基于MERIS水汽数据的ASAR干涉图改正

水汽延迟是InSAR技术的重要误差源,已成为高精度差分干涉测量的主要限制.本文比较分析了GPS与MERIS可降水量反演结果以及水汽变化量探测结果,研究发现两者探测到的水汽含量和水汽变化量均存在较好一致性.在此基础上,以南加州地区为例验证了差分MERIS PWV用于同步ASAR干涉图水汽改正的可行性,经过水汽改正干涉图质量提高了约23%,并进一步对比了InSAR形变监测结果与GPS探测到的形变,比较结果表明,消除水汽影响后干涉图形变结果可靠性提高了19%.     

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〖JP2〗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〖JP〗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.     

基于垂直剖面函数式的全球对流层天顶延迟模型的建立

对流层延迟是无线电导航定位的主要误差源之一,其值对目标高程的变化敏感.在动态导航定位中,由于目标高程变化随机性强,延迟改正实时性需求高,已有的对流层延迟模型难以满足应用需求.本文利用2005到2006年ERA-Interim再分析气象资料积分方法计算的对流层天顶总延迟(ZTD)、天顶静力学延迟(ZHD)以及天顶非静力学延迟(ZWD)的垂直剖面研究了ZTD随高程变化的最佳拟合形式,并以此为基础建立了全球ZTD改正模型SHAO-H.该模型以大气中水汽的垂直分布规律为依据,将ZTD表示为高程的分段函数,进而再模制每段函数中各参数随时间的变化.精度评估显示:与积分ZTD相比,SHAO-H模型计算的ZTD在不同等压层上的平均bias大部分在±1 mm以内,随着高度的上升,平均RMS由39 mm减小至不足1 mm;与IGS (International GNSS Service)实测ZTD相比,SHAO-H模型的精度(bias为7.02 mm,RMS为38.50 mm)优于UNB3m模型(bias为14.67 mm, RMS为51.95 mm).SHAO-H模型具有精度稳定、计算简便等优点,适宜任意高度的用户使用.     

一种InSAR大气相位建模与估计方法

为了削弱大气延迟对干涉结果的影响以提高InSAR的测量能力,本文在InSAR大气相位特征分析的基础上,研究了一种新的InSAR大气相位建模与估计方法.首先采用稳健估计确定大气垂直分层部分的模型参数,然后利用基于Matern模型的Kriging插值估计大气紊流部分,最后应用估计的大气垂直分层和紊流资料改正InSAR测量结果.利用覆盖河南义马地区的ASAR数据对本文提出的方法进行了验证,结果表明去除大气影响后,InSAR重建的DEM与参考DEM的高程差异的均方误差由19.5m降至5.3m,精度提高了约72%.同时,改正后的干涉图更合理地揭示了义马矿区的沉降漏斗情况,进一步验证了本文方法的有效性.     

亚洲地区ECMWF/NCEP资料计算 ZTD的精度分析

对流层延迟是卫星导航定位的主要误差源,气象观测的数值预报资料可用来计算对流层延迟改正量.本文通过分布于亚洲地区的49个GPS台站一年的实测ZTD资料,对利用欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)分析资料、美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料和NCEP预报资料,计算对流层天顶延迟(ZTD)改正的有效性和可能达到的精度进行了评估,分析了ECMWF和NCEP在亚洲地区的适用程度和其分辨率对计算ZTD精度的影响.研究结果表明:(1)相对于 GPS实测ZTD,用ECMWF资料计算ZTD的bias和rms分别为-1.0 cm 和2.7 cm,优于NCEP再分析资料,可用于高精度ZTD研究和应用;NCEP预报数据计算ZTD的bias和rms分别为2.4 cm 和 6.8 cm,足以满足广大GNSS实时导航定位用户对流层延迟改正的需要.(2)bias和rms呈现明显的季节性变化,总体上夏季大,冬季小;在空间分布上随着纬度的变化不明显,但随高度的增加rms总体上有递减趋势.另外还发现,亚洲东部地区夏季日平均bias和rms和南部热带地区冬季的日平均bias和rms变化相对较大.(3)ECMWF2.5°和0.5°的资料进行了对比分析,发现0.5°分辨率资料的rms比2.5°减小1~5 mm.这些结果,为在亚洲地区的空间大地测量、导航定位和INSAR等工作中,应用ECMWF/NCEP的资料进行对流层大气延迟改正的有效性和可能达到的精度提供了重要参考.     

一种新的全球对流层天顶延迟模型GZTD

对流层延迟是GNSS导航定位主要误差源之一,主要受气象参数(如总气压、温度和水汽压等)的影响,具有变化随机性强的特点.本文利用 GGOS Atmosphere提供的2002-2009年全球天顶对流层延迟格网时间序列研究了全球对流层天顶延迟的时空变化特征.并以此为基础对全球天顶对流层延迟(Zenith Troposphere Delay, ZTD)进行建模,提出了一种基于球谐函数的全球非气象参数对流层天顶延迟改正模型--GZTD模型.实验对比结果表明考虑ZTD经纬向变化的GZTD模型内符合精度全球统计结果(bias:0.2 cm,RMS:3.7 cm)优于只考虑ZTD纬向变化的UNB3m (bias:3.4 cm,RMS:6.0 cm)、UNB4 (bias:4.7 cm,RMS:7.4 cm)、UNB3 (bias:4.0 cm,RMS:7.0 cm)和EGNOS (bias:4.5 cm,RMS:6.9 cm)等模型.使用全球385个IGS站进行外符合检验,统计结果表明GZTD模型(bias:-0.02 cm,RMS:4.24 cm)同样优于其它模型.GZTD模型具有改正效果良好、使用简单、所需参数少等优点.     

电离层对SAR干涉测量的影响综述

InSAR是一种能够全天候、高精度、大面积获取地形、形变细部信息的高效工具,而大气层中的电离层是制约InSAR精度和可靠性其中一个很重要的因素,对L波段及低频InSAR的影响尤为严重.本文着重从电离层延迟误差,距离向和方位向偏移现象以及法拉第效应等三个方面介绍电离层TEC及闪烁对InSAR相干系数、干涉相位及其产品的影响,并给出相应的改正方案.紧接着,给出一些应用实例.最后,对InSAR中的电离层效应进行了总结和展望.     

高级时序InSAR地面形变监测及地震同震震后形变反演

差分干涉测量技术(differential interferometry technique,D-InSAR)是在InSAR技术基础上发展起来的,主要应用于测量地表微小形变。该技术在监测地震形变、火山活动、冰川运动、城市地面沉降以及山体滑坡等领域得到广泛应用,但实际研究中存在很多局限性,例如轨道参数误差、地形数据误差、大气延迟误差、时空去相关引起的相位解缠误差以及系统噪音误差等。这些因素成为InSAR高精度形变探测应用的主要限制。InSAR时序分析方法是目前解决常规D-InSAR处理过程中各种精度制约因素的主要方法之一。本文以InSAR时序分析中几个关键技术问题为研究目标,开展InSAR时序关键技术研究。本文取得的创新点如下:(1)在传统相干点提取方法的基础上,提出了一种新的提取方法:满秩相干点。该方法将干涉冗余网络图中节点和边结合起来构建满秩矩阵,并依此作为相干点提取指标。实验结果表明,满秩相干点提取法不仅能有效提高相干点的空间分布密度,而且能保留相干点的最优测量精度。(2)将大气延迟相位分成3种分量,即长波长大气相位、短波长大气相位以及地形相关的大气相位。在此基础上,利用网络法分别对3种类型大气延迟相位进行校正。网络法可以估算出每个时刻的大气延迟误差,再重构每一幅干涉图的大气延迟误差。实验结果分析表明,采用网络法能精确模拟出每个时刻大气延迟误差和每幅干涉图中的大气延迟相位。(3)离散点相位解缠误差是时序分析过程中主要误差源之一,直接影响后续时序分析结果的精度。本文提出一种利用网络闭合环残差方法,对离散相干点相位解缠误差进行检测和校正。该方法可以有效识别出离散相干点解缠相位中相位跳变;同时,本文也介绍了离散相干点解缠相位跳变校正的方法。(4)基于相干矩阵满秩条件,提出一种新的InSAR时序反演策略。利用干涉冗余网络图中各条边和节点之间的关系,采用最小二乘方法解算各个时刻点的形变特征,以有效解决传统InSAR时序反演过程中的秩亏问题。通过Bam地震震后时序形变场提取,在羊八井电站地热开采地下水引起地面沉降监测以及北京市地面沉降监测等几种典型应用中,验证了该方法的有效性和精确性。在关键技术突破的基础上,本文利用提出的新方法,获取了2008年10月6日西藏当雄MW6.3地震同震形变和震后地表形变时序,研究发震断层参数和震后运动过程的动力学机制。利用同震形变反演得到断层几何参数及滑动分布模型为先验知识,以InSAR时序方法获得震后形变时序资料为约束,分别利用震后余滑模型和震后黏弹性松弛模型,研究当雄地震震后断层的运动过程,同时对青藏高原南部中低地壳或者上地幔的黏性系数进行估计,并给出了最优拟合解。     

基于GNSS的再分析资料对流层延迟精度评估

对流层延迟对导航定位精度有着重要的影响,而再分析资料提供的高精度气象参数计算的对流层延迟可应用于定位过程中以提升定位精度.本文针对三种再分析资料计算的对流层延迟进行精度评估,并将其应用在精密单点定位中,分析其对定位精度的影响.首先,利用2020年全球范围内125个IGS(International GNSS Service)站的对流层天顶总延迟(Zenith Total Delay, ZTD)作为真值对三种再分析资料(ERA5、MERRA2、CRA40)计算的ZTD进行了精度评估,并分析其时空分布特性.研究结果表明：ERA5-ZTD的均方根误差(RMS)最小(12.1 mm),其次为CRA40-ZTD(15.8 mm)和MERRA2-ZTD(16.9 mm),整体上ERA5-ZTD的精度最高;据所选的IGS站点的比较结果发现赤道平均偏差(BIAS)呈现负值,在中高纬度地区CRA40的精度优于MERRA2,在低纬度地区则相反,而ERA5在各纬度平均精度均为最优;当考虑季节因素时,三者计算的ZTD-RMS在夏秋季较大,其中ERA5的RMS季节变化最稳定.之后还利用180个探空站点对三者计算...     

基于GPS和MODIS的ENVISAT ASAR数据干涉测量中大气改正方法研究

GPS数据用于改正InSAR中大气延迟误差的方法受GPS站点密度的限制,只利用有限的几个站点所观测到的大气数据来生成干涉图的大气改正图,往往达不到很好的效果.本文研究利用GPS与MODIS数据的联合使用来生成大气改正图,首先用GPS数据对MODIS水汽产品进行分块校准,并且对MODIS水汽数据进行了空间结构函数分析,得到研究区域内水汽场的空间分布规律.然后把这种区域水汽场的空间分布信息结合到Kriging内插法中生成更为合理的水汽图.通过上海地区ENVISAT ASAR数据的实验发现,这种加以改正的GPS和MODIS数据联合改正法不仅可以对长波大气信号有明显的消弱,还能消弱一些短波的大气信号,特别是一些幅度较强的短波信号;经过GPS+MODIS算法改正后,短波信号占优和长波信号占优的两幅差分大气延迟图的整体RMS分别降低了32.74%和38.82%,去除幅度较大.与GPS+ATM(大气传输模型)算法比较,我们发现,在上海地区有限的数据条件下（即研究区域内只有6个GPS点）,GPS+MODIS法在大气去除效果或者说大气信号重现能力方面优于GPS+ATM算法.GPS+MODIS算法在捕获短波大气信号方面要比GPS+ATM更有优势,因此也可以改正短波大气误差.     

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...     

Atmospheric effects on repeat-pass InSAR measurements over Shanghai region

It is well known that interferometric synthetic aperture radar (InSAR) measurements are affected by the atmosphere especially the troposphere. We use Shanghai as an example to analyze the properties of the effects based on a number of SAR interferograms over the region. First, Radon transform is used to examine the isotropic property of the effects. The results show that the effects in all the interferograms are anisotropic although they exhibit different patterns. Two different methods, the Jarque-Bera and the Hinich tests, are then applied to test the Gaussianity of atmospheric effects. Both of the tests reveal that the atmospheric effects are non-Gaussian. Finally, spectral analysis of the atmospheric effects is carried out and the results show that the power spectra of the atmospheric signatures in all the interferograms studied follow approximately the power law distribution. The scaling exponents estimated show that the atmospheric signatures in all the interferograms are non-stationary but with stationary increments. It is estimated based on the estimated scaling exponents that external data with spatial resolutions as high as about 0.3 km, are required to determine and correct for over 90% of the atmospheric effects in the SAR interferograms.     

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。     

PS-InSAR processing methodologies in the detection of field surface deformation—Study of the Granada basin (Central Betic Cordilleras,southern Spain)

Differential SAR interferometry (DInSAR) is a very effective technique for measuring crustal deformation. However, almost all interferograms include large areas where the signals decorrelate and no measurements are possible. Persistent scatterer interferometry (PS-InSAR) overcomes the decorrelation problem by identifying resolution elements whose echo is dominated by a single scatterer in a series of interferograms.Two time series of 29 ERS-1/2 and 22 ENVISAT ASAR acquisitions of the Granada basin, located in the central sector of the Betic Cordillera (southern Spain), covering the period from 1992 to 2005, were analyzed. Rough topography of the study area associated to its moderate activity geodynamic setting, including faults and folds in an uplifting relief by the oblique Eurasian–African plate convergence, poses a challenge for the application of interferometric techniques. The expected tectonic deformation rates are in the order of ～1 mm/yr, which are at the feasibility limit of current InSAR techniques.In order to evaluate whether, under these conditions, InSAR techniques can still be used to monitor deformations we have applied and compared two PS-InSAR approaches: DePSI, the PS-InSAR package developed at Delft University of Technology (TU Delft) and StaMPS (Stanford Method for Persistent Scatterers) developed at Stanford University. Ground motion processes have been identified for the first time in the study area, the most significant process being a subsidence bowl located at the village of Otura.The idea behind this comparative study is to analyze which of the two PS-InSAR approaches considered might be more appropriate for the study of specific areas/environments and to attempt to evaluate the potentialities and benefits that could be derived for the integration of those methodologies.     

基于GPS和大气传输模型的InSAR大气改正方法研究

利用GPS数据改正InSAR大气影响中,GPS站网的低空间密度是限制改正精度的一个主要因素.文中引入大气传输模型（ATM）来考虑大气状态在时间上的演化,并兼顾了风向的估计,把GPS-ZWD（GPS湿延迟）时间序列观测值转换为空间上分布比较稠密的GPS-ZWD网络,然后利用该稠密网络在空间上内插产生水汽延迟图,来更好地模拟InSAR影像获取时刻的水汽场,提高大气改正精度.实验结果表明,在研究地区有限的数据条件下（即只有6个GPS点的情况下）,GPS+ATM算法在重现大气信号能力方面比单纯的使用影像获取时刻的GPS-ZWD数据要强,并且其对长波的大气误差去除更明显;用来做实验的三幅差分干涉图中,GPS+ATM算法对两幅以长波信号为主的干涉图中的大气影响分别降低了21.7%和22.6%,比仅使用SAR过境时刻GPS-ZWD数据时的结果分别改进了4.5%和8.7%.而对以短波信号为主的干涉图没有明显提高.     

InSAR大气误差改正及其在活动断层形变监测中的应用

为了获取青藏高原东北缘老虎山断裂带精确的震间形变速率场,通过对短时间基线干涉图大气改正效果的评价,从3种外部大气数据(MERIS, ERA-Ⅰ, WRF)中确定出最优的大气改正方法,用于长时间基线干涉图中的大气信号改正;然后利用层叠法(stacking)累积平均经大气和轨道改正后的干涉图,获取了研究区的震间形变速率场.结果显示:海原断裂系统区域内,MERIS和ERA-Ⅰ的大气改正效果优于WRF;MERIS和ERA-Ⅰ的改正结果给出了相似的形变速率场,断层两盘相对形变速率为视线向2.5 mm/a,转换成平行于断层方向为6.5 mm/a,与GPS结果一致;在近断层5 km的范围内,出现了较大的形变梯度,揭示了浅层蠕滑的存在.      

基于多期DInSAR数据的2016年定结地震序列发震断层特征研究

2016年5月22日,在西藏定结县发生四次MW4~5地震,研究本序列地震的发震断层几何和运动特征对于认识周边活动断裂性质具有重要意义.由于发震地区偏远,且观测台网分布稀疏,本研究采用星载雷达干涉测量(DInSAR)技术进行了同震形变场重建,但是定结地震震级较小,单干涉像对获取的形变场受相位噪声影响较大.为了解决这一问题,本研究基于时间序列Sentinel-1A干涉数据生成多期同震与非同震干涉图,并利用叠加平均法对本次定结地震同震形变场进行重建,提取了定结2016年5月22日多次地震产生的同震累计整体形变场.基于InSAR同震形变场和区域地质特征,研究进行了滑动分布反演,确定其主要贡献的发震断层几何参数及滑动分布:断层走向为188°,倾角为43°,平均滑动角为78°,发震断层的运动性质以正断为主兼具少量左旋走滑分量,滑动主要集中在断层垂直深度0~9km处,最大滑动量约为25cm,位于断层倾向深度3km处,反演得到的矩震级为MW5.58.本研究结果表明采用星载InSAR叠加平均技术可以较好地压制相位噪声,有效提取此类中小型浅源地震同震微弱形变场.最后,我们认为本次定结地震与藏南拆离断层与申扎-定结断层的活动密切相关.