基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术的地面沉降监测

城市施工建设及地下水开采活动日益频繁,导致城市地面沉降问题日益严重。虽然传统地面沉降监测技术的精度较高,但成本也高。近年来,星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术发展起来,已被用于监测大范围地表形变,具有低成本、大面积、高精度等特点。首次采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PSInSAR)技术,监测上海西南某区域2017—2021年间的地面沉降。结果显示:除一处楼房外,该区域大部分地区未发生沉降,最大沉降速率约−7.10 mm/a,最大沉降量约25.43 mm。采用该技术监测沉降,一方面节省了大量的人力和物力;另一方面,本研究成果对城市地表沉降的科学防治具有重要的参考意义。

基于合成孔径雷达干涉测量的高速铁路下伏老采空区稳定性监测分析

揭示老采空区现有变形规律是老采空区的稳定性分析的关键,而合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术对于广域地表变形监测有着传统测量技术无法比拟的优势。针对贵南高铁穿越大盘井采煤沉陷区的地表监测,采用最新的永久散射体对合成孔径雷达干涉测量(persistent scatter pair InSAR,PSP-InSAR)技术,弥补了传统合成孔径雷达差分干涉测量(differential InSAR,D-InSAR)和永久散射体合成孔径雷达干涉测量(persistent scatter InSAR,PS-InSAR)算法的缺陷,获得了老采空区的沉降变形。并通过实地考察老采空区上方已有建筑和道路,对InSAR测量结果进行了验证。结果表明:2011—2013年及2014—2015年,大盘井采空区大部分点年平均沉降速率为-8~4 mm/a。通过对采空沉陷区地面沉陷调查发现地面建筑物和道路未产生有沉陷特征的沉降和破坏。因此,认为大盘井煤矿采空区沉陷趋于稳定。

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)在地面形变监测中的应用

运用合成孔径雷达干涉及其差分技术(InSAR及D InSAR)进行地面微位移监测,是近年来发展起来并得到日益重视的新方法。对不同地区地面形变的最新研究结果表明,合成孔径雷达干涉及其差分技术在地震形变、冰川运移、活动构造、地面沉降及滑坡等研究与监测中有广阔的应用前景,具有不可替代的优势。与其它方法(如GPS监测等)相比,用InSAR及D InSAR进行地面形变监测的主要优点在于:(1)覆盖范围大,方便迅速:(2)成本低,不需要建立监测网;(3)空间分辨率高,可以获得某一地区连续的地表形变信息;(4)可以监测或识别出潜在或未知的地面形变信息:(5)全天候,不受云层及昼夜影响。但是由于系统本身因素以及地面植被、湿度及大气条件变化的影响,精度及适用性受到一定的限制,需要在实践中不断加以完善和提高,并与地质研究及其它方法相结合。为了弥补传统InSAR及D InSAR方法在地面形变监测方面的不足,提高其精度,近期引入了一种称为永久散射点(PS)的方法。此方法通过选取一定时期内表现出稳定干涉行为的孤立点,克服了许多妨碍传统雷达干涉技术的分辨率、空间及时间上基线限制等问题,使InSAR在城市及岩石出露较好地区地面形变监测精度大大提高,在一定的条件下精度可达到mm级。

分布式散射体雷达干涉相位信息处理方法研究

时序合成孔径雷达干涉测量(time series interferometric synthetic aperture radar,TSInSAR)技术,凭借其全天时、全天候、高分辨率、广覆盖的优势,在形变监测领域展现出极大的发展潜力。然而,永久性散射体(persistent scatterer,PS)在没有典型地物的山区、荒原等非人工地表区域分布十分稀疏,致使其无法有效获取地表形变信息。针对以上问题,论文开展了基于分布式散射体(distributed scatterer,DS)的TSInSAR技术研究,并对其相位信息处理方法的优化策略展开详细研究,以提高形变场信息反演的丰富度及监测精度。主要研究成果如下。

永久散射体雷达干涉测量技术

论述了永久散射体干涉测量 (permanentscattererinterferometry ,PSI)产生的背景和基本原理 ,并介绍了其应用实例 。

基于永久散射体雷达干涉测量技术的北京市地面沉降研究

地面沉降是北京平原区主要地质灾害之一,在过去的几十年中,其沉降范围和幅度逐年扩大。文中采用永久散射体干涉测量技术(PS-InSAR)进行检测、监测该地区地表形变特征。通过分析时间序列的干涉测量结果发现,该地区地面沉降存在构造控制的特性,尤其是在北部沉降区。揭示了北京市第四纪顺义凹陷与沙河凹陷地区地面沉降趋势及范围受黄庄高丽营、南口孙河断层控制。同时将PS-InSAR提取的地面沉降等值线与粘性土厚度分区结果对比分析发现,该地区地面沉降多发生在粘性土厚度大于50 m的地段范围内,沉降中心多数位于粘性土厚度大的地区。

基于永久散射体雷达差分干涉测量的城市地面沉降研究——以上海地面沉降监测为例

基于永久散射体雷达差分干涉测量技术，提出探测永久散射体的振幅信息双阚值方法，研究上海陆家嘴地区在1992～2002年的地面沉降，获得该地区的线性和非线性沉降量以及区域沉降场，证实了地表形变在1km范围内具有强相关性。结果显示陆家嘴地区在1992～2002年间的线性沉降速率为13．2mm／a，总体平均沉降速率为16．8mm／a，与实测结果之间具有较高的一致性。研究表明，PS—DInSAR技术不仅可有效探测地表离散目标的线性形变，还可探测其非线性形变以及获取地表区域形变场，并且可监测地表形变的时序变化过程。除了可用于城市沉降监测外，PS—DInSAR技术还可用于地震、火山、滑坡等地质灾害的监测。

基于永久散射体雷达干涉测量的苏州地区沉降研究

利用传统SAR差分干涉测量技术进行城市沉降等地表微小形变监测时,由于经常受时间和几何去相干以及大气不等延时等因素的影响,使SAR差分干涉测量不能很好地得到推广应用,通过从一系列ERS-1／2 SAR图像中提取在时间序列上保持高相干的自然反射体即永久散射体作为研究对象,进行精密SAR差分干涉测量相位分析反演,较好地克服了时间去相干的影响,并以苏州城市沉降为例,通过获得的1992-2000年的25幅ERS-1／2 SAR图像,建立线性形变模型,得到了苏州地区近8年的连续形变场．实验结果表明,PSInSAR结果与水准数据保持很高的一致性,可用于进行长时间序列的城市沉降监测．

地基干涉合成孔径雷达图像非线性大气相位补偿方法

采用基于永久散射体(PS)技术的大气相位(AP)补偿方法对地基干涉合成孔径雷达(GB-InSAR)干涉相位图进行分析时,部分图像的干涉相位随距离呈现出复杂的非线性,导致无法建立合理的多参数模型来模拟大气相位,常规的补偿方法不再适用。该文提出一种改进的GB-InSAR图像非线性大气相位补偿方法,首先采用常规方法对干涉相位图进行大气相位补偿,并根据PS点的补偿后相位序列的标准差,进行稳定PS点的选择,然后对稳定PS点进行子区域划分,通过反距离加权插值估计出所有PS点的大气相位,从而实现大气相位的有效补偿。采用该文所提方法,对460幅雷达图像进行了处理,相比于常规方法,可以有效地补偿干涉相位图中的非线性大气相位分量。基于若干高稳定参考点的对比结果表明,该方法减小了最大约1 rad的相位测量误差。

融合GPS,CR与水准数据的永久散射体雷达差分干涉测量技术

介绍和综述GPS、角反射器(CR)、水准与永久散射体雷达差分干涉测量(PS-DInSAR)数据融合的背景、研究进展和技术优势。着重介绍PS-DInSAR的基本原理,以及融合GPS,CR与水准数据进行PS-DInSAR的数据处理流程,讨论雷达遥感数据与这些非遥感数据融合的技术特点与方法,指出目前PS-DInSAR技术存在的问题及今后的发展方向。

超分辨率永久散射体干涉测量技术研究

D-InSAR技术和时序InSAR技术是SAR领域最成功的应用技术之一,被广泛应用于从火山地形形变监测、滑坡变形监测及建筑物变形监测等领域。相比D-InSAR技术,时序InSAR技术具备有效减小失相关因素影响、监测精度高等优点,论文在前人研究的基础上,提出了一种新的时序InSAR技术-超分辨率永久散射体干涉测量技术(super resolution persistent scatterer interferometry,SR-PSI)。

利用合成孔径雷达干涉测量技术监测地面沉降及其诱发的地质灾害：墨西哥莫雷利亚市研究实例

利用常规合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）和永久散射体干涉测量技术，对在2003至2010年问获取的23幅ENVISAT合成孔径雷达（SAR）图进行处理，以调查墨西哥莫雷利亚市地面沉降的时空分布模式。这些沉降区以地下水超采导致的集中圆形模式（例如格兰德河曲流区域；最大变形为7-8cm／yr）分布，或者以沿东北．西南或东一西向以及与主要断层平行方向延伸的模式分布（例如LaColina、LaPaloma和CentralCamionera断层；最大变形为4-5cm／yr）。在一些主要正断层上盘区也测量出较高的沉降速率，而在这些断层上盘区出露的第四系可压缩沉积层序厚度最大。横跨主要断层鉴别出明显的沉降速率差异，这表明这些断层起到地下水水平运动的阻挡层的作用。沉降速率与可压缩沉积层总厚度之间显示弱正相关性，而与抽水速率或静水位变化之间无任何相关性。利用常规InSAR对地面变形进行的延时分析揭示了LaColina断层和格兰德河曲流区北部地面沉降随时间的变化。对于格兰德河曲流区，InSAR测量的横剖面和三维视图以及沉降速率随时间变化的分析结果表明，沉降速率自2005年以来开始增大；这与PradosVerdesII井的再次下套管有关，因为该井井位处于最大沉降区中部。

基于多卫星平台永久散射体雷达干涉提取三维地表形变速度场

永久散射体雷达干涉(PSI)技术及其应用于区域地表形变监测已成为雷达遥感领域的研究热点之一.使用单一卫星平台所获取的单侧视SAR影像时间序列进行PSI分析,仅能获取沿雷达视线(LOS)方向的一维地表位移信息.本文提出了基于多平台永久散射体雷达干涉提取三维地表形变速度场的模型与算法,其基本策略是:首先针对每一卫星平台的SAR影像时间序列进行PSI分析,并计算各地面目标沿LOS向的位移速度值,然后联合各平台所对应的LOS向位移速度值进行建模,并基于最小二乘方法解算各地面目标的三维位移速度分量.实验选取天津市西北部作为测试区,使用2007—2010年所获取的39幅TerraSAR-X影像、23幅ENVISAT ASAR影像和16幅ALOS PALSAR影像进行分析,经联合解算得到了该测试区域的垂直位移速度场以及南北向和东西向水平位移速度分量.与地面水准和已有GPS观测结果对比分析表明:多平台PSI的垂直位移速度场精度可达毫米级,而其水平位移速度分量与已有GPS结果基本一致.多平台PSI分析无需引入任何外部形变参考信息,便可以实现形变场的偏差校准和三维形变场的恢复.

永久散射体雷达差分干涉应用于区域地表沉降探测

永久散射体干涉测量技术可以克服常规干涉方法在区域地表形变测量中的雷达信号失相关和大气延迟影响.本文对基于永久散射体的干涉处理全过程进行了分析,基于差分相位的两个主要特性:沉降信号时序相关、地形相位与空间基线成比例,提出构建PS网络,并采用间接观测平差法估计沉降速度网和高程修正网的全局最优解.实验选取上海地区近10年间的ERS-1/2卫星C波段SAR数据进行干涉处理,在永久散射体上分离形变信号、高程修正和大气分量,并最终提取上海地区高分辨率地面沉降速度场,PS结果与地面精密观测成果吻合较好.

永久散射体雷达干涉技术监测上海地面沉降

在地下水开采以及工程建设活动的双重影响下,城市地面沉降问题突出。传统的地面沉降监测水准测量虽精度高,但点密度低、成本较高。永久散射体雷达干涉技术(PSInSAR)监测地面沉降,具有低成本、大面积和高精度特点。选用2003～2005、2007～2008、2008～2009年间覆盖上海城区的中等分辨率Envisat ASAR影像,获得上海不同时期沉降速率图。其中2003～2005和2007～2008年间的结果与水准数据进行了比较验证,达到了毫米级精度。利用2008～2010年间获取的TerraSAR-X影像得到的沉降速率图还表明:基于序列高分辨率SAR数据不仅可以监测地面沉降,还可对大型单体建筑物及地铁等线状地物进行形变监测,证实了PSInSAR方法的有效性和应用潜力。

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.

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。

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。

永久散射体干涉测量技术在首都机场的应用

采用永久散射体干涉测量技术,结合2003—2009年间28幅Enviast卫星的ASAR影像,分两次监测首都机场地面沉降情况。试验结果表明,首都机场及其附近区域存在着地表形变。在监测的时间区间内,T1、T2航站楼有下降趋势,年均形变量约为10 mm;T3航站楼有上升趋势,且呈现出不均匀状态。

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.