Glacier surface velocity estimation using SAR interferometry technique applying ascending and descending passes in Himalayas

In this study ascending and descending passes interferometric synthetic aperture radar (InSAR) techniques are used for glacier surface velocity estimation in the Himalaya. Single-track interferometric measurements are sensitive to only a single component of the three dimensional (3-D) velocity vectors. European Remote Sensing satellites (ERS-1/2) tandem mission data in ascending and descending tracks provide an opportunity to resolve the three velocity components under the assumption that glacier flow is parallel to its surface. Using the surface slope as an essential input in this technique the velocity pattern of Siachen glacier in Himalaya has been modelled. Glaciers in the Himalayan region maintain excellent coherence of SAR return signals in one-day temporal difference. As a result we could obtain spatially continuous surface velocity field with a precision of fraction of radar wavelength. The results covering the main course of glacier are analysed in terms of spatial and temporal variations. A maximum velocity of 43 cm/day has been observed in the upper middle portion of the glacier. This technique has been found accurate for monitoring the flow rates in this region, suggesting that routine monitoring of diurnal movement Himalayan glaciers would be immensely useful in the present day context of climate change.     

基于SAR偏移量跟踪法提取岗纳楼冰川流速

冰川动态变化监测有助于反映全球和区域气候演变,保护自然环境和自然资源。近年来,基于SAR数据研究冰川运动已成为主流技术之一。基于SAR提取冰川流速主要包括合成孔径雷达干涉测量、多孔径雷达干涉和偏移量追踪法。本文采用SAR偏移量追踪法中的强度追踪法,提取青海省哈拉湖东北部岗纳楼冰川沿距离向、方位向的冰川流速。试验结果表明,距离向冰川运动速度提取效果较好,最大流速达15.36 m/a,流速从中轴向两侧递减,在冰舌末端趋于0;方位向提取的冰流速最大达18.27 m/a,但因电离层干扰,方位向流速图中存在一些方位向条纹。此外,由于冰流速在方位向分量小等因素的影响,本文研究提取的方位向流速精度低于距离向。     

岗纳楼冰川表面流速时空变化特征提取及分析

冰川表面流速是反映冰川动态变化的重要指标,能够为冰川物质平衡提供重要信息.利用2016年的13景Sentinel-1A影像和合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)偏移量追踪法测定岗纳楼冰川表面流速场,并根据地表温度是否大于0℃将其分为冰封期(10月—次年3月)和消融期(4月—9月).其...     

联合卫星SAR和地基SAR的海螺沟冰川动态变化及次生滑坡灾害监测

受全球气候变化的影响,近年来中国藏东南及横断山脉多数冰川物质持续亏损、运动速度减缓,导致泥石流、滑坡等灾害频发。为突破光学遥感受气候条件制约的瓶颈,联合卫星合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）和地基SAR两种技术手段,选取海螺沟冰川作为典型研究区域,开展时序监测分析。基于对近11 a间获取的38景PALSAR系列影像的像素偏移统计表明,海螺沟1号冰川粒雪盆和冰瀑布上沿区域整体运动最快,最大速度超过2 m/d;在海拔2 900~3 900 m的冰舌区,冰川运动趋缓,速度降至0.1~0.4 m/d;随着季节更替,海螺沟冰川运动速度呈周期性波动,积累区的夏冬两季差异为25%~35%,而冰舌段的差异则高达4倍。在年际变化方面,海螺沟1号冰川的运动速度平均减缓率为每年7.27%,消融区内减缓率高达每年15.57%。同时,使用像素偏移追踪和Stacking-InSAR（interferometric SAR）方法在海螺沟U型谷北坡探明了多处不稳定滑坡体,统计分析表明,此类滑坡运动与冰川消融具有强相关性,滑移速度于每年夏季达到峰值,2018年度最大滑移速度为南北向100 mm/d、东西向50 mm/d。进一步分析地基雷达的高频实时监测数据,确定该滑坡体的滑移速度在2018-07-09达到峰值（150 mm/d）,并于随后失稳垮塌,详细展现了整个蠕变致灾过程。相关研究数据及监测结果可为冰冻圈及山地灾害研究提供参考。     

利用SBAS-InSAR技术反演雅鲁藏布江色东普流域灾前冰川形变

本文基于30景Sentinel-1影像,首先采用SBAS-InSAR技术反演了2018年4-10月雅鲁藏布江色东普流域灾前冰川形变,并利用非冰雪覆盖的基岩区形变结果进行可靠性检验,得出均方根误差为9 mm,表明SBAS-InSAR技术应用于冰川形变监测具有较高的可靠性。然后分析了升降轨数据对不同坡向形变监测的敏感性,以及冰川碎屑流灾害发生前冰川形变的空间分布与时间演化特征。结果表明,冰川运动的主流线在东西坡交汇的中轴部,研究区平均形变量达-34.8 mm。在典型剖面上,随着海拔逐渐降低,冰川形变呈先缓慢减少,后快速增加,再缓慢减少的趋势,平均形变量为-50.1 mm。冰川碎屑流灾害发生前冰川形变已有明显的加速趋势,可为冰川灾害早期识别提供科学的数据支持。     

泸定Ms 6.8地震对海螺沟冰川的影响应急分析

2022-09-05四川省甘孜州泸定县发生Ms 6.8地震,震中距离海螺沟冰川约10 km,海螺沟冰川受此次地震影响如何,受到社会广泛关切。利用多时相Landsat 8和Sentinel-2光学卫星影像,基于归一化雪覆盖指数对海螺沟冰川面积进行监测,并利用Sentinel-1雷达卫星影像,基于像素偏移追踪技术对海螺沟地震前和震中位移进行监测。结果表明,2016―2022年海螺沟冰川8月份面积呈波动变化趋势,与日平均最高气温具有负相关性,冰川运动速度与地形坡度和日平均最高气温具有正相关性。泸定地震未造成海螺沟冰川运动速度大范围显著增大,但对冰瀑布前缘区域扰动明显。震后冰崩直接致灾可能性较小,但增加了泥石流致灾风险。     

利用新型C波段雷达卫星研究南伊内里切克冰川运动特征

利用新型C波段Sentinel-1卫星获取的2015年2月至2017年2月期间的影像数据,研究分析了天山中部南伊内里切克冰川不同时段的运动特征。利用偏移量追踪技术计算不同时间段冰川位移,首先采用三步配准的方法进行主辅影像高精度整体配准,然后基于归一化互相关（normalized cross correlation,NCC）算法通过调整窗口参数精确估算局部偏移量,进一步分离得到冰川移动信息。监测结果表明:（1）在空间分布上,狭长的冰舌区是冰川主要的高速流动区域,冰舌区底部流速小于上部,两侧流速小于中间,末端流速明显减缓。（2）在季节变化上,冰川运动速率与温度变化趋势一致,在5月至8月期间运动速率最快,沿剖面线的最高速率达49 cm/d;在11月至次年2月期间运动最为缓慢,速率为25~30 cm/d左右。（3）在年度变化上,2015年夏季的运动速率比2016年整体高约1~3 cm/d,其他季节则没有明显差异。与高分辨率L波段PALSAR-2影像的监测结果进行定量对比分析时,将冰舌区的像元进行抽稀后统计,得到两种数据获取的运动速率之差的均值为3.48 cm/d,标准差为±3.78 cm/d,证实了南伊内里切克冰川运动监测结果的可靠性。     

利用Landsat 8和TerraSAR-X影像研究老虎沟12号冰川运动特征

采用归一化互相关算法精确配准Landsat 8影像得到了2014年—2016年不同季节冰川的运动速率,并利用其热红外波段对不同时刻的地表温度进行反演;通过强度追踪法处理TerraSAR-X影像得到了2008年4月—10月不同时段的冰川运动速率。两种数据得到的结果表明:冰川末端流速较小,中部流速增大,流速从轴部向两侧递减;冬季流速明显小于夏季,变化趋势与温度变化具有一致性。冰川西侧分支的移动速率相对较大,从Landsat 8和TerraSAR-X提取的最大速率分别为2.56 m·d~(-1)和2.74 m·d~(-1)。最后对稳定区域的冰川流速进行统计,结果显示Landsat 8提取的冰川流速精度控制在1—9 cm d~(-1),基于TerraSAR-X的强度追踪法提取移动速率的精度控制在2cm·d~(-1),验证了两种数据监测冰川移动的可靠性。     

基于观测时间配准的升降轨InSAR数据二维形变场解算

传统差分干涉技术只能获取雷达视线方向的一维形变场,极大地限制该技术的应用。联合升降轨InSAR数据,可以解算出地表二维形变场。然而,受卫星轨道参数的限制,即使是不同的卫星,也很难做到对同一目标的同步观测,造成升降轨观测时间的不一致,进而降低二维形变解算精度。针对上述问题,文中提出一种升降轨观测时间配准方法,即以其中一轨SAR时序数据的采集时刻为参考,采用数据插值技术,对另一轨SAR时序数据获取的时间累积形变量进行内插,得到对应参考时刻点的形变量。最后,联合解算时间配准后的两个一维形变量,获取研究区域的二维形变场。为验证所提方法的有效性,文中以苏锡常地区为例,开展二维形变场的解算实验。研究结果表明,所提方法可以更加准确地反演地表二维形变场。     

Monitoring dam structural health from space: Insights from novel InSAR techniques and multi-parametric modeling applied to the Pertusillo dam Basilicata,Italy

The availability of new constellations of synthetic aperture radar (SAR) sensors is leading to important advances in infrastructure monitoring. These constellations offer the advantage of reduced revisit times, providing low-latency data that enable analysis that can identify infrastructure instability and dynamic deformation processes.In this paper we use COSMO-SkyMed (CSK) and TerraSAR-X (TSX) data to monitor seasonal induced deformation at the Pertusillo dam (Basilicata, Italy) using multi-temporal SAR data analysis. We analyzed 198 images spanning 2010–2015 using a coherent and incoherent PS approach to merge COSMO-SkyMed adjacent tracks and TerraSAR-X acquisitions, respectively. We used hydrostatic-seasonal-temporal (HST) and hydrostatic-temperature-temporal (HTT) models to interpret the non-linear deformation at the dam wall using ground measurements together with SAR time-series analysis. Different look geometries allowed us to characterize the horizontal deformation field typically observed at dams. Within the limits of our models and the SAR acquisition sampling we found that most of the deformation at the Pertusillo dam can be explained by taking into account only thermal seasonal dilation and hydrostatic pressure. The different models show slightly different results when interpreting the aging term at the dam wall. The results highlight how short-revisit SAR satellites in combination with models widely used in the literature for interpreting pendulum and GPS data can be used for supporting structural health monitoring and provide valuable information to ground users directly involved in field measurements.     

联合地震位错模型和InSAR数据构建2017年九寨沟Mw 6.5地震同震三维形变场

利用哨兵（Sentinel）-1A卫星升、降轨影像,在地震位错模型约束下获取了2017年九寨沟Mw 6.5地震的高质量三维形变场。首先,利用合成孔径雷达干涉测量技术（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）提取九寨沟地震升、降轨同震形变场;然后,通过“两步法”反演获取该地震发震断层的几何参数和分布式滑动模型,以此为约束,采用方差分量估计算法联合解算九寨沟地震三维形变场。结果表明,九寨沟地震同震三维形变场以水平位移为主,垂向形变较弱;南北向形变呈拉张趋势,断层上盘向南、下盘向北滑动,最大位移分别为－19.81 cm和14.38 cm;东西向形变不对称性明显,断层上盘西北部向东水平运动,最大位移为18.37 cm,下盘东南部向西运动,最大位移不足8 cm。将南北、东西向形变与6个全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）台站观测数据进行比较,两者一致性较好且均方根误差较小,分别为1.44 cm和1.77 cm,表明联合升、降轨InSAR观测和地震位错模型约束构建同震三维形变场方法具有较高可行性,显著降低了大地测量数据不足、InSAR观测对南北向形变不敏感等问题的影响。     

基于最小二乘平差的全极化SAR配准偏移量估计方法

全极化合成孔径雷达影像(PolSAR)相对单极化SAR影像有更加丰富的地表信息。为了提高SAR影像偏移量跟踪技术估算偏移量的精度,提出一种基于最小二乘平差法的全极化SAR数据偏移量估计方法。首先利用全极化SAR不同极化通道数据估算偏移量得到多个观测值,然后通过最小二乘平差法对多余观测值循环剔除粗差得到最优偏移量。文中选取美国科罗拉多州湖城(Lake city)区域的两景JPL无人机UAVSAR全极化SAR影像进行实验,结果表明,文中新方法具有良好的粗差探测和去除功能,相对于已有研究结果,在方位向和距离向的偏移量估算精度都有明显提高,达到15%~25%。新方法提高了偏移量跟踪估算偏移量的精度,这对利用偏移量跟踪技术监测滑坡、地震及冰川等有重要的意义。     

Cosmo-SkyMed X-band SAR data for classification of ice-free areas and glacier facies on Potter Peninsula,King George Island Antarctica

The climate change phenomena have been influencing terrestrial and glacial ecosystems around the planet. Maritime Antarctica is especially sensitive to these climate variations and over the last 50 years increasing global air temperatures have caused extensive glacial retreat. The objective of this study is to evaluate the potential use of the SAR technology in monitoring the surface dynamics of the Potter Peninsula, King George Island, maritime Antarctica. An image generated by the SAR satellite COSMO-SkyMed, obtained on 2 February 2011, was used to extract the backscattering values of targets on the surface for further processing and classification, using a supervised statistic classifier of maximum likelihood for the determination of the surface classes. The average backscattering of water bodies presented high similarity, which made its separation unattainable. On the other hand, the surface classes’ bare ice and wet snow over the glacier presented distinct average backscattering values, which allowed an efficient and precise classification using only this parameter. The classification process showed satisfactory results for periglacial environments, presenting high fidelity to the field data.     

Using cosmo-skymed images to detect wet snow cover on the Kraków Ice Field,King George Island,Antarctica

This work analysed the spatio-temporal variation of snow cover on the Kraków Ice Field, located in the King George Island, Antarctica. High spatial resolution images of COSMO-SkyMed were used in this study. These X-band images are vertically and horizontally co-polarized and their intensity data were converted to amplitude (dB). The COSMO-SkyMed images were classified by a minimum distance algorithm and post-classified based on knowledge of adjacency relationships of snow zones. Hypsometric, slope, aspect and solar radiation maps to support the interpretation of backscatter patterns in the COSMO-SkyMed images. Three radar zones were classified in these images: percolation, slush and wet snow radar zone. Positive surface air temperatures and rainfall events, registered from a meteorological station, lead to increase in wet snow and slush zones. The COSMO-SkyMed images and minimum distance algorithm were adequate to discriminate the snow cover and to assess the supraglacial melting pattern during the ablation season in the study area.     

综合遥感解译2022年Mw 6.7青海门源地震地表破裂带

2022-01-08中国青海省门源县发生Mw 6.7地震,直接导致兰新高铁受损停运,引起了国内外的高度关注。为了评估交通网的受损情况,提出一种综合光学遥感影像、合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）影像、无人机影像和激光雷达（light detection and ranging, LiDAR）数据解译地震地表破裂带的技术框架。针对此次门源事件,首先,获取高分1号（GF-1）、高分7号（GF-7）、Sentinel-2光学遥感影像和Sentinel-1A SAR影像,根据GF-1和GF-7光学遥感影像确定地表破裂带的空间分布特征,并利用光学像素偏移量技术估计东西向和南北方向二维地表形变场;其次,利用SAR像素偏移量技术获取距离向和方位向地表形变场, 同时利用差分干涉技术获取雷达视线向的地表形变(即距离向);然后,采用运动结构恢复技术处理无人机影像获取高精度的数字地表模型;最后,综合利用上述信息精确确定地震地表破裂的空间分布和地表形变特征。结果表明,此次地震东西向最大形变量约为2.0 m,距离向最大形变量约为1.5 m,该破裂带总长约为36.22 km。结合门源地区公路交通网,基于机器学习方法支持向量机模型对历史地质灾害点的分布以及地表破裂带进行分析,发现此次地震对高速公路带来的影响最大,对乡道的影响最小;交通干线G0611和G338东南段具有很高的灾害风险。所提技术框架可精密地解译地表破裂,在地震减灾中直接发挥作用。     

控制点布设对冰川区无人机摄影测量精度的影响

冰川监测是冰冻圈科学研究中的一项重要基础内容,获取高质量冰川DEM和DOM数据是研究的基础。随着无人机技术的兴起,给冰川监测提供了全新的技术手段,然而冰川区开展无人机摄影测量时,地面控制点的布设与测量成为能否获取高精度数据产品的关键,而山地冰川往往伴随着地形复杂,行走困难,野外实地测量难以全面实施等不利因素。本研究中以位于祁连山西段大雪山地区的老虎沟12号冰川末端部分为研究区域,设计实施了多种控制点布设方案,使用低空微型无人机飞行3个架次,获取研究区航摄影像。通过对比控制点在不同分布情况及数量情况下,DEM和DOM数据检查点的精度,评价不同控制点布设方案的可行性。对比结果显示,在航飞过程中使用单格网模式即可获取高精度的影像数据;实施地面控制作业时,使用5—7个控制点均匀分布在测量区即可获取较高精度的图像数据;当冰川区不能满足均匀布设控制点时,可沿冰川主流线布设足够数量的控制点,所得图像精度也可以满足冰川学研究要求;若只能在冰川中下部或者中上部布设控制点,则控制点应覆盖冰面起伏较大的区域。     

甘肃黑方台黄土滑坡InSAR识别、监测与失稳模式研究

采用合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）技术对甘肃黑方台地区潜在的黄土滑坡开展了多时相编目、长时序监测以及失稳模式识别研究。首先,采用不同空间分辨率、不同波长的历史存档合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）数据对黑方台地区2006-12至2017-11间的潜在滑坡开展了识别研究,在2006-12至2011-03和2016-01至2016-11两个时间段均识别出数10处不稳定坡体,实地调查和光学遥感影像验证了InSAR技术识别结果的可靠性与准确性。然后,对典型不稳定滑坡体采用高空间与高时间分辨率的TerraSAR-X数据开展了长时序监测,结果表明,在InSAR监测期间,累积形变最大的滑坡体在随后的时间里均发生了滑动,并成功地捕获到滑坡体形变加速的时间点。最后,利用升降轨SAR数据开展了黄土滑坡二维形变监测研究,基于滑坡的二维形变特征并结合地形图以及光学遥感影像进一步研究了滑坡的失稳模式,现场调查结果验证了所获得滑坡失稳模式的准确性。     

Generation of three-dimensional deformation maps from InSAR data using spectral diversity techniques

The capability of DInSAR (Differential Interferometric SAR) for precise large-scale deformation analysis has been shown in various case studies. Generally, DInSAR possesses a high potential for monitoring deformation, but only the velocity component parallel to the line-of-sight direction can be measured. An alternative approach, capable to retrieve the deformation velocity in both range and azimuth direction, is the so-called spectral diversity technique. Spectral diversity is based on a phase comparison between different sub-aperture interferograms of the scene and can generally be regarded as a high-performance technique for estimating the mis-registration between complex SAR images.In this paper, the following questions will be discussed: how to implement the spectral diversity technique for achieving the most accurate results; how to extract the full 3D deformation vector from a combination of ascending/descending passes and how to extract a surface deformation map if the data sets are not perfectly coherent. Finally, a statistical analysis of every individual processing step and an error propagation analysis is undertaken. In order to make a quantitative analysis of the technique, ENVISAT data sets of the Bam earthquake in Iran are used.     

基于纹理特征的SAR影像各拉丹冬冰川信息提取

冰川面积是监测冰川变化信息的重要参数。本文以各拉丹东地区为例,根据冰川区域特有的纹理特征,选取时间间隔为35天的ENVISAT ASAR干涉对,利用灰度共生矩阵提取纹理特征,通过波段组合进行监督分类,进而提取研究区冰川面积。同时以Landsat TM光学影像为依据,评价利用纹理特征提取结果的精度。研究表明:基于纹理特征并利用SAR影像提取冰川面积的方法是可行的,为提取冰川信息提供了又一可靠手段。     

基于有理多项式模型的星载高分InSAR影像制作数字高程模型的研究

合成孔径雷达干涉测量是一种利用SAR影像复数据的相位信息提取地面三维信息的技术,它通过获取地面目标在两幅SAR影像上的相位差值来解算该点的三维坐标。有理多项式（RPC,Rational Polynomial Coefficient）模型作为一种数学意义上的几何模型,它独立于传感器和平台,简单且具有通用性,可建立地面任意坐标与影像空间的关系。本文在RPC模型用于替代星载SAR的距离多普勒模型和星载InSAR的干涉相位方程基础上,研究 RPC模型应用于星载高分辨率InSAR影像制作DEM的可行性和精度。利用兰州COSMO-SkyMed数据和资源三号三线阵数据制作的DEM为参考数据进行实验验证,RPC模型用于InSAR技术生成的DEM,中误差为7.55米。