SBAS-InSAR技术监测青藏高原季节性冻土形变

冻土的冻结和融化的反复交替会造成地质环境与结构的破坏,从而导致房屋和道路等地面工程建筑物的地基破裂或者塌陷,还会引起山体滑坡、洪水暴发以及冰川移动等.因此,监测冻土形变对确保冻土区工程建筑的稳定性和安全性,同时保证冻土区社会经济可持续发展具有重要的意义.目前,在冻土监测方面并没有能大面积监测冻土形变时间演化情况的有效方法,本文提出将InSAR技术中的小基线集方法(SBAS-InSAR)应用于监测冻土来获取其形变时间序列中.考虑到冻土形变呈现明显的季节性特征,本文提出利用周期形变模型来代替传统SBAS方法中的线性形变模型,从而更好地分离出高程残差和大气误差.利用ENVISAT卫星获取的21景ASAR影像图作为实验数据,采用改进的SBAS技术成功获取了青藏高原从羊八井站至当雄站铁路段冻土区的地表形变时间序列图,揭示了该冻土区从2007年到2010年的季节性形变演化情况.通过与研究地区温度变化的联合分析,发现所得到的地表形变结果与冻土的物理变化规律非常吻合,证明了SBAS-InSAR技术在冻土形变监测中具有良好的发展应用前景.

InSAR矿区形变监测的边缘保持-Goldstein组合滤波方法

介绍InSAR技术用于监测矿区地表形变的干涉图滤波方法,为避免对密集条纹强噪声干涉图重复进行-Goldstein等方法过度滤波而导致的条纹信息丧失,提出一种边缘保持Goldstein组合滤波方法。采用具有强条纹保持能力的边缘保持滤波方法进行滤波,根据其伪相干值及相位标准偏差改进Goldstein方法的滤波因子,从而达到更有效滤波的目的。结果表明:边缘保持-Goldstein组合滤波比单次Goldstein滤波残差点改善率提高了23.7%,边缘保持指数高达0.74,效果优于二次Goldstein滤波效果。此法结合频域和空域滤波的优点,对于高密度条纹强噪声干涉图不仅具有较强的噪声控制能力,而且具有很强的条纹细节保持能力。

基于ASAR数据的青藏线多年冻土区形变监测研究

青藏铁路多年冻土区域路基稳定性关系到青藏铁路能否长期安全运营,因此对铁路沿线冻土区进行形变监测有着非常重要的意义。近年来,雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术已发展成为监测地表形变的一项重要技术手段。本文利用此技术结合重复轨道ENVISAT ASAR雷达影像数据,获取青藏铁路羊八井-当雄区冻土形变结果,所得形变结果与冻土冻胀融沉的物理变化规律非常符合,说明采用D-InSAR技术提取铁路沿线冻土区域大范围地表形变信息的效果良好。

利用InSAR短基线技术估计洛杉矶地区的地表时序形变和含水层参数

美国南加州洛杉矶地区是自然和人为活动引起的地质构造活跃、石油及地下水抽取和回灌频繁的区域.本文利用19景ENVISAT ASAR降轨影像生成了71幅垂直基线小于300m、时间间隔小于3年的解缠差分干涉图,并基于短基线集技术(SBAS),GPS和地下水水位数据估计了该区域2003年9月～2009年8月的地表时序形变及含水层贮水系数等物理参数.研究结果表明:(1)在InSAR干涉图中可以清楚的识别多处沉降明显的区域.例如,主要由于含水层地下水的抽取与回灌引起地表沉降的Pasadena盆地(～-2.5cm/a)、San Gabriel流域(～-2cm/a)、SanBernardino盆地(～-2.5cm/a)、Pomona-Ontario盆地(～-4cm/a)和Santa Ana盆地(～-2.5cm/a),以及由石油抽取引起地面形变的Santa Fe Springs区域(～-1cm/a)和Wilmington区域(～-1cm/a)等;(2)InSAR时间序列形变与GPS投影在雷达视线方向上的形变结果具有较高的一致性,平均形变速率差异的均方差为0.39cm/a;(3)InSAR时间序列形变与含水层地下水位的变化基本一致,并基于相关理论计算出了含水层的弹性贮水系数和非弹性贮水系数,分析了含水层的形变机理.

基于InSAR时序形变的矿区全盆地沉降时空演化规律分析

利用10景ALOS PALSAR影像获取山西云冈某矿区在2007年7月1日至2009年1月3日的地表时序沉降值,并使用Logistic模型拟合该矿区全盆地时序沉降。结果表明:通过交叉验证Logistic模型估计参数预测的时序沉降与InSAR监测值后发现,两者吻合较好,且其平均均值和均方根误差分别为-0.4和2.5 cm,表明在整个下沉盆地内,各点的动态沉降均符合"S"型增长,且Logistic模型能较好地描述该过程。统计该矿区全盆地Logistic模型形状参数a和b后,发现参数a和b分别服从Weibull分布和随机分布,且其数值变化较大,表明利用少量离散地表监测数据拟合的Logistic模型参数预测的全盆地动态沉降结果可靠性不高。最后,利用全盆地Logistic模型估计参数预测了该矿区2009年2月18日的地表沉降值,该值与InSAR监测结果吻合较好,均方根误差为2.15cm。

利用MERIS水汽数据改正ASAR干涉图中的大气影响

大气对流层对雷达信号的传播延迟是制约重复轨道InSAR高精度测量应用的重要因素之一.本文描述了MERIS水汽数据用于ASAR干涉图大气改正的方法;并以美国南加州地区为例,选取4对ENVISAT ASAR数据进行了大气改正的研究.结果显示对这4幅干涉图,经过MERIS水汽数据改正后InSAR与GPS差异的RMS分别降低了41.7%,65.2%,19.3%和39.4%.平均改善程度达41.4%.更重要的是,经过MERIS水汽改正后,从2005～2007年干涉图和2004～2007年干涉图中,能清楚地识别出三处形变最明显的区域:Long Beach-Santa Ana盆地、Pomona-Ontario和San Bernardino,其形变速率从 8 mm/a到-28 mm/a,大部分在-20 mm/a左右,与这些地区2003年以前的历史形变速率基本一致.因此,采用无云条件下的MERIS水蒸汽数据改正同步获取的ASAR干涉图,可以显著地降低大气水汽对干涉图相位的影响,从而更真实地反映地表形变等地球物理信号。

一种改进的InSAR干涉图复数空间自适应滤波

阐述合成孔径干涉雷达(InSAR)干涉条纹图的频率域和空间域滤波的算法及其优点与不足,着重分析复数空间自适应滤波的算法原理,提出2点改进:增加45°方向和135°方向的梯度计算及根据干涉图相干系数确定条纹边缘的尺度函数,从而进一步改善权系数。以模拟数据和我国香港及意大利Etna火山2地的真实干涉图数据为例,用本文方法与空间自适应滤波、Lee滤波、基于信噪比的Goldstein方法、最优化方向融合方法进行比较。实验结果表明:改进算法能够根据噪声强弱相应地控制滤波的强弱,既能更好地抑制相位噪声,又能较好地保持条纹边缘信息,模拟干涉图和香港干涉图残余点改善率分别提高18.6%和17.2%,表现出更强的局部自适应性。

TerraSAR影像定位精度分析

为了获取西部山区1:50 000地形图,提出结合R/D模型和相似转换模型的平面定位方法。研究结果表明:此方法通过补偿地形效应和轨道的影响来提高影像的平面定位精度。基于R/D模型的平面定位精度在东方向和北方向分别为8.914 8 m和2.236 5 m;R/D模型与相似转换模型结合后的平面定位精度在东方向和北方向分别为0.664 8 m和0.253 3 m,总的定位精度在1.0 m以内,完全满足1:50 000地形图的要求,同时也证明结合R/D模型和相似转换模型的定位方法是行之有效的。

基于改进LAMBDA方法的PSInSAR相位解缠

相位解缠是PSInSAR技术的一个重要环节,本文提出了一种基于谱修正迭代法改进的LAMBDA方法,用于PSInSAR的相位解缠.新算法使得LAMBDA方法在不需要确定伪观测值的情况下,也可成功进行相位解缠,从而避免了伪观测值选取时的不确定性及由此引入的误差.本文先从理论上分别介绍了LAMBDA方法和基于谱修正迭代法改进的LAMBDA方法的基本原理与数学模型.然后,利用模拟数据和上海地区ERS数据对改进后的方法在PSInSAR相位解缠中的有效性进行验证.结果表明,改进后的方法很好地避免了伪观测值选取不当引入的误差,与传统解缠算法相比,所得监测结果更加准确.

基于异向梯度加权值干涉图滤波

根据窗口内周围各像素与中心像素之间的异向梯度及像素相干值构成中心像素迭代公式中的权函数,提出一种保持条纹细节的干涉条纹图滤波方法。以模拟数据和意大利Etna火山、土耳其地震的真实干涉图数据为例,将新方法与空间自适应滤波、Lee滤波和最优化方向融合方法进行比较。研究结果表明:新算法能够滤除大量噪声同时保持条纹边缘,模拟干涉图和2幅真实干涉图残余点去除率分别达到99.3%,90.3%和87.9%,更有利于后续的相位解缠。

强噪声SAR干涉图的等值线中值–Goldstein二级滤波

结合等值线滤波条纹边缘保持能力强和Goldstein滤波平滑效果好的特点,并且引入伪相干值对Goldstein滤波因子进行改进,提出InSAR干涉图的等值线中值–Goldstein二级滤波方法。模拟数据和真实数据的实验结果证明,强噪声干涉图经过新方法滤波后噪声水平大大降低而且分布均匀,条纹细节信息保持良好,在原本看不到信号的区域也可以恢复部分条纹,并适用于条纹密集和曲率变化大的干涉图。

多分辨率分析的干涉技术大气改正算法

针对合成孔径雷达干涉技术中与高程相关的大气延迟会影响形变监测精度的问题,该文采用小波变换多分辨率分析法来减弱其影响,提高合成孔径雷达干涉的监测精度。该方法根据差分干涉相位不同组分的频率性质和雷达坐标系下的DEM高程信息,分别对其进行多分辨率分析;采用互相关分析法提取解缠相位中与高程相关大气相位的小波系数并对其做降权处理,重构解缠差分干涉图。实验证明了该方法的可行性,研究区域整体上与高程相关的大气延迟部分得到了一定削弱,其中选取的3个局部地区分别降低了15.58%、24.74%、23.27%的与高程相关的大气延迟影响。