粗DEM辅助的广域PS-InSAR数据预处理方法及应用

PS-InSAR技术是一种高精度的地表形变探测方法,小区域PS-InSAR处理的研究较为深入,但处理方法并不适用广域的形变探测和数据处理方法。本文针对卫星实时轨道精度差的问题,首先提出利用辅助DEM进行斜距误差和轨道系统误差校正提升差分干涉相位反演精度的方法;其次,针对广域图像配准误差的空变性,提出了一种由粗到精的层级配准方法,解决了配准误差空变对PS-InSAR永久散射体选取和图像相干性的影响;最后,通过对形变观测结果的地理编码结合加权处理,实现对超广域观测图像的拼接。利用仿真数据验证了粗DEM对系统误差校正的有效性,并进一步通过Sentinel-1A的2000多景雷达影像对云南省全境39.4万平方千米的覆盖区域进行了处理,结果表明了本文方法对系统误差校正和对广域形变探测处理的有效性。

极具应用潜力的PS技术

虽然在一些条件良好的地区,合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术已经取得了不少令人瞩目的应用成果,但时间失相干因素很大地限制了D-InSAR的广泛应用,而大气效应也会影响D-InSAR的测量精度。近年来提出的永久散射体(PermanentScatterers,PS)技术则在很大程度上解决了这两个难题,即使在无法获得干涉条纹的情况下,利用基于多时相SAR图像和相位稳定像元点集的PS技术也能取得毫米级的地表形变运动测量精度,因而PS技术大大增强了干涉测量的环境适应能力及其精度,是干涉研究领域的一项重大技术突破,具有巨大的实际应用潜力。首先着重介绍PS技术的原理及其处理过程,然后对PS技术的应用,以及PS技术与传统D-InSAR技术之间的关系进行扼要的讨论,期望有助于推动这项高新技术手段在国内的研究和应用。

PS技术及其在地表形变监测中的应用现状与发展

合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)为地表形变监测提供了极具应用潜力的手段,具有大面积、高空间分辨率、全天候及成本低的优点。但由于大气条件变化、地表覆被等时间空间去相干的影响,其精度和普适性受到极大限制。近几年发展的永久散射体(PS)技术在传统差分干涉测量(D InSAR)中引入时间维,分析长时间内保持稳定的像元集相位变化,获得毫米级的地表形变测量精度,同时有效地解决了时间空间去相关和大气非均质性影响的问题,目前在滑坡、地面沉降和地质灾害监测等领域得到了广泛的应用。PS技术具有高精度、高时间分辨率、能极大提高影像利用率的优点;但只适用较小区域、需要大量影像、且不适于分析快速突变的地表形变。为克服PS应用中的问题,近年来出现了三角反射体技术、多平台PS技术及相关性像元分析(CPT)技术,使PS技术应用具有更广泛的适应性。

基于PS和SBAS技术监测厦门市主城区地面沉降

基于Sentinel-1A卫星2017年5月到2020年9月的41幅影像,采用PS和SBAS 2种技术,进行高精度的时序形变监测获取了厦门市区监测期间的地表形变信息,PS形变量级位于-25~20 mm/a,SBAS形变量级位于-22.91~18 mm/a。对2种监测结果进行交叉对比和时序分析,形变趋势和空间分布相吻合并分析其线性关系高达0. 920 6。提取出4个沉降比较严重区域分别是:A区为同安区中部地区,沉降量最大达到-40 mm;B区位于集美区西南部,最大沉降量为-26 mm;C区位于海沧区南部城中,最大沉降量为-23 mm;D区位于海沧区东部地区与厦门岛西部地区最大沉降量分别为-23 mm、-32 mm、-7. 7 mm。结果表明2种技术都获得可靠结果。

PS-InSAR技术在昆明长水机场地面形变的监测应用

为了研究昆明市长水国际机场及其周边区域的地表形变,本实验利用永久散射体干涉技术(Permanent Scatterers InSAR,PS-InSAR)和37景Sentinel-1数据,并通过GIS方法绘制形变场,得到了研究区2015年至2017年间的地表沉降信息。实验结果发现,研究区域内普遍存在速率在mm/a之间的微小形变,但并未发现明显的高速率形变场。

基于PS-InSAR技术的深圳北站表面位移监测研究

利用2015-01-2018-08的40景COSMO-SKyMed HIMAGE雷达影像,采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(permanent scatterers interferometric synthetic aperture radar, PS-InSAR)技术获得了深圳北站时序形变信息,并基于GIS空间分析方法进一步揭示了深圳北站表面位移的空间分布特征。根据InSAR遥感解译结果,结合深圳北站的工程建设背景,分析深圳北站表面位移的分布演化态势及其形变主导因素。结果表明,深圳北站东广场填土、填砂厚度以及土壤成分、力学性质发生了一定变化,造成缤果空间地基下沉,墙体出现裂缝,外在的高强度工程施工(汇德大厦)则进一步加剧了地面沉降。通过实地踏勘验证了InSAR监测结果的准确性,证实了高分辨率PS-InSAR技术在城市公共设施形变监测、管理维护方面的可行性。

矿区形变区及中心形变速率研究

以河南省鹤壁市鹤壁二矿、三矿、五矿和六矿为实验区,采用永久散射体差分干涉测量技术(PS-InSAR),对实验区2008—2010年共12景ENVISAT ASAR数据时序SAR影像进行处理.实验结果提取出6个形变较大的相位变化区域,与实际矿区空间位置有良好的吻合,在2008—2010年期间累积形变量最大至60 mm,最大形变速率为25 mm/a,其它形变区域中心的形变速率都在16～20 mm/a之间.

基于时序InSAR技术的新磨村滑坡发生前后变形研究

基于时序InSAR技术,并结合现场调查,采用新磨村滑坡发生前30景SAR数据和滑坡发生后36景SAR数据对滑坡及周边区域形变进行监测,结果表明:①新磨村滑坡发生前,坡脚未探测到明显的变形,但滑源区有明显的变形迹象,主要变形发生2016年和2017年,滑源区坡体经历了“缓慢变形-加速-暂时稳定-再加速-滑坡发生”过程;②新磨村滑坡发生后,在坡脚堆积区东南部形成一个不稳定变形体,累积变形量较大,雨季有加快变形趋势,尚未达到稳定状态;③根据新磨村滑坡前、后变形规律,滑坡发生前、后地表变形受降雨影响明显。

InSAR技术在沂沭断裂带地表形变监测中的应用研究

针对常规大地测量监测沂沭断裂带地表形变结果无法全面反演该区域构造应力场的局限性,尝试采用PS和SBAS两种In SAR时序分析技术对该区域地表形变进行监测。首先对SBAS-In SAR技术的原理进行详细推导和分析;在此基础上,对覆盖研究区的14景ENVISAT-ASAR数据采用PS-In SAR和SBAS-InSAR技术进行处理,分别提取了该区域地表年平均形变速率图;通过与水准监测数据的对比分析发现:InSAR时序分析方法在大范围、持续缓慢断裂带地表形变监测中能够获取与精密水准监测一致的形变趋势,且SBAS-In SAR技术在数据量较少情况下能获得更好的监测效果。这表明In SAR时序分析技术可以作为断裂带微小地表形变监测的有效手段。

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。

小基线集合成孔径雷达干涉测量算法及其应用

针对地理国情监测中地表形变监测研究不足的现状,文章在分析常规DInSAR特点及趋势性发展的基础上,结合地理国情监测的尺度特征与实际需求,给出了小基线集(SBAS-InSAR)算法原理;并比较了与永久散射体(PS-InSAR)算法的异同点;在此基础上,选取试验区,获取了COSMO-SkyMed雷达卫星数据,采用SBAS-InSAR算法,提取了试验区时间序列地表形变量与形变速率。结果表明:SBAS-InSAR算法可以利用比较适中的数据量获取到较高精度的反演结果,能够满足地理国情监测的实际需要,在地理国情监测中具有很好的适用性和可行性。