SBAS-InSAR技术融合CNN-LSTM模型的矿区开采沉陷监测与预测

针对传统矿区开采沉陷监测方法耗费人力财力和预测预警模型较少的问题,研究提出一种基于短基线集合成孔径雷达干涉测量(Small Baseline Subset-Interferometry Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)技术和卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)与长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)相结合的矿区开采沉陷监测预测方法。首先,利用SBAS-InSAR技术对建新煤矿进行矿区开采沉陷监测,获取了该矿区的年平均沉降速率和累计沉降值。用GNSS监测数据与SBAS-InSAR结果进行对比验证,其拟合效果较好。其次,在此基础上利用CNN-LSTM模型预测后6期沉降数据,其结果与CNN和LSTM预测结果进行对比。研究显示,CNN-LSTM模型的平均绝对误差(S_(MAE))和均方根误差(S_(RMSE))比单一的CNN和LSTM分别至少降低了44.8%和40.6%,其决定系数均高于98%。最后,进一步预测前6期和中6期沉降数据,验证了CNN-LSTM预测模型在时间上的一致性。因此,SBAS-InSAR融合CNN-LSTM模型在类似矿山开采沉陷监测和预测中有较好的应用前景。

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。

基于InSAR技术分析2023年积石山地震同震形变及断层滑动分布

2023年12月18日甘肃省临夏州积石山县发生了自该区域地震观测以来的首次大地震,研究本次地震的地表形变和地震机制,可以为了解该区域的断层活动特征提供有价值的参考。本文采用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术,利用Sentinel-1A降轨影像,在SAR影像几何畸变评估和干涉图大气延迟校正的基础上,提取了地震LOS向同震形变场,并利用Okada弹性半空间位错模型反演了发震断层几何参数及其滑动分布。研究结果显示,所用Sentinel-1A降轨影像在研究区域受几何畸变影响面积占3.6%,适用于该区域形变场提取;地震引发的地表形变近似呈椭圆形隆升,最大雷达视线LOS方向形变量为8.5 cm;本次地震的发震断层在走向、倾角等几何参数上与拉脊山南缘断裂带较吻合,因此倾向于认为发震断层与拉脊山南缘断裂带存在一定的关联性。

基于改进SBAS-InSAR技术的西南山区铁路沿线地表形变监测方法研究

合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)是一种新兴的对地观测手段,因其不受昼夜、云雨限制,被广泛应用于地表形变监测等领域。然而,受大气误差与失相干影响,InSAR技术仍然存在一些局限,尤其在植被茂密的西南山区,以SBAS-InSAR为代表的时间序列InSAR方法存在观测点不足的问题,难以开展山区变形监测。针对以上问题,考虑西南山区气候特征,设计改进的SBAS-InSAR时间序列处理方法,对干涉相位进行优化。丽香铁路是我国云南省境内一条连接丽江市与迪庆藏族自治州香格里拉的电气化铁路,是西部铁路网中滇藏铁路的重要组成部分。为保障丽香铁路安全稳定,同时验证上述方法的可用性,以丽香铁路段沿线的某段为研究区,利用星载SAR卫星存档影像数据对其周边地表开展历史形变探测,计算研究区近6.5年(2015年05月16日至2021年12月10日)的历史形变时间序列,并分析其影响范围、形变因素、变化规律等信息。最后将提出的改进后的SBAS-InSAR方法与常规InSAR方法比较,充分证明了所提出方法的优越性。

面向时序InSAR的卫星任务规划框架设计

随着国内自主雷达卫星和差分干涉合成孔径雷达技术(D-InSAR)及衍生的时序InSAR技术的发展,以时间序列上重复观测为主的长周期形变监测的应用与日俱增。对遥感卫星地面任务规划系统来说,规划和管理大量有时序关联的重复任务,从而最大限度地满足观测要求,是提升以形变监测为使命的雷达卫星运控效率的关键。在综合考虑雷达差分干涉任务序列性、一致性、周期性特征的基础上,设计了一种面向雷达卫星时序InSAR类型任务的规划框架,旨在规划序列任务时,考虑序列整体特性,进行序列任务组间的冲突检测。基于此方法,对现有的地面任务规划系统进行了优化升级,验证了框架的有效性。结果证明:该方法可快速、自动进行序列任务冲突消解,可为长周期序列任务的规划和管理提供设计参考。

基于PS-InSAR的广西北部湾沿岸形变探测及成因分析

受强降雨等极端天气影响,广西地区沉降地质灾害频发。为保障区域可持续发展,利用36景Sentient-1A卫星影像,探究广西北部湾沿岸地区土地形变情况并分析其成因。首先基于PS-InSAR技术和SBAS-InSAR技术,获取2018年1月~2020年12月广西北部湾地区地表沉降信息。结果表明:两种方法具有高度一致性,研究区域最大累计沉降量达-78.1 mm,最大平均形变速率为-22.664 mm/a。其次结合降雨量数据与人类活动强度,分析地表形变成因,结果进一步表明:广西北部湾地区累计沉降量与人类活动强度呈现正相关;每年7、8月雨季时,地表形变速率提高,雨季结束后,部分地面出现抬升。人类活动与降雨是导致广西北部湾地区大面积不规则沉降的重要原因。

基于变分贝叶斯学习时序InSAR数据的城市轨道沉降监测方法

为了合理监测城市轨道沉降,保障城市轨道行车安全,提出了基于变分贝叶斯学习时序InSAR数据的城市轨道沉降监测方法。以城市环境中的铁路线路轨道为例,使用永久散射体InSAR技术获取了一系列X段79景较短波长的SAR影像,时间跨度为2016年1月-2023年9月。通过变分贝叶斯学习,我们对SAR图像进行滤波、主辅影像选择与干涉处理,并获得了干涉相位图。然后,通过永久散射体挑选,获取了城市轨道目标点的形变数据。将所获得的形变信息进行地理编码后,将其放入适当的地理空间数据分析平台进行可视化和分析处理。通过转换为垂直方向的形变数据,可以反映研究区域城市轨道的沉降状况。测试结果表明,在研究区域内,能够获取约45280个目标点,包括轨道及其两侧各35 m范围内的数据。基于这些数据,我们可以进行城市轨道沉降观测工作,得到研究区域内城市轨道沉降速率分布,并展示观测期间城市轨道沉降的变化趋势。

SBAS-InSAR技术支持下的矿山地表形变监测研究

利用SBAS⁃InSAR技术对矿山地表形变进行全面监测。以河南永城矿区为研究对象,深入研究了该地区的地质情况及可能的地表变化类型,并设计了监测方案。介绍了如何获取和处理合成孔径雷达(SAR)数据,以及干涉图生成的关键步骤。通过分析时间序列形变图和形变结果,揭示了矿区地表形变的趋势。该研究有助于解决河南永城矿区地表形变的问题,为地表形变监测领域提供了一个重要范例,有望更好地理解煤矿地表的演化过程,为降低地质灾害风险及矿山的安全运营提供了关键支持。

分布式InSAR三维定位的闭合形式解及其精度分析

本文对分布式InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)目标三维定位的空间几何关系和工作原理进行了分析,给出了完整的目标定位闭合形式解;对闭合形式解进行灵敏度分析,给出了定位精度指标与系统参数精度指标之间关系的解析表达式;分析表明目标定位几何结构的好坏主要取决于视线矢量、基线矢量和主星速度矢量的空间角位置关系,其中视线、基线平面与视线、速度平面间的二面角是一个关键参数,该二面角越大,几何结构越好.最后在以ENVISAT作为主星、采用“干涉车轮”编队的InSAR系统中,给出了精度指标传递关系的蒙特卡洛仿真验证.

InSAR部分地学参数反演

自然因素或人类活动可使地球表层或内部应力发生变化,进而产生灾害事件。获取灾害事件与灾害过程的关键地学参数对于准确理解灾变过程、科学解释灾变机制、正确拟定应对策略具有重要意义。InSAR技术已广泛应用于自然因素或人类活动导致的灾害事件与灾变过程的参数反演。本文首先介绍了InSAR卫星的发展和地表形变监测的基本原理;然后分析了InSAR地学参数反演在地震、火山活动、地下水抽取、矿山开采、冻土冻融、冰川运动、地下流体迁移等各类潜在致灾事件中的研究现状;最后分析了InSAR地学参数反演存在的主要挑战和问题。

一种基于InSAR相干系数的SAR阴影提取方法

给出了一种新的阴影提取方法,根据阴影区域在InSAR相干系数图上的特性,利用Sigma滤波和最优阈值分割算法实现阴影的自动提取。实验结果表明,本方法是一种高效的阴影提取方法。

InSAR技术在矿区沉降监测中的应用研究

介绍了应用InSAR技术监测矿区地表沉降以及地下开采活动的原理;利用重轨差分InSAR技术获得了峰峰矿区地表ENVISAT和JERS 1的雷达形变干涉相位图;分析了在矿区地表沉降过程中ENVISATC波段和JERS 1 L波段形变干涉相位图的相干特性、相位特性以及干涉测量技术在矿区地表沉降监测中应用的可行性和局限性。实验结果表明,利用C波段和L波段雷达数据可以实施对矿区地表沉降的监测,但是C波段雷达受到空间干涉基线的限制更加严格,如果要实现对矿区地表沉降的监测,需要充分利用每个卫星回访时期的雷达数据,建立长时序的星载雷达形变干涉相位图序列,才能较好地实现矿区地表沉降监测。

时间序列InSAR技术中的形变模型研究

对时间序列InSAR的形变模型问题展开研究。首先从干涉相位模型解算的方法入手,针对线性形变模型当干涉点目标的密度不够并且真实形变的非线性较强时,干涉相位方程的解将会发散的不足,根据魏尔斯特拉斯(Weier-strass)逼近定理,提出以高阶多项式取代线性形变模型,并给出了基于多项式形变模型的干涉相位方程解算方法。以太原市地面沉降监测为例,分别采用线性形变模型和三次多项式形变模型进行形变反演。结果表明,多项式形变模型不仅能取得更高的形变测量精度,而且能提高点目标的密度。

时间同步误差对星载寄生式InSAR系统干涉相位的影响分析

时间同步是星载寄生式InSAR系统的关键问题之一。提出了一种新的时间同步误差模型,并在该模型的基础上详细分析了不同形式的时间同步误差对双站SAR成像及InSAR干涉相位的影响。建立了时间同步误差到干涉相位误差的传递模型,指出了星载寄生式InSAR系统对频率源准确度和稳定度的指标要求,仿真验证了理论分析的正确性,分析结果对星载分布式InSAR系统的设计具有重要意义。

星载寄生式InSAR系统频率同步误差分析

频率同步是星载寄生式InSAR系统的关键问题之一。根据频率源的工作特性,建立了一种新的频率源误差模型,并在该模型的基础上详细分析了频率同步误差对双站SAR成像及分布式InSAR高程测量的影响。建立了频率同步误差到干涉相位误差的传递模型,指出了星载分布式InSAR系统对频率源准确度及稳定性的要求,仿真验证了理论分析的正确性,分析结果对星载分布式InSAR系统的设计具有重要意义。

GB-InSAR监测大型露天矿边坡形变

对露天矿边坡实时、精确测量可以为边坡治理和预警提供可靠的信息,直接关系到露天矿的经济效益和生产的连续性.本文提出采用地基合成孔径雷达干涉测量技术(GB-InSAR)监测露天矿边坡,和常规测量方式相比,该技术具有高的空间分辨率和测量精度,实现与地形无关的差分干涉技术,能够获得多时相形变图和形变速度图,反映边坡的整体位移趋势,为露天矿边坡的运动历程分析提供了可靠的信息,并通过实验验证了GB-InSAR技术监测边坡的可靠性.

城市目标动态监测中的时序InSAR分析方法及应用

城市地表和人工建筑的稳定性监测一直是城市安全的重要监测内容之一。星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术以其大范围、高精度、高空间密度的形变获取能力,被广泛用于大范围地表形变监测。近年来,随着星载SAR系统分辨率的不断提高,时序InSAR技术越来越多地应用于重要基础设施的监测。该文结合作者团队长期基于时序InSAR技术在城市地区监测研究经历,总结和回顾了团队关于时序InSAR方法在城市动态监测中的一些典型应用,包括城市机场、高架路网、桥梁、铁路和地铁沿线等,根据多年获取的高分辨率TerraSAR-X影像、Cosmo-SkyMed影像以及后续免费获取的Sentinel-1影像等多种数据以及监测研究中发现的研究问题及相应解决方法,在应用中取得了良好的效果,展现了时序InSAR技术在城区目标精细监测中的潜力。

基于InSAR的西安地面沉降与地裂缝发育特征研究

西安地区长期遭受地面沉降和地裂缝灾害。采用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术对该区域1992年至今的地面沉降和地裂缝的时空特征进行了监测。主要分3个阶段进行,在每一阶段尤其对InSAR处理过程中的干涉图滤波进行了迭代自适应处理和相位解缠进行了顾及粗差的改正,通过与同期水准和GPS监测结果比较可得InSAR精度达1 cm。从3个时间段的InSAR成果可以看出在空间分布上,西安市的东郊和南郊是沉降严重的区域;从时间发育来看,最大沉降阶段发生在1996年,最大沉降量达21 cm,而2006年的最大沉降量减少到8 cm,且沉降中心转移到西南郊;3个阶段均探测到活动地裂缝两侧的不均匀沉降,地裂缝的南侧沉降均大于北侧。该研究将为西安地区地面沉降和地裂缝的解释和减灾提供数据支持。

差分InSAR处理及其应用分析

本文结合实例分析和介绍了影响 In SAR处理结果的几个重要环节。如 :数据源及像对选择 ;影响 In SAR处理的因素等。目前有 4～ 5种雷达卫星数据可以用于 In SAR的处理 ,ERS- 1/ 2卫星数据效果最好 ;差分 In SAR处理的工作步骤中 ,亚像元精度的配准、相干性分析、全相位恢复等是其中的关键技术。In SAR的精度和噪声水平是 In SAR能否实用的重要条件 ,噪声影响地物的相干性 ,噪声较大部位相干性消失 ,在整幅图像中噪声区域不大于30 % ,将不影响整体的 In SAR测量结果。

大地水准面高对InSAR大范围地壳形变监测的影响分析

由于InSAR数据处理所用的WGS84参考椭球系统与通用的DEM高程系统(EGM96大地水准参考面)不一致,在InSAR形变监测分析中会引入大地水准面高导致的误差.本文利用覆盖青藏高原北部阿尔金断裂带西段的27景Envisat ASAR宽幅模式数据和44景条带模式数据,研究了大地水准面高与InSAR大范围形变测量不确定性的关系:(1)模拟分析表明对于100m的垂直基线,8.8m的DEM测量误差,若研究区域存在20m的大地水准面高的变化,对宽幅或条带模式InSAR形变测量造成的影响将由3mm增至10mm左右;(2)实例验证表明对于不同的研究区域,大地水准面高与该地区地形变化存在较大相关性,对于同一研究区域,垂直基线的大小决定了大地水准面高对InSAR不确定性的影响程度;(3)对于大地水准面高有较大梯度变化的研究区域,组合短基线方法与去除轨道平面的方法难以消除大地水准面高的影响.使用基于WGS84高程系统的DEM,可以为InSAR形变测量分析提供统一的高程基准,有效避免大地水准面高误差的影响.