误差以及系统噪音误差等。这些因素成为InSAR高精度形变探测应用的主要限制。InSAR时序分析方法是目前解决常规D-InSAR处理过程中各种精度制约因素的主要方法之一。本文以InSAR时序分析中几个关键技术问题为研究目标,开展InSAR时序关键技术研究。本文取得的创新点如下:(1)在传统相干点提取方法的基础上,提出了一种新的提取方法:满秩相干点。该方法将干涉冗余网络图中节点和边结合起来构建满秩矩阵,并依此作为相干点提取指标。实验结果表明,满秩相干点提取法不仅能有效提高相干点的空间分布密度,而且能保留相干点的最优测量精度。(2)将大气延迟相位分成3种分量,即长波长大气相位、短波长大气相位以及地形相关的大气相位。在此基础上,利用网络法分别对3种类型大气延迟相位进行校正。网络法可以估算出每个时刻的大气延迟误差,再重构每一幅干涉图的大气延迟误差。实验结果分析表明,采用网络法能精确模拟出每个时刻大气延迟误差和每幅干涉图中的大气延迟相位。(3)离散点相位解缠误差是时序分析过程中主要误差源之一,直接影响后续时序分析结果的精度。本文提出一种利用网络闭合环残差方法,对离散相干点相位解缠误差进行检测和校正。该方法可以有效识别出离散相干点解缠相位中相位跳变;同时,本文也介绍了离散相干点解缠相位跳变校正的方法。(4)基于相干矩阵满秩条件,提出一种新的InSAR时序反演策略。利用干涉冗余网络图中各条边和节点之间的关系,采用最小二乘方法解算各个时刻点的形变特征,以有效解决传统InSAR时序反演过程中的秩亏问题。通过Bam地震震后时序形变场提取,在羊八井电站地热开采地下水引起地面沉降监测以及北京市地面沉降监测等几种典型应用中,验证了该方法的有效性和精确性。在关键技术突破的基础上,本文利用提出的新方法,获取了2008年10月6日西藏当雄MW6.3地震同震形变和震后地表形变时序,研究发震断层参数和震后运动过程的动力学机制。利用同震形变反演得到断层几何参数及滑动分布模型为先验知识,以InSAR时序方法获得震后形变时序资料为约束,分别利用震后余滑模型和震后黏弹性松弛模型,研究当雄地震震后断层的运动过程,同时对青藏高原南部中低地壳或者上地幔的黏性系数进行估计,并给出了最优拟合解。

黄土台塬滑坡变形的时序InSAR监测分析

黄土台塬由于经常性的农业灌溉容易造成边缘区域滑坡发育。因此,需要利用有效手段对这些潜在的滑坡隐患进行早期识别与监测。利用时间序列合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技术对2016-01至2018-08期间获取的升降轨Sentinel-1数据集进行分析,获取了甘肃永靖黑方台典型台塬地区的滑坡隐患分布情况。将InSAR结果与GPS观测资料进行对比,验证了时序InSAR处理方法的有效性。对该地区滑坡的历史变形分析表明,持续的农业灌溉引起的地下水位抬升是台塬边缘坡体失稳的主要诱因。同时,InSAR时序分析发现,研究区域内的跨黄河大桥受季节更替和温度波动的影响,存在周期性变形现象。实验结果证明了时序InSAR方法在地表变形监测中的有效性,可在黄土滑坡识别与监测防治中发挥重要作用。

基于SBAS技术的天津市地面形变特征分析

地面沉降是一种普遍存在的地质灾害,天津是中国地面沉降较为严重的城市之一,对地面形变特征的研究,有助于了解地面沉降分布,合理进行城市规划。基于覆盖天津地区的Sentinel-1升轨和降轨数据,使用改进的小基线时序干涉测量方法获取卫星视线向(line of sight,LOS)向形变速率场,针对沿海地区大气影响严重等问题,引用InSAR通用大气校正在线服务(generic atmospheric correction online service for InSAR,GACOS)模型去除大气误差影响。从获取的天津地区形变速度场可以看出,天津市区内形变量相对较小,市区周边的静海区、西青区存在一定的形变漏斗,最大LOS向形变量约-40 mm/a;武清区和北辰区形变量最大,有一个范围和形变量级都较大的形变漏斗,形变漏斗中心为武清区王庆坨镇,其最大LOS向形变量在升轨和降轨结果中分别为80 mm/a和99.2 mm/a,结合该区域土地利用情况,发现主要是由于产业园密集建设,导致工业和生活用水过度导致地下水超采。从形变结果可以看出,后续需要对存在形变漏斗的区域进行科学用水管理和合理城市规划,从而有效改善区域形变的影响。

InSAR时序分析高相干目标选取方法比较研究

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,In SAR)时序分析技术,利用时域上多幅SAR图像选择时间基线、空间基线满足一定条件的干涉对进行干涉,通过建立干涉相位形变模型获取地表形变信息。In SAR时序分析技术改善了差分干涉测量中时空失相干、大气延迟等问题,广泛应用于有关形变监测的多个领域,并逐渐成为获取长期地表形变趋势的重要手段。在In SAR时序分析中,针对不同应用选取合适的高相干目标选取方法,获得可靠的高相干目标,是获取精确可靠的地表形变信息的基础。本文通过分析永久散射体(Permanent Scatterers,PS)、分布式散射体(Distributed Scatterers,DS)选取方法的理论模型及其算法,研究其适用地物目标类型的异同,并分析、归纳总结了幅度相关法、相位分析法、信号杂波比法、相干性统计法等不同的高相干目标选取方法的优缺点。最后,以阿尔金断裂带西段部分区域为研究区,分别采用具有代表性的PS、DS选取方法开展该研究区域的选点实验,结果表明该研究区域DS选取方法比PS选取方法适用。本文方法为解决在不同地理区域进行应用研究时选取合适的选点方法提供参考。

融合分布式目标的矿区采动地表时序InSAR监测

基于17景ALOS/PALSAR数据,分别利用永久散射体雷达干涉测量(PS-InSAR)和融合分布式目标的干涉测量(DS-InSAR)方法,通过永久散射体提取、同质像元识别、相干矩阵估计、相位优化、相位解缠、大气校正以及沉降速率反演等过程,获取了沛北矿区2007—2011年采动地表形变时空分布信息.结果表明:沛北矿区在监测时段内地表沉降分布广泛,且与各矿区范围保持了良好的一致性;融合分布式目标的DS-InSAR技术在研究区识别出的监测点约是传统PS-InSAR方法的10倍,且监测点空间分布更加均匀,沉降空间分布特征探测更加准确、可靠,能够更好地服务于矿区地表稳定性监测与评估.

Landslide monitoring with high-resolution SAR data in the Three Gorges region

Employing the well-known D-InSAR technique,we investigated landslide monitoring in the Three Gorges region using TerraSAR-X data.The experiment demonstrates that using both the amplitude and differential phase allows us to identify the precise location,deformation and time range of occurrence of certain landslides.To overcome the atmospheric effect on D-InSAR results,a time-series analysis was also carried out.The observed nonlinear relationship between the deformation and water level suggests that reservoir water level fluctuation is one of the major causes of landslides,which is significant in terms of issuing landslide warnings.In addition,the comparison of TerraSAR-X and C-band ASAR data results indicates that TerraSAR-X data provide far more reasonable deformation measurements because of their high temporal and spatial resolutions.