基于BFGS法融合InSAR和GPS技术监测地表三维形变

虽然InSAR技术具有高精度、大范围和高空间分辨率等优点,但只能监测雷达视线方向上的一维地表形变;而GPS技术虽可以监测地表的三维形变,但其空间分辨率很低.本文针对融合InSAR和GPS技术监测地表高空间分辨率三维形变展开研究.首先证明了简单的局部最优化迭代算法就能求得综合InSAR和GPS监测地表形变速率的能量函数模型的全局最优估值.随后提出了利用BFGS局部最优算法反演最优的地表三维形变速率.该方法既能避免全局最优化算法计算复杂且难以收敛的问题,又能克服传统的解析法中数值计算不稳定的缺点.最后,通过模拟实验和美国南加州真实数据实验表明,该方法能够得到高精度的地表三维形变速率场.而且当观测或插值误差导致解析法误差较大时,BFGS方法仍能得到高精度、稳定的全局最优解.     

注重地质构造差异布局提升地壳形变监测能力

对现今地壳形变观测技术不断向高精度、高分辩和高效便捷发展的趋势下,如何根据地质构造活动背景和构造变形模式差异布局、提升地壳形变监测能力的问题进行了研究.进而探讨了针对鄂尔多斯西南缘区域构造动力背景和变形模式特点,优化监测布局、有效捕捉地形变异常动态信息的一些思路和方法.     

注重地质构造差异布局 提升地震形变监测能力

本文通过对我国西部地壳形变监测与地震预测实践的简要回顾, 结合2001年昆仑山口西8.1级、 2008年汶川8.0级大地震前区域地壳运动变形背景的已有研究结果, 分析阐述了在现今地壳形变观测技术不断向高精度、 高分辨和高效便捷发展的趋势下, 注重地质构造活动背景和构造变形模式差异布局, 提升地震形变监测能力的必要性和重要性。 进而根据鄂尔多斯西南缘区域构造动力背景和变形模式, 探讨了针对这一重点监视区优化监测布局、 有效捕捉地形变异常动态信息的一些思路和方法。     

北京市地震局GPS形变监测工作系统的建设

GPS技术在监测地震与地壳运动中已经得到应用，北京市地震局在北京市2002年启动建设的全球卫星定位综合应用服务系统基础上，于2003年开始GPS形变监测工作系统的建设，这是一个小区域连续的高密度GPS形变监测工作系统，获取高精度的北京市GPS基准站地心三维坐标，为地震监测和地壳运动的科学研究提供良好的GPS数据素材。     

汶川地震断层滑动及形变演化模拟研究

2008年5月12日,四川汶川Mw7．9地震发生在青藏高原东缘龙门山断裂带的北川和彭灌断层上,地表破裂最大右旋走滑4．9m。地震发生后,中国地震局立即组织了GPS、In—SAR、地质等监测。中国地震局地震研究所在完成GPS监测任务的同时,复测了四川GPS控制网A级和B级点、三角点,获得464个高精度GPS同震形变。并根据其中13个1HzGPS连续站数据获得震时动态形变序列,用震后GPS监测网获得震后8个月47个站的震后形变序列,用日本宇航局的ALOSPALSAR数据获得InSAR同震形变场。     

局部区域GNSS地壳形变监测系统设计与精度分析

为探索页岩气开采与地壳形变的关系、地表形变对页岩气压裂的响应等,布设一套GNSS跨断层形变监测系统。该系统综合使用静态和动态测量方法采集地表形变信息,结合多种GNSS定位方式增加监测区域地表动态位移信号探测的可靠性,并利用网络通讯与云服务器实现数据的自动化传输、设备的远程管理和站点的动态监测。考虑到测量误差与形变量之间的可区分度问题,文章从测量精度方面进行详细的分析。静态测量计算结果表明,单日基线解和PPP静态解精度在水平和垂直方向均可达到10 mm以内。四川泸定6.8级地震动态定位计算结果表明,RTK解、PPK解和PPP动态解时间序列中,瞬态地表位移信号的可识别程度也可达到10 mm以内。精度分析结果认为该系统可以较好地反映监测区域的部分长期和瞬态形变信息。     

中国大陆地壳形变GNSS站网简述及数据产品应用现状

自20世纪80年代中期以来,GNSS技术在高精度地壳运动观测与构造形变研究中取得了丰硕的成果,为大地测量、地球动力学研究和防震减灾等诸多领域的业务深化和应用拓展提供了强大的技术支撑。本文在回顾中国大陆地壳形变GNSS站网发展历程的基础上,阐述该网络产出的中国大陆长期构造运动速度场、中国大陆应变率场、位移时间序列、基线时间序列和多边形应变时间序列等几类基础产品,分析这些产品在中国大陆构造运动动态趋势和地震预测分析中的应用情况以及所面临的瓶颈问题,最后展望未来GNSS在高精度地壳运动监测应用中的发展方向。以中国大陆构造环境监测网络为基础,大力推进国内海量GNSS观测数据的共享,提升GNSS多系统融合定位精度,将产出更为精细的科学产品,更好地服务于中国大陆地壳运动和地震预测分析等研究。     

深度学习在InSAR数据处理与地壳形变观测中的应用研究进展

InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技术凭借其高精度、大范围、全天候监测的优势,在地表高程、形变等信息的获取、反演等应用中得到了广泛的认可,并逐渐发展为地壳形变观测领域里不可或缺的技术手段,但利用InSAR技术进行地壳形变观测离不开海量数据的支持,这势必会给信息的收集和解读带来新的挑战。近些年,机器学习快速发展并在遥感图像处理方面取得了令人鼓舞的成绩,将深度学习方法与InSAR技术相结合的尝试应运而生,深度学习突出的数据挖掘能力和对目标任务的分类、预测能力将会为InSAR数据处理和地壳形变观测中的应用提供新技术手段。本文介绍了深度学习在InSAR数据处理与地壳形变观测中的应用研究主要进展,并对其应用前景进行了讨论和展望。     

数字地震台网大震前地脉动变化实时跟踪系统

通过计算机对数字地震台网产出的大动态、高分辨率、高精度的地震波形数据进行的定时采集部分数据跟踪分析,发现有些台站大震前地脉动波形的幅度和周期有明显异常变化,实时捕捉这些异常信息,把监测与预报工作相结合,将为区域性地震预报提供比较可靠的实证前兆信息.     

数字地震台网大震前地脉动异常实时跟踪系统(RTTS)

通过计算机对数字地震台网产出的大动态、 高分辨率、 高精度的地震波形数据进行的定时采集部分数据跟踪分析, 发现有些台站大震前地脉动波形的幅度和周期有明显异常变化, 实时捕捉这些异常信息, 把监测与预报研究相结合, 将为区域性地震预报提供比较可靠的实证前兆信息。     

基于PSInSAR技术的海原断裂带地壳形变初步研究

常规差分干涉测量(DInSAR)受时间、空间失相干的严重制约和和大气延迟等相位误差的影响,难以实现对长期累积微小地壳形变场的有效探测.PSInSAR技术克服了常规DInSAR的局限性,能够高精度监测微小地壳形变.本文首先介绍了PSInSAR技术的算法模型和处理方法.该方法通过二维线性相位模型,对时序干涉图象上相干点目标...     

三维激光扫描仪在跨断层形变监测中的实验研究

三维激光扫描系统是集成了多种高新技术的非接触式主动测量方式的对地观测系统。该技术可一次性获取监视区域密集点云数据,将传统的以点代面的监测方法发展为地形、地物三维空间观测,既可进行区域微变形监测,亦可对兴趣点的变形进行监测。当前应用研究主要针对断层活动相关的构造地形、地貌展开,其在高精度跨断层形变测量领域应用较少。以唐山地震台跨断层形变观测场地为试验场地,检验该技术用于跨断层形变测量的可行性。经过多次实验,目前中短距离上可检测到毫米级的变化量。随着研究的不断深入,其在断层三维形变监测中有着很大的应用前景。     

GPS天线相位中心变化精确检测试验研究

天线相位中心误差是高精度地壳形变监测中制约定位精度的重要误差源,天线相位中心改正已成为提高观测精度的有效手段.文中对基于精密测量机器人的GPS天线相位中心变化精确检测方法进行了试验研究,并对试验数据进行初步分析,得到的天线平面校正精度约为2mm,高程方向校正精度约为3mm.研究结果表明,天线相位中心的精确校正除了可以提高GPS测量定位精度之外,还可为中国自主北斗导航系统提供精确的天线相位中心校正参数,推动北斗导航系统在高精度地壳形变监测领域的应用.     

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.     

北斗导航定位系统（BDS）下地壳运动监测精度分析

为分析北斗导航定位系统（BDS）在地壳运动监测领域的数据精度,选取中国大陆构造环境监测网络（陆态网络）2018—2019年川滇地区GPS、BDS多系统观测站点数据,分别对GPS、BDS记录的数据进行解算,从三维坐标解、位置时间序列及速度场等方面,对比分析二者在地壳运动监测中的不同,综合分析BDS对地壳运动监测精度。结果表明,BDS定位精度达到cm级,但仍低于GPS精度,BDS、GPS速度场模型运动方位和速度值有所不同,垂向差异较为明显。总体来看,北斗系统数据满足高精度定位解算要求,可用于监测形变量较大的区域地壳运动。     

PS-InSAR技术在西秦岭北缘断裂带地壳微小形变监测中的应用

D-InSAR技术可以测得地壳垂直形变精度达到mm级,但由于其受空间、时间失相干和大气延迟的限制,导致其在监测地壳长期缓慢形变中的应用受到限制。而PS-InSAR作为D-InSAR技术的创新,在克服时间失相干的同时还可以计算并消除大气影响,使得干涉处理得到的结果更加精确。文中以西秦岭北缘断裂带甘谷地区为实验区,利用从2008年5月至2010年9月共14景ENVISAT ASAR数据,采用PS-InSAR技术对该实验区地壳微小形变进行探测。研究结果得到西秦岭北缘断裂带甘谷地区断裂带南北两盘的相对滑动速率约为5mm/a,点目标的形变速率和形变方向均与西秦岭北缘断裂的左旋运动特征相符,并与其他学者的研究结果有较好的一致性,表明PS-InSAR技术在监测地壳微小形变中具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。     

基于MSBAS InSAR技术的沧州市地表形变监测与分析

针对沧州市城市地表形变监测问题,采用SBAS InSAR技术分别处理Sentinel-1A升轨和Sentinel-1B降轨SAR影像,对比分析升、降轨SAR影像监测的沧州市2020年7月至2021年4月地表形变特征;利用MSBAS InSAR技术联合处理升、降轨SAR影像,将沧州市地表形变进行垂向和东西向的二维形变分解,获取沧州市二维形变信息.结果表明,升、降轨SAR影像监测的地表形变位置和分布基本一致,但由于LOS向模糊问题,单独利用升轨或降轨SAR影像监测到的形变区域有所偏移,且无法分离出地表的东西向形变,影响监测结果的精度,MSBAS InSAR技术可以有效解决这一问题,获取更准确的二维形变信息.     

基于小波分解与同步挤压变换的西昌小庙台形变典型干扰的时频响应特征研究

为高精度识别定点潮汐形变观测中干扰信号的时频响应特征,提出一种基于小波分解和同步挤压变换的形变干扰数据分频时频分析方法.首先,选用合适的小波基和分解层数对原始数据做多尺度分解和重构,提取出目标异常干扰分量信号;其次,基于分频策略采用高频分辨率较好的同步挤压广义S变换处理高频干扰分量,采用低频分辨率较好的同步挤压小波变换处理中低频干扰分量,同步挤压变换可以在传统方法结果基础上进一步“挤压”瞬时频带,获得更高精度的时频谱结果.利用该方法处理分析2016—2020年西昌小庙台形变观测中受调零标定、人为进洞、道路施工交通、抽水、降雨、地震波等因素影响的典型干扰数据,得到各类形变观测手段在不同干扰因素下的时频响应特征,为准确识别干扰及异常特征提供时频谱特征方面的参考.     

InSAR技术在监测形变中的干涉条件分析

针对InSAR技术在形变监测领域中的应用,本文从分析D-InSAR的干涉机理对其约束条件出发,重点研究空间去相关和形变梯度这两个关键指标对形变信息提取的影响.研究针对不同系统参数的传感器来展开,并论证这两个因素对干涉测量的限制.本文的创新性工作主要集中在以下几个方面: (1)分析了各传感器参数下的临界坡度范围,进而确立了SAR传感器监测的无信息区域;(2)证明了在植被覆盖区,相干性分解必须考虑体散射分量,并依此对模型进行了修正;(3)明确了形变梯度与相位梯度的差异以及两者的函数关系,并将入射角引入形变梯度函数模型.(4)通过模拟数据和真实数据比较各传感器在不同条件下形变监测的优缺点,在统计分析的基础上进一步验证结论.本文的研究是对干涉测量条件的进一步补充,对于理解干涉成像机理、完善InSAR数值计算模型(形变梯度模型和相干性分解模型)以及帮助研究人员根据研究区域特征选择合适的InSAR数据具有一定的参考价值.     

基于DEM的三峡库区垂直形变场格林函数法模拟

利用全球免费的高精度DEM数据——SRTM数据,依据Farrell提出的质量负载产生的地壳形变理论,计算三峡库区3次蓄水后的垂直形变。结果表明,库区垂直形变分布严格遵守三峡库区新增库容,形变量随离岸距离增加急剧衰减,最大值出现在香溪段,坝区次之。