国产卫星时序InSAR形变监测精度分析

陆地探测一号01组卫星(LT-1)的发射成功实现了我国L波段干涉SAR卫星“从无到有”的发展。LT-1卫星因空间避障等原因,部分空间基线较长;经过调轨后,空间基线长度控制在400 m以内。为了验证LT-1卫星数据的可用性及精度,本文以山西大同矿区为例,获取了2022年12月23日至2023年5月20日共25景LT-1条带模式影像数据,分别进行差分干涉测量短基线集时序分析(SBAS)技术和永久散射体(PS)技术数据处理。对时序InSAR和GPS站点在SAR卫星视线向上的形变监测结果进行对比分析,二者差异标准差分别为5.7 mm/a(SBAS-InSAR)和3.4 mm/a(PS-InSAR),时间序列均方根误差均小于5 mm,具有高度一致性。研究表明国产LT-1卫星具备高精度的形变监测能力,为国内地形测绘及形变监测提供了可靠的数据保障。

MCJ-UNet:一种双/多通道联合InSAR相位解缠网络

干涉合成孔径雷达(InSAR)可实现地表高程的高效获取,在地形测绘中应用广泛。双/多通道InSAR技术可借助不同通道(基线、频点)的高程模糊度差异,解决相位欠采样问题,完成高程陡变区域的干涉相位解缠,实现InSAR技术在测绘困难区域的有效应用。该文即面向高效高精度相位解缠需求,利用深度学习这一有力工具,结合不同通道的相位特征及相互约束关系,提出了一种双/多通道联合干涉相位解缠网络:Multi-Channel-Joint-UNet(MCJ-UNet)。该网络的构建以双通道(双频、双基线)InSAR为基本观测构型,并可实现向多通道构型的扩展,其构建的核心思路主要包括3点:首先,将干涉相位解缠中的模糊数估计问题转化为语义分割问题,并采用UNet网络完成分割处理;其次,引入挤压激励模块(SE)动态调整信息权重,以增强网络不同通道对其所需信息的感知能力;最后,利用多通道联合约束下的相位残差优化损失函数,实现网络调谐。此外,为避免语义分割结果的边缘细节误差对解缠效果的影响,该文还提出了一种基于多通道联合约束的解缠误差自修正方法,以保证解缠质量。模拟地形仿真数据、真实地形仿真数据以及TerraSAR-X实测数据验证了所提方法的有效性。

中尼公路聂拉木至樟木段InSAR广域地灾隐患识别与特征分析

基于2017-04~2019-06共130景Sentinel-1A卫星升降轨影像,采用StaMPS-SBAS InSAR方法,并融合GACOS大气校正,对中尼公路聂拉木至樟木段进行大范围地质灾害隐患点探测和识别。结果表明,研究区内共发现54处隐患点,组成多处滑坡群,升轨最大形变速率达114 mm/a,降轨最大形变速率达122 mm/a。结合研究区降水数据统计分析可知,有35处隐患点形变与降水有关,形变季节性特征明显。本文研究结果有助于了解该路段地表形变趋势及成因,丰富该地区地灾隐患点历史记录,为该地区地质灾害隐患的持续监测提供参考。

加权信息量支持下融合InSAR形变特征的滑坡易发性评价

使用SBAS-InSAR处理六盘水市水城区2018-07~2019-08共69景Sentinel-1A卫星影像,获取地表形变作为动态评价因子,用于完善传统滑坡易发性评价研究缺乏动态特征数据应用的问题。结果表明,使用10种静态评价因子融合InSAR形变特征数据作为动态评价因子,在耦合层次分析法与信息量法的加权信息量模型下对比仅使用静态特征数据,ROC曲线下面积分别为0.756 02和0.888 68,模型性能提升约13.3%;再将历史灾害点叠加于2种分区图下检验分区精度,相比于未融入形变特征,融入形变特征可纠正约12.44%的误分类区域,能较好地提升分区的可靠性。

基于PySide的时序InSAR处理可视化及形变监测实验

基于PySide等Python开源扩展包设计了时序InSAR处理可视化软件,用于实验教学。软件集成了影像搜索、像对组合、干涉解缠、时序处理、结果展示等功能。以山东省菏泽市郓城县城区地表沉降监测为例,进行实验处理,并与PSDS-InSAR方法进行精度对比。相较于传统命令行操作方式,该可视化软件极大地简化数据处理的复杂性,软件处理结果与PSDS-InSAR所得结果的相关性为0.9866。软件提高实验效率,降低实验难度,改善了实验效果,结果精度表明该软件也可直接应用于工程实践。

基于时序InSAR的老挝桑片-桑南内水库大坝溃坝回溯研究

InSAR是一种用于水库大坝表面位移监测的新技术,具有周期性、低延迟的特点,且能回溯历史数据。利用老挝桑片-桑南内水库大坝溃坝前期及溃坝期间的卫星影像,收集溃坝前后的大坝表面位移监测数据和降雨数据,对大坝自身和管理方面的溃坝原因进行了分析,结果表明大坝溃坝前已发生较明显的异常变形趋势。本研究将InSAR技术引入大坝风险管理中,能有效减少溃坝事故的发生。

基于创新能力培养的3S技术及应用综合实验设计与实践——以地表沉陷InSAR数据处理为例

为提升实验课程效果、培养学生的创新能力,结合新时期防灾减灾专业人才需求,开展了3S技术及应用综合实验设计与实践研究。首先,明确了3S技术及应用综合实验课的目标,提出了相应的实验内容及实践步骤。其次,以地表沉陷专题为例,设计了以InSAR数据处理为主线的实验方案,包括具体的实验环节和实验过程。该实验充分融合3S技术及应用课程内容,有效结合课堂理论、学生科创、科研实践等,有助于提高学生的学习热情、增强学生的综合能力和创新意识。

基于SBAS-InSAR技术的港口地表二维形变监测与分析

为了大范围监测果园港港口地表形变情况,预防地面沉降和塌陷所带来的危害,采集2014年11月—2017年11月果园港升轨和降轨的Sentinel-1A号数据,应用SBAS-InSAR技术进行地表形变数据提取与分析。结果表明:得到的垂直方向地表形变变化趋势与水准测量结果相一致;果园港地表垂直方向形变速率为-33.49~13.49 mm·a^(-1),东西方向形变速率为-16.16~29.44 mm·a^(-1);大幅度沉降主要发生在港口的堆场区和交通枢纽处,且沉降速率与距交通线路的距离呈现显著相关。

InSAR技术在普光气田地质灾害调查中的应用

普光气田高含硫化氢的集输管道经常需穿越一些地形地质条件复杂区域,这些地区通常又是地质灾害的高发区,不同类型的地质灾害威胁着管道的安全运行。通过雷达卫星数据对普光气田集输站场和集输管道周边滑坡进行了地表形变探测,共探测出32处地质灾害点;结合光学遥感影像目视解释和现场勘查^([1]),对普光气田103集气站南侧、胡家阀室、毛坝1井—1#阀室管线西侧共3处典型滑坡形变特征进行了详细分析。结果显示,该区域地质灾害变形速率受降雨的影响较大。调查结果能够对普光气田地质灾害防控工作提供重要的决策依据。

基于insar和人工监测新疆BEJ水库变形体稳定性分析

以新疆BEJ水库为研究对象,通过变形观测分析和理论计算,BX1体垂河向水平位移量为3.78 cm,平均速率0.038 mm/d;垂直沉降总量4.61 cm,平均速率0.046 mm/d;各阶段监测水平位移速率0.038 mm/d→0.023 mm/d→0.034 mm/d→0.015 mm/d→0.010 mm/d;水库蓄水后,BX1变形体发生明显变形,处于蠕动变形状态。建议加强监测预警工作,做好安全保障措施。

大雪山石冰川InSAR遥感:分布、运动与水储量估算

石冰川是高寒山区一种常见的冰缘地貌,研究其分布、运动以及水储量对科学认识高山多年冻土的发育条件、演化规律和水文功能具有重要意义。本文以川西高原大雪山地区为例,在卫星InSAR遥感支持下揭示了该地区石冰川的分布和运动特征,并耦合“冰-岩”流变动力模型反演了其潜在水储量。结果显示,研究区内发育有1352条石冰川,它们的平均面积、海拔和坡度分别为0.176 km^(2)、4603 m和18°。石冰川的平均坡向运动速度约为52.2 mm/yr,最大运动速度约487.3 mm/yr,并且运动速度在空间和时间上均表现出强烈的异质特点。含冰量反演结果显示所有石冰川的平均含冰量为68.6%,总体含冰量范围55.2%~72.8%,对应的总储水当量约2.802 km^(3)。根据石冰川的分布位置推断研究区多年冻土发育海拔下限约为3655 m,与已有的青藏高原多年冻土分布模拟资料相符。另外,计算显示研究区石冰川储水当量约是冰川的36%,表明石冰川的水文功能在山区水文模型中不应被忽视。

基于时序InSAR的九龙江河口地区地面沉降时空演变规律及成因分析

为探明九龙江河口地区地面沉降情况,本研究采用小基线集合成孔径雷达干涉测量(small baseline subset interferometric synthetic aperture radar, SBAS-InSAR)和永久散射体合成孔径雷达干涉测量(persistent scatterer interferometric synthetic aperture rader, PS-InSAR)技术获取了2017年1月至2022年3月地面沉降的时空分布信息和演变规律,并结合实地调查数据和水文地质调查监测资料对地面沉降成因进行了系统分析。研究结果表明:SBAS-InSAR和PS-InSAR两种方法均发现在研究期间九龙河口地区地面整体呈现出沉降趋势,SBAS-InSAR监测结果发现研究区沉降速率为6.2 mm/a;研究期间该区域的沉降中心持续扩大且沉降量呈增加趋势,最大累积沉降量达到250 mm以上,主要分布在浮宫镇中南部地区、海澄镇、东园镇中南部地区、角美镇和榜山镇东南部地区;该区域由于大量抽取地下水用于养殖,地下水位下降,引起淤泥层发生固结排水、压密,从而导致地面沉降。

滑坡灾害InSAR早期识别关键技术方法研究

本研究重点关注了合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术在滑坡识别方面的应用,并着重分析了InSAR技术进行滑坡识别时所遇到的典型技术难题。首先,论文分析了InSAR多视处理作为预处理关键步骤的重要性,探讨了多视因子选择在噪声抑制和空间分辨率之间的平衡问题,并获得了最佳的多视因子参数。其次,本文讨论了干涉图滤波窗口对形变提取精度的影响,发现最佳的滤波窗口可有效保留形变信息,并抑制InSAR干涉噪声,有利于滑坡隐患的准确识别。此外,本研究还发现采用InSAR干涉图层面的大气校正处理,可避免InSAR相位解缠误差的传播,并有效削弱大气噪声,提高InSAR形变提取精度。最后,本研究讨论了InSAR干涉对筛选中的长短时间基线问题,发现仅利用短时间基线干涉对较难捕捉滑坡小量级形变,而长时间基线又不可避免面临干涉失相关的挑战,因此,以短时间基线干涉对为基础,辅以一定数量的高质量长时间基线干涉对,是更为可靠的小量级运动滑坡隐患InSAR识别干涉对筛选策略。最后,研究以金沙江上游某滑坡密集区域为例,基于最优参数和对照参数组开展了实验,验证了最优参数组的有效性和适用性。上述研究成果显著深化了InSAR技术在地质灾害识别应用中的适用性和局限性,为利用InSAR技术开展滑坡灾害早期识别提供了科学的支撑,具有重要的理论和实用价值。

采空区地表InSAR形变监测与安全稳定性评价

为探明河南省平顶山市某变电站拟建场地的安全稳定性,避免采空区地表沉降或倾斜给变电站造成安全隐患,采用永久散射体(PS)合成孔径雷达干涉测量(InSAR)研究平顶山市2015—2022年间的45景Sentinel-1A数据,精细化分析拟建场地的9个代表位置的时序形变特征,进而建立基于InSAR监测的采空区地表场地安全稳定性评价机制,完成对场地的安全稳定性评价。研究结果表明:基于模糊数据集的模糊PS选点法可克服PS点密度低的弊端,有效增加分析可用数据,提升监测结果的准确性;依据基准点校正拟建区内代表点的时序形变后发现,拟建场地整体形变较小且逐渐呈现趋于稳定的趋势,最大沉降量为13.05 mm,最大沉降速度为5.73 mm/a,最大倾斜为0.070 mm/m。基于安全稳定性评价机制分析可知:采空区地表场地移动变形处于稳定状态,变电站地基基础处于安全状态,采空区地表沉降对拟建变电站的影响程度小,综合3种评价指标进行分析,采空区地表场地安全稳定性等级为高,具备建设变电站的可行性。

基于时序InSAR技术的中贵天然气管道天水市段沿线滑坡隐患识别与形变分析

中贵天然气管道天水市段沿线地处黄土高原,地貌类型多样、构造活跃、复杂地质条件下发育多种具有隐蔽性和潜伏性的地质灾害,其中滑坡灾害对中贵天然气管道的安全危害极大,因此,对中贵天然气管道天水段沿线滑坡隐患进行有效识别与分析具有重要意义。采用Sentinel-1A升降轨卫星数据,基于时序合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)对中贵天然气天水段沿线滑坡隐患进行了解译识别、现场复核、发育特征与典型滑坡形变分析。研究区共识别17处滑坡隐患点,现场复核最终确定13处,其余4处为人类工程活动区,其中常沟村和磨峪沟村滑坡形变受降雨影响。统计发现研究区管道沿线滑坡多发生在坡度40°~50°,高差400~600 m,东北坡向和距管道100~150 m范围内,且岩土体强度较低,地层以第四系全新统冲洪积层(Q_(4)^(a1+p1))为主。结果表明:联合升降轨的时序InSAR技术可以有效识别管道沿线滑坡隐患,为油气管线的安全运营及今后油气管道选线提供重要的科学依据和参考。

智能化InSAR数据处理研究进展、挑战与展望

随着海量SAR数据的持续积累及深度学习技术的快速发展,以大数据分析和人工智能为主要特征的智能InSAR时代即将来临。本文综述了深度学习技术在InSAR数据处理中的研究现状与发展趋势。首先,简述了目前主流InSAR数据处理方法,分析了在复杂应用场景下其监测精度、处理效率和自动化程度等方面的局限性。然后,在介绍主要InSAR深度学习网络(包括卷积神经网络、循环神经网络和生成对抗网络)的基础上,根据深度学习技术在InSAR数据处理关键环节中的应用,结合笔者团队研究实践,系统梳理了InSAR相位滤波、相位解缠、PS/DS点选取、大气校正、形变估计和形变预测等方面智能化处理的研究进展。最后,探讨了基于深度学习的InSAR数据智能化处理面临的挑战,并对未来发展趋势进行了展望。

利用时序InSAR技术开展大型调水工程变形监测

为解决水资源空间分布不均问题,我国建设实施了南水北调等一系列调水工程项目。为确保调水工程的安全运行,有必要对调水工程基础设施进行变形监测。基于2016—2022年Sentinel-1数据,利用时序InSAR技术对华北平原某大型调水工程进行变形监测,提取其沿线和周边地表形变信息,识别潜在变形区域,分析时空演化趋势,并讨论沿线输水建筑物的稳定性。结果表明,该调水工程穿过两个沉降漏斗,沉降整体减缓,局部地区沉降趋于稳定,甚至小部分区域出现轻微抬升。研究结果证明了InSAR技术在大型调水工程变形监测中的作用和优势,可为调水工程安全运行提供可靠的技术保障。

潮汐效应对沿海多条带时序InSAR地表形变监测的影响

潮汐效应对沿海大范围、高精度的合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术地表形变监测的影响不可忽略.潮汐效应中的固体潮(Solid Earth Tide,SET)位移和海洋潮汐负荷(Ocean Tide Loading,OTL)位移会在时间和空间域上对沿海大范围InSAR地表形变监测产生分米级的误差,而且不同条带中地表潮汐形变时空差异性会对多条带InSAR影像拼接产生较大误差.本文针对沿海地区多条带InSAR形变时序,重点分析了潮汐效应在不同条带InSAR地表沉降监测中的影响,并采用多种潮汐位移估计方法对多条带地表潮汐形变进行改正.结果表明,研究区域不同条带时序InSAR中地表潮汐形变具有较大的时空差异性,其造成沿海地区相邻条带时序InSAR地表沉降速率差异能达到1~2 cm·a^(-1);通过固体潮模型、海潮负荷模型或GPS参考站网海潮位移改正,能够消除不同条带中地表潮汐形变时空差异性对时序InSAR形变结果拼接产生的空间高阶非线性误差,弥补了传统拼接方法在拟合潮汐位移偏差的不足.在大气延迟误差改正的基础上,时序InSAR形变残差的标准差(Standard Deviation,STD)由潮汐改正前的2.3 cm减少至0.75 cm;本文研究揭示了沿海地表潮汐形变改正对多条带时序InSAR形变结果拼接的重要性,可大幅提高沿海地区广域时序InSAR地表形变监测的精度.

多年冻土InSAR地表变形监测与土壤水热过程研究

地表变形是反映活动层冻融过程的重要特征。为研究地表变形与活动层水热过程的相关性,采用SBAS-InSAR技术对祁连山地区野牛沟多年冻土区近5a的地表变形进行长期连续监测,并基于野外观测数据研究了地表变形与土壤水热过程的关系。结果表明,冻融过程与水力侵蚀作用引起的地表变形最为显著,地表变形表现出明显的季节性特征。冻融过程引起的地表累积变形较小,年际冻胀、融沉幅度约为10~20 mm;水力侵蚀引起的地表累积变形较大,年际地表变形幅度超过50 mm。野外观测数据表明活动层土壤温度具有轻微的下降趋势,负温等温线下探深度增加、历时加长,冻结锋面交汇日逐渐提前。地表变形与土壤温度、土壤湿度具有较好的相关性,在土壤水分富集区相关性更强,相关系数分别为-0.522、-0.415(P<0.001)。土壤水分富集区土壤含水量的变化对地表冻胀、融沉幅度变化的影响也更显著,两者具有良好的线性关系。笔者定量描述了活动层地表变形与土壤水热过程的关系,对大范围活动层冻融参数的监测研究具有参考意义。

InSAR相位解缠最大流/最小割权值改进算法

InSAR已经在高精度DEM反演中得到了广泛应用,相位解缠技术是影响DEM获取精度的关键步骤之一,然而大梯度变化区域一直是影响解缠结果精度的核心问题。针对该问题,本文提出一种基于势函数改进权值的最大流/最小割相位解缠算法。首先,针对PUMA模型权值设置不合理的问题进行研究,利用外部已有DEM获取相位梯度变化的先验信息,将窗口最大绝对相位梯度值代入相应的势函数公式中获取权值;然后,通过对势函数权值的设置进行阈值调节,解决由于势函数权值设置不合理导致PUMA势函数无法发挥作用引起的解缠错误问题,进而提高大梯度变化区域相位解缠精度;最后,通过仿真数据和真实TanDEM-X InSAR数据对本文算法进行验证,并与已有方法进行对比。结果表明,仿真数据中本文算法可以提高至少44.93%的解缠精度,真实数据中在大梯度变化区域,本文算法较已有算法可以获得更大范围的有效解缠结果。