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。

时序InSAR解译西安-咸阳地区地面沉降时空分布特征

采用2015-06~2023-01覆盖西安-咸阳地区的Sentinel-1A卫星数据,以时序InSAR为主要技术手段,结合其他资料,获得西安-咸阳地区地面沉降分布特征和形变速率等信息,并分析地面沉降的原因和演化规律。结果表明,SBAS-InSAR与StaMPS-InSAR所得结果基本一致,地表形变区主要分布在西安中部和南部,主要影响因素为地下水开采,分布与走向受地裂缝与断层影响;咸阳大部分地区处于稳定状态,仅在局部地区有较为明显的沉降,沉降受地下水开采、城市建设等因素影响。

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。

一种天基双基地InSAR系统的相位同步方法及验证情况

以德国的TanDEM-X双星编队干涉合成孔径雷达(InSAR)卫星系统为背景,提出了基于点频连续波同步信号双向对传,实现编队卫星InSAR系统相位同步的方法。文中给出了该同步方法实现的框架,对该相位同步方法的原理进行了理论推导,得出了补偿相位差的表达式,并对影响同步精度的因素进行了初步的分析。该方法可用于天基双/多基地合成孔径雷达系统相位同步链路的设计,仿真分析的结果验证了该方法的理论可行性。此外,通过搭建实物系统对系统的工程可实现精度进行了验证,结果表明获取的载波频率相位同步精度与倍频器件的频率精度和一致性密切相关。该相位同步方法为与TanDEM-X相近InSAR系统的设计提供参考。

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。

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-COMSOL的露天矿边坡稳定性分析及形变预测

露天矿地表形变特征的快速、准确分析及形变趋势精准预测是推进矿山绿色安全生产的重要保障。针对当前形变监测技术存在的时空采样率低、成本高,预测模型参数难确定等问题,以东鞍山露天铁矿为工程背景,提出了一种融合短基线子集干涉测量(SBAS-InSAR)技术和COMSOL有限元模拟的边坡稳定性分析和形变预测一体化方法。首先,利用SBAS-InSAR技术处理2018年5月—2020年6月获取的62景Sentinel-1A升轨SAR数据,获取了该区域2 a内地表形变时间序列,分析了其形变时空演化特征。然后,采用COMSOL Multiphysics软件模拟外界强降雨影响下的典型沉降区域边坡稳定性状况,探讨了坡体损伤裂化规律及形变机理。基于此,利用粒子群算法(PSO)优化长短期时间记忆(LSTM)网络,搭建了形变时序预测最优模型,开展典型沉降区的形变时序预测,并引入平均绝对误差和均方根误差作为预测精度评价指标。结果表明:矿区西部沉降相对严重,年均沉降速率高达47.8 mm/a,形变速率与区域降雨量存在显著相关性。相较于传统形变预测模型,PSO-LSTM模型的2种误差至少降低了14%和36%,且能够有效反映采区地表形变波动趋势,为滑坡灾前预警提供了新思路。

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。

基于机载多角度InSAR技术的复杂地形高精度DEM重建方法

干涉合成孔径雷达(Interferomtric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是全天时、全天候获取三维地表信息重要的技术手段。机载InSAR系统具有机动灵活、多角度获取数据的优势,可以高效率、高精度获取数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据。但是,在地形复杂区域,InSAR侧视成像易在地形陡峭区域形成较大范围的阴影和严重的叠掩现象,阴影和叠掩区域在SAR图像上体现为信息的丢失,从而导致DEM数据大面积无效数据的存在,严重影响DEM数据的质量及应用。针对这一问题,本文提出了基于机载多角度InSAR技术的复杂地形高精度DEM重建方法,基于考虑地形起伏的机载多角度InSAR数据获取任务规划设计,最大程度的避免阴影和叠掩导致的无效数据;基于高精度InSAR数据处理,保证每个角度DEM数据精度的高度一致性;基于快速多角度DSM数据融合与滤波处理,实现多角度InSAR体制复杂地形DEM高精度重建。本文以四川省西部山区大坡度、非连续等复杂地形为例,基于本文提出的方法,利用3个角度InSAR数据融合处理,生成了高精度DEM数据,试验结果表明,本文提出的方法获取复杂地形DEM数据高程均方根误差为0.6 m,同时,数据有效率大于99%。

星载InSAR基线构型测量误差模型与灵敏度分析

为避免双天线InSAR系统基线测量动态监测过程中引入误差,影响基线测量精度,对基线长度与角度测量过程中的可能误差进行定性与定量分析。采用坐标变换法建立系统误差数学模型,明确测量系统的误差来源。提出误差灵敏度概念,对误差项进行定量计算,并对每一自由度的误差源进行灵敏度分析,进一步形成综合误差定量合成结果。根据误差灵敏度系数给出一组精度反演误差分配案例。最后,依据蒙特卡洛法在MATLAB平台闭环验证精度量化分配方法的可行性与稳定性。仿真分析结果表明,激光视觉三轴位置的测量精度要求为300μm(3σ),三轴角度的测量精度要求为50″(3σ),即可满足基线长度精度1 mm(1.6σ),基线角度精度2″(1.6σ)。通过本方法可由测量环境条件输入直接获得基线测量的精度,根据灵敏度系数对误差分配进行反演可以得到系统最优布局,其结果可为测量系统的方案设计与精度分解提供有效指导。

基于PS-InSAR技术的晋城矿区地表形变监测及地质灾害风险预警

地表形变是一种严重的地质灾害现象,不仅严重影响灾害区居民的日常生活,而且会造成巨大的社会经济危害,尤其在采煤区。针对传统地表沉陷监测方法费时费力、无法获取地表沉降面状信息、难以进行地表沉陷灾害评估的不足,基于高分辨率SAR卫星影像,利用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术对山西省晋城市晋城矿区2018年1月至2018年12月期间地表沉陷进行监测,分析获取了该地区地表连续形变情况,并利用该技术获取的海量PS点建立支持向量机(SVM)地质灾害风险评估预警模型,对晋城矿区周边居民点地质灾害风险进行了识别和预测。结果表明:晋城矿区10个煤矿及其周边区域存在较大的地表形变;晋城矿区平均LOS向年平均地表形变速率范围为-37~30.3 mm/a;PS-InSAR技术在晋城矿区地表形变监测中具有可行性,且可以实现矿区地质灾害风险综合识别和预警。

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。

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。

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.

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。

星载InSAR方位向逐行的顺轨有效基线计算方法

本文开展了星载干涉合成孔径雷达(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)顺轨有效基线计算方法的改进研究。首先利用多项式拟合卫星轨道方程,使用相干系数法计算待配准图像对的像元偏移量,通过建立顺轨有效基线与方位向行号的函数关系式获得逐行有效基线,解决了在整幅图像使用固定有效基线带来的误差问题。通过TanDEM-X/TerraSAR-X实测干涉数据对本文的改进方法进行了应用和检验,同时针对所使用干涉图像对的特殊线性关系建立了快捷实用的线性方程。通过在整幅图像上精细化使用顺轨有效基线会对诸如海流反演方面有效提高反演精度。

利用InSAR形变反演滑坡滑面运动特征——以汶川县布瓦村滑坡为例

当前滑坡滑面运动特征获取多采用接触式手段,费时费力、成本高昂,且仅能获取稀疏点位滑面运动状态。因此,本文提出一种非接触式滑坡滑面运动特征获取方法,其基本思路是:基于位错理论建立滑坡表面形变与滑面运动间的关系模型,同时引入滑面运动平滑约束条件,最终以InSAR等技术获取的地表形变为约束,反演获得滑面运动特征。本文选择四川省汶川县布瓦村滑坡作为研究对象,以时序InSAR技术获取的滑坡坡面升降轨形变数据为约束,基于发展的理论方法反演获得布瓦村滑坡滑面几何与运动学参数,并结合野外勘查、Lidar观测以及模型残差较好地验证了反演结果的可靠性,其中反演升降轨模型残差仅3.1 mm·a^(-1)和3.4 mm·a^(-1)。反演结果显示,布瓦村滑坡滑面位于坡表以下平均~15.0 m深度处,滑面整体以沿坡向运动为主,最大运动量级达~80 mm·a^(-1),同时在坡体西侧中下部发现微量的垂直坡向运动。本文提出方法可方便、快速的获取空间连续的滑坡滑面运动特征,为滑坡灾害预警和失稳风险评估提供更为直接可靠的科学参考。

基于地形辅助的无人机载InSAR图像分区配准方法

小型化、轻量化的无人机(UAV)为合成孔径雷达(SAR)提供了更加灵活、机动的观测平台,无人机载干涉SAR(InSAR)逐步应用于干涉测量领域。无人机小而轻,易受气流扰动的影响,采用多航过模式进行干涉测量时,飞行航迹非线性且不平行。非线性、不平行的飞行轨迹导致两幅图像之间存在几何畸变。在复杂地形条件下,无人机载InSAR的干涉图像对之间的偏移量大且具有明显的空变特性,给图像配准带来了很大的技术挑战,常规的基于多项式拟合的配准方法不再适用。该文提出了一种利用地形辅助分区的图像配准方法。首先基于航迹信息生成高程门限,利用外部地形对测量区域进行图像分区处理,然后对区域内的偏移量构建多项式变换模型,对各区域边界处的偏移量施加约束,并进行联合求解,最后获得连续的全局偏移量拟合面,通过对辅图像进行重采样实现精配准。基于P波段无人机载InSAR获取的实测数据,初步验证了该方法的有效性。

基于InSAR技术的大跨桥梁温度变形监测研究

以国内某高速铁路钢拱桥为研究对象,选取2017—2018年期间59幅C波段Senti⁃nel-1号雷达卫星影像,利用PS-InSAR技术处理影像获得桥梁的视线向(Line of Sight,LOS)位移,根据SAR成像空间几何关系解算出支座的纵向位移.研究结果表明:支座纵向位移的时空特性与实际桥梁结构相符合,验证了PS-InSAR技术观测桥梁结构位移的可行性.建立支座纵向位移与温度的线性相关模型,并与结构健康监测系统的实测结果进行对比.两者吻合良好,相对误差控制在10%以内,验证了PS-InSAR测量桥梁结构位移的可靠性.利用有限元模拟温度作用下桥梁支座的位移变化,并与PS-InSAR位移时间序列进行对比.两者趋势基本一致,LOS向位移误差在[-10,10]mm,验证了PS-InSAR测量桥梁结构位移的准确性.

离散优化框架下的多基线InSAR相位解缠方法

多基线相位解缠技术通过扩展InSAR干涉相位的模糊度区间,突破了单基线解缠的相位连续性限制。然而,相位噪声始终困扰着多基线解缠,聚类分析算法能够在一定程度上抑制噪声,但聚类簇边界的相位连续性难以保障。针对该问题,本文提出了一种离散优化多基线InSAR抗噪相位解缠方法,该方法将经典的多基线解缠模型转化为离散优化问题,构建了多基线解缠解析框架。本文方法以双向遍历的形式求解相位模糊度,针对相位噪声引起的模糊度个数突变问题,采用分块聚类的策略予以校正,提高了算法的抗噪稳健性,解决了聚类簇边界跳变问题。本文基于模拟数据集及实测数据集验证了本文方法的有效性。结果表明,本文方法相对于传统聚类方法,均方根误差减少了约20%。