基于PS-InSAR技术的后海深槽地面及建筑物形变监测分析

深圳市南山区后海片区为总部大厦基地,莲花山断裂带和珠江口大断裂带在此交汇,区域内基岩埋藏较深,断层较发育,存在巨厚的风化深槽,地面高层建筑多采用超长桩基础。文中研究采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术对深圳市南山区后海片区南部东侧沿海部分的地面和建(构)筑物进行大范围、长时间形变监测。监测结果表明,深槽上建筑物以及其他构筑物沉降相对稳定,目前在后海巨厚深槽上的建筑桩基施工工艺安全有效。沉降量较大的区域为深圳湾公园草地及其周边区域,主要由于填海造陆软土引起形变。经过与传统监测技术的对比,InSAR技术监测精度满足规范要求。在大范围、低成本、高精度、高效率的形变监测需求方面,InSAR技术具有优势。

基于PS-InSAR技术的乌鲁木齐沉降监测与分析

近年来城市化进程发展迅速,地面沉降严重。传统测量技术采用接触式测量和人工巡查等手段监测沉降,存在周期长、效率低与成本高的不足。永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar, PS-InSAR)极大地缩短了监测地面沉降的工作周期,减轻人力物力消耗,很好地解决了时间、空间去相关等问题。本文选取易获取且精度高的Sentinel1数据验证PS-InSAR技术在地面沉降监测中的应用。以乌鲁木齐市为例,求取地面沉降速率,获取地面沉降情况,对地面沉降情况进行监测。结果表明,头屯河区中部和西南部分地区地面沉降速率达50 mm/a;水磨沟区中东部分地区沉降速率在15~30 mm/a间;新市区北部沉降速率在6.5~15 mm/a间。

基于PS-InSAR技术的北京地铁线网地表沉降研究

随着城市地下轨道交通的高速发展,地铁建设运营引起的地面沉降现象及其对工程线路的影响引发了国内外相关学者的极大关注。本研究基于哨兵1号合成孔径雷达(SAR)影像,利用永久散射体对合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术对北京地铁全网沿线1 km区域地表变形进行监测,形成了2018—2022年北京地铁沿线整体监测的形变结果图、特征点时序形变结果图以及统计分析典型形变区域的沉降速率剖面图等成果,并分析了北京地铁沿线重点沉降区域、沉降速率时间变化和空间变化,对地铁运营安全风险评估和运维管理具有重要意义。

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。

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-InSAR技术与多光谱遥感建筑指数的载荷密度对地面沉降影响的研究

城市快速发展带来的载荷增加在一定程度上加剧着局部的地面沉降。选取覆盖北京平原区的TM多光谱遥感影像,反演基于指数的建筑用地指数,表征建筑用地(载荷)时空密度差异信息;进而基于永久散射体干涉测量监测技术和遥感建筑指数,结合GIS空间分析方法,从像元角度,分析典型区域载荷变化与地面沉降的相关性。结果表明:(1)载荷的密度与沉降的不均匀性存在正相关关系,尤其在高沉降速率地区体现的较为明显;(2)由于地质结构、土体结构的复杂性、滞后性等特点,使得在相对较短周期研究内,载荷的增加对地面沉降的影响并不十分凸显;(3)高密度建筑群使得局部地面荷载增加,各单体建筑的附加沉降互相叠加,对区域性地面沉降的贡献是不容忽视的问题。

PS/PMMA复合材料的光散射

对以聚苯乙烯(PS)和自行合成的纳米"类双亲"PMMAPS为光散射剂,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基体的复合光散射材料进行了实验研究。测试并分析了样品的雾度及透光率与添加量之间的关系,目的在于通过调节散射剂添加量来调控以PMMA为基体的高聚物材料的光散射性能。实验结果表明,添加少量PS到PMMA中即可制备出光散射材料,PS添加量为1%时,复合光散射材料的透光率为80%;不添加PMMAPS时雾度为50%,添加了PMMAPS时雾度达到80%,PMMAPS可以改善PMMA和PS之间的相容性,提高样品的雾度值。因此通过调节散射剂PS和PM-MAPS添加量可实现光散射高雾度和高透光率的双高要求。

基于PSInSAR技术的现代黄河三角洲地面沉降监测与分析

地面沉降是现代黄河三角洲地区主要的地质灾害之一,利用PSInSAR技术对覆盖现代黄河三角洲部分地区的10景ERS1/2数据进行处理,获得该研究区的地面沉降范围、沉降速率和形变时间序列情况。选取3个地面沉降范围和速率相对较大的区域进行重点分析,同时将监测结果与相应时间段的居民区分布图和油田分布图进行叠加分析,结果表明,地面沉降与石油开采、地表载荷增加具有较强的相关性。利用水准观测数据对获得的监测结果进行精度验证,结果显示PSInSAR监测结果与水准观测数据吻合,中误差达到mm级。

StaMPS-MTI技术在地面沉降监测中的应用

为了提高监测技术的空间采样率,基于永久散射体法(permanent scatters,PS)和短基线集法(small baseline subsets,SBAS)技术,同时考虑PS点、慢失相关滤波相位(slowly-decorrelationg filtered phase,SDFP)点的相位和幅度稳定性,对满足给定阈值的点相位进行加权平均,优化选取斯坦福永久散射体-多时相InSAR(stanford method for persistent scatterers-multi-temporal InSAR,StaMPS-MTI)技术的高相干点集.并使用SBAS技术的形变模型提取研究区的沉降量和沉降速率.在此基础上,分别利用PS、SBAS及StaMPS-MTI技术对北京市局部地区2007~2010年的29景ENVISAT ASAR数据进行处理,提取研究区2007~2010年的时序沉降情况及年平均沉降速率,对沉降结果进行了详细的对比和系统分析.理论研究和真实SAR数据实验结果均表明,StaMPS-MTI技术获取了404 276个高相干点,空间采样率相较于PS技术提高了62.3%,相较于SBAS技术增加了129.4%,保证了监测结果的精度和可靠性.

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。

SAR图像中PS点的识别与选取

提出一种基于小波相位分析的永久散射体(persistent scatterer,PS)的识别与选取方法.该方法将小波理论引入到PS点识别与选取中,利用基于小波相位分析的差分干涉图滤波方法,首先对差分干涉相位图进行滤波处理,然后估算滤波后各PS候选点的噪声相位、衡量指标以及各PS点的概率,从而在兼顾各PS候选点幅度和相位的稳定性基础上实现SAR图像中PS点的有效识别与选取.理论分析和实验结果表明,该方法识别与选取的PS点是有效而且可靠的.

PS-DInSAR公共主影像的优化选取

在充分顾及DInSAR时空基线跨度及多普勒质心频率差异3个因素对干涉相关性影响的基础上,提出一种PS-DInSAR公共主影像的优化选取算法,采用综合相关测度作为总体干涉相关性的衡量指标,给出具体的综合相关函数模型及其求解方法。借助欧洲空间局(ESA)ERS-1/2卫星从1992-2002年间飞越上海地区所获取的25幅C波段SAR影像作为源数据,开展了PS-DInSAR公共主影像的优化选取实验。计算结果与分析表明,综合相关系数模型用于PS公共主影像的优化选取是有效的和可靠的。

基于PS-InSAR和GIS空间分析的南通市区地面沉降监测

为提高永久散射体雷达差分干涉测量(PS-InSAR)技术中大气延迟相位提取精度,在采用滤波方法从残余相位中提取大气延迟相位时,提出了基于结构函数的最佳滤波方法及滤波窗口大小的自动确定方法;并对PS(permanentscatterer)点的线性形变速率进行空间分析,了解其数据分布,探测离群值,然后进行Kriging插值,以获得高分辨率的沉降速率图.为验证方法的有效性,以江苏南通市区为试验区域,采用2006—2007年间15幅Envisat卫星SAR(synthetic aperture radar)图像进行地面沉降监测.结果表明,该方法有利于确保大气延迟相位的提取精度,获得了南通市区高分辨率的沉降速率图,发现南通市区存在多个沉降漏斗,但在2006—2007年间没有出现沉降速率特别大的沉降漏斗,大部分区域的沉降速率不超过11 mm.年-1.

基于PS-InSAR技术探测地表形变的实验研究

常规合成孔径雷达差分干涉测量技术在区域地表形变探测中存在时空失相关和大气延迟的影响,为了克服或减弱它们的影响,分离和提取线性、非线性形变时间序列以及地形数据误差与大气信号,以西安市沉降场为研究对象,用17景Envisat数据进行了实验研究,并与常规D-InSAR结果比较,证实了PS-InSAR技术用于地表形变监测的有效性。

PSDInSAR的永久散射体时序选择方法

已有永久散射体(PS)识别技术均侧重于利用时序数据集的统计特性,而没有考虑到数据集的时序特性,这样的处理方式势必带来时序信息的浪费,造成部分PS点的漏选。该文重点关注一种永久散射体具有较好的相位稳定度但却在整个监测时间内不连续,称这种PS点为类永久散射体点。文中对类永久散射体的概念及特征进行了详细描述,利用仿真实验分析了类永久散射体应用的可行性,根据类永久散射体特性对其进行了有效选择,形成一种新的永久散射体选择方法——时序选择法。同时对时序选择法以天津地区Envisat ASAR影像数据进行实验验证。通过类永久散射体的选择,PS点数量提高了、不均匀分布特性得到改善,同时保证了其较高的相干性。

用PSInSAR技术监测地面沉降研究

永久散射体差分干涉测量技术为提高形变监测精度展示了很好的应用前景。根据ERS1/2卫星提供的InSAR数据,采用三重阈值PS自动探测算法,获取了1992—2002年上海试验区的地表沉降,上海试验区的总体平均沉降速率为9.3mm/a,与精密水准测量结果具有较高的一致性。

融合GPS数据的PSDInSAR公用主影像的优化选取

分析了永久散射体合成孔径雷达差分干涉测量(PS-DInSAR)引起相干性损失的主要影响因子,提出一种顾及大气延迟变化差异的PS-DInSAR公用主影像的优化选取方法,给出了具体的函数模型、建模思想及求解方法.借助天津地区欧空局ENVISAT(environmental satellite)卫星ASAR(advanced synthetic aperture radar)影像和连续运行GPS(global positioning system)永久监测站数据为源数据,采用Bernese 5.0和Matlab7.1及Shell自编程序等开展了融合GPS数据的公用主影像的优化选取实验.实验结果表明,融合GPS数据的模型相关系数法能准确快速地从多幅SAR影像中选出最优公用主影像,为PS-DInSAR的高精度形变监测奠定了基础.

PS InSAR公共主图像优化选取方法研究

在综合考虑空间垂直基线、时间基线和多普勒质心频率基线对干涉图去相关影响的基础上,分析和研究了时序SAR图像中优化选取一幅或多幅公共主图像的两种实用模型;结合具体的ERS-1/2 SLC SAR图像,开展了PS InSAR公共主图像的优化选取试验,提出了利用基于DESCW和综合相关系数γm的公共主图像优化选取方法在一系列时序SAR图像中优化选取一幅或多幅公共主图像的实用化数据处理流程。理论分析和计算数据充分表明,该数据处理流程是可行的。

PS-InSAR技术在伯克利山滑坡监测中的应用

针对伯克利山的滑坡问题,利用从1992年到2010年期间获得的大量ERS1/2,Radarsat-1,TerraSAR-X星载雷达数据,提出运用永久散射体(PS-InSAR,Persistent Scatterer Interferometry Synthetic Aperture Radar)技术,以一幅主图像为基准,与其他SAR图像分别进行差分干涉处理,并限定幅度和相位双重阈值选择PS点,分析其相位在时域空域的频谱特性,最后通过滤波处理提取形变部分,结果成功地定位了伯克利山的滑坡区域,得到了地形的形变速率,为今后的灾害预警打下了基础.

PS-DInSAR时序差分干涉图公共主影像选取方法

针对基于相干系数的PS-DInSAR时序差分干涉图主影像优化选取方法存在的干涉对垂直空间基线、时间基线和多普勒质心频率差3个因素中有任意一个因素大于临界值时,其他2个因素的影响将被忽略的问题,提出了基于正则化距离的主影像优化选取方法.实验结果表明,当干涉图序列的时空基线或多普勒质心频率差总体较大时,所提方法较基于相干系数的方法更加有效和可靠.