GPS与PS-InSAR联网监测的台湾屏东地区三维地表形变场

联合高精度的GPS水平位移观测和高密度的PS-InSAR雷达视线位移测量,实现地表三维形变的精确反演.本文在准确计算卫星轨道方位角基础上,使用GPS观测位移与星载雷达LOS方向形变的投影转换模型,将雷达LOS方向形变转换为垂直方向位移,并基于地面GPS与SAR影像PS目标联合构建形变监测网,采用参数平差算法估计区域地表形变场.以地质构造活动极其活跃的台湾岛及其西南屏东高雄地区为例,联合屏东地区48个GPS监测台站与雷达PS目标,监测该地区从1995-1999年间由于板块构造挤压运动和地下水抽取导致的三维地表形变.结果表明,该地区年均水平位移量为向西30~50 mm/a,高雄沿海地区发生明显的逆时针西偏南的逐渐增大的水平位移;垂直位移为屏东平原南部呈现-10 mm/a~-15 mm/a的地面沉降,而平原北部和高雄地区呈现约+5 mm/a~+10 mm/a的地面抬升.     

CRInSAR与PSInSAR联合探测区域线性沉降研究

本文提出一种CRInSAR与PSInSAR联合解算算法,并将该算法应用于区域线性沉降探测中.该算法将CR点上计算得出的形变速率值及高程改正值作为研究区域PS基线网络的约束,进而通过间接观测平差法估计出PS网沉降速率和高程改正值的全局最优解.算法实现了人工角反射器雷达干涉测量技术(CRInSAR)与永久散射体雷达干涉测量...     

永久散射体雷达差分干涉应用于区域地表沉降探测

永久散射体干涉测量技术可以克服常规干涉方法在区域地表形变测量中的雷达信号失相关和大气延迟影响. 本文对基于永久散射体的干涉处理全过程进行了分析, 基于差分相位的两个主要特性: 沉降信号时序相关、地形相位与空间基线成比例, 提出构建PS网络, 并采用间接观测平差法估计沉降速度网和高程修正网的全局最优解. 实验选取上海地区近10年间的ERS-1/2卫星C波段SAR数据进行干涉处理, 在永久散射体上分离形变信号、高程修正和大气分量, 并最终提取上海地区高分辨率地面沉降速度场, PS结果与地面精密观测成果吻合较好.     

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.     

基于方差分量估计的多源InSAR数据自适应融合形变测量

近年来,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地面沉降监测方面展现了巨大的应用潜力,但受其重访周期和一维形变测量能力的限制,仅利用单一轨道卫星观测数据很难揭示真实的地表形变特征及其演化规律.随着在轨运行的SAR卫星系统不断增加,使得融合相同时间段内覆盖同一区域的多源多轨道InSAR数据成为可能.然而目前普遍采用的多源InSAR数据融合方法均为针对大尺度形变监测设计,或者忽略南北向形变甚至水平形变,容易造成误判.为此,本文对经典小基线集(Small Baseline Subset, SBAS)时序InSAR分析方法进行改进,在其形变反演模型中加入东西向和南北向形变参数,采用方差分量估计方法解算多源观测数据验后方差,通过迭代精化确定权重矩阵,从而获得形变参数的最优估值.使用美国南加州地区的ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR数据开展实验,利用南加州综合GPS网(SCIGN)位于研究区域内的9个站点观测数据进行验证,结果表明本文方法得到的融合形变测量结果在垂直向上能够准确反映地表形变波动,周期性与GPS观测比较一致;同时,融合得到的三维形变场显示南加州洛杉矶地区存在不可忽略的水平形变,东西向形变测量精度略高于南北向.因此,基于方差分量估计的多源InSAR融合方法在提高形变测量时间序列连续性的同时,能够更准确地反演研究区域三维形变特征.     

基于小基线DInSAR技术监测太原市2003～2009年地表形变场

基于高相干点目标反演缓慢地表形变已成为当前DInSAR技术的研究热点.本文通过融合PS方法和相干目标法优点,采用小基线DInSAR技术提取城市地表形变场,并重点分析了地表线性形变的反演.在此基础上,以太原市为研究区,利用23景ENVISAT ASAR影像,提取了该市2003～2009年的地表形变场.研究结果表明:(1)...     

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...     

利用GPS与GRACE监测陆地水负荷导致的季节性水平形变：以喜马拉雅山地区为例

地表陆地水负荷变化是引起重力场和地壳形变呈现季节性特征的主要因素,并且能够利用地表及空间大地测量技术对其进行有效的监测.本文通过对质量负荷形变效应的理论模拟,描述了水平分量的形变指向以及垂直与水平分量的幅值比可以提高对负荷区域的辨别程度,并且联合GPS坐标时间序列及GRACE模型对喜马拉雅山地区的季节性负荷形变进行了详细对比分析,研究结果显示两者垂直分量的季节性变化具有较好的一致性,且GPS周年项幅值要大于GRACE.而由GRACE解算得到的水平分量结果表明该地区季节性形变主要受东南亚及印度东北部地区的陆地水负荷控制,位于喜马拉雅山地区多数GPS台站的垂直分量及北向分量的初相位与GRACE模型解算结果相近,而部分GPS台站的东向分量与GRACE模型存在明显不同,由此导致GPS与GRACE监测到的形变指向存在差异.通过对GRACE估算精度以及GPS垂直与水平分量幅值比的深入分析,发现GPS对局部周边地区的河流、谷地及农田灌溉等负荷变化造成的形变效应较为敏感,而GRACE由于截断阶次及平滑滤波等影响因素,不仅造成在水平分量上的分辨率远低于垂直分量,而且整体估算精度要低于GPS观测得到的形变信息.     

青藏高原东南边缘的运动学和动力学

在青藏高原东南边缘有一广大区域的地震活动性和GPS数据显示出形变活跃。本文描述该地区的活动断层作用,及其与GPS观测的速度场是何种的关系。在有些地方,速度场由垂直轴的旋转所调节,该地区地表的大部或全部应变看来都由地震所释放。然后将GPS观测速度与用重力驱动的形变模型所计算的速度进行比较。使用由实验导出的矿物流动定律计算的流变学,模型提供了与GPS观测速度非常一致的速度。不可能唯一地确定出深部的流变学或流动速度,与观测水平地表速度匹配的有两种类型的模型解。其一是垂直平面通过纯剪切形变,其二是地壳内存在水平速度的垂直梯度。该地区存在正断层作用地震的两个截然不同地区,其机制最容易由重力驱动的形变来解释。     

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.      

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.     

数学形态滤波法在GPS基线分析中的应用

通过GAMIT软件得到福建省连续观测GPS基准站基线时间序列,并引人数学形态滤波法,过滤基线中的白噪音和脉冲扰动.以福建省主要断裂带为研究背景,研究GPS基线时间序列、跨断层短水准观测资料与福建主要断层的相关性,分析了影响基线变化的因素,以及地壳水平运动与应力积累的关系.     

多轨PSInSAR监测华北平原地表垂直形变场

针对PSInSAR技术监测大空间尺度地表垂直形变场的不足,提出通过基准转换与数据拼接、融合不同轨道多个独立片区(Frame)获取大空间尺度地表垂直形变场方法.由于不同轨道主影像选取的参考基准不一致、不同轨道垂直基线不同、不同片区相位解缠的参考PS不同等因素影响,使得PSInSAR获得的不同轨道地表垂直形变场的空间基准存在差异,提取的地表形变信息不具有可比性.利用两个相邻片区重叠区域的PS点集,根据迭代最近点算法提取两片区公共区域内同名点,并兼顾同名点距离的权,精确计算两片区的配准参数,实现两片区的"无缝"连接,最后使各独立片区拼接成一个连续的大空间尺度地表垂直形变场.本文推导了多轨PSInSAR技术获得的不同片区形变场基准转换与数据拼接的数学模型,并以华北平原(115.32°E—118.79°E, 36.81°N—40.58°N)为实验区,解析了3个不同轨道共12个片区PS目标,获取了研究区2006—2010年地表垂直形变速度场.分析表明:(1)研究区大范围处于下沉状态,形成以北京、廊坊、天津、沧州、泊头—德州等城市为中心向外扩展的地表沉降发展态势,几个沉降中心的平均沉降速率分别达到-34.7 mm/a、-26.3 mm/a、-64.2 mm/a、-34.6 mm/a和-37.7 mm/a;(2)地表沉降的空间分布特征表明,城市工业生产和生活抽取地下水是地表沉降的主要诱因,农业灌溉和油气开采是导致华北平原大范围地表沉降的另一个重要因素;(3)研究区最大沉降带沿北北东向展布,与区内断裂分布一致,表明沉降的空间分布受到断裂带控制;(4)利用地表同期一等水准测量成果检验了本研究结果,精度达到4.72 mm,表明本文提出的数据处理策略能够满足大时空尺度地表形变监测的需求.     

用多种数据构建2008年汶川特大地震同震位移场

本文主要以GPS、精密水准观测和卫星SAR遥感图像分析2008年汶川特大地震同震位移特征.GPS数据包括:(1)四川盆地和川西高原地区各类国家等级GPS网点复测;(2)沿破裂带国家天文大地网GPS复测.前者推算的同震位移测定精度优于2 cm,后者6~8 cm.SAR遥感资料包括:(1)ALOS 卫星升轨相位干涉图像,精度优于8 cm;(2)ALOS和ENVISAT卫星影像合成的三维位移图,精度优于0.5 m.同震位移场显示,断层下盘(四川盆地)变形总体呈扇形集中指向震中,断层上盘(龙门山)变形总体上呈逆时针旋转态势,最大的实测水平位移5.5 m.汶川、理县、茂县等地测站位移指向破裂带方向,而平武、青川等地测站逐渐转变为平行,乃至远离破裂带方向,与汶川地震逆冲兼走滑的破裂特征一致.断层上盘大幅隆升,下盘靠近断层的区域以下沉为主,远场表现为幅度很小的隆升,垂直升降区域间,有一条与龙泉山断裂带平行的升降过渡带,调节龙泉断层的应力状态.用实测变形场检验多个地震波破裂模型表明,近场(距离断层50 km) 模型形变准确度可达40~50 cm, 远场精度优于5 cm.     

带裙房高层建筑地震反应控制振动台试验研究

2002年9月在香港理工大学成功地进行了带裙房高层建筑地震反应控制试验研究。设计和制作的结构模型是带3层裙房的12层高楼剪切模型,在裙房顶层与主楼之间安装单MR阻尼器形成MR阻尼器耦联结构模型。MR阻尼器采用美国LORD公司摩擦型MR阻尼器,并且选用其配套产品计算机电流控制器对其进行控制,控制系统采用德国dSPACE公司实时控制系统。对独立主楼、独立裙房和原结构模型的动力特性进行了辨识;对结构模型进行了El Centro地震动作用下的地震反应振动台试验;以作者提出的MR阻尼器半主动逻辑控制算法,对MR阻尼器耦联的结构模型进行了地震反应振动台试验。试验结果表明：用MR阻尼器耦联主楼与裙房,采用半主动逻辑控制方法进行控制,能有效抑制主楼的鞭梢效应并使主楼和裙房的地震反应减小。     

A Quantitative Assessment of DInSAR Measurements of Interseismic Deformation: The Southern San Andreas Fault Case Study

We investigate the capabilities and limitations of the Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR) techniques, in particular of the Small BAseline Subset (SBAS) approach, to measure surface deformation in active seismogenetic areas. The DInSAR analysis of low-amplitude, long-wavelength deformation, such as that due to interseismic strain accumulation, is limited by intrinsic trade-offs between deformation signals and orbital uncertainties of SAR platforms in their contributions to the interferometric phases, the latter being typically well approximated by phase ramps. Such trade-offs can be substantially reduced by employing auxiliary measurements of the long-wavelength velocity field. We use continuous Global Positioning System (GPS) measurements from a properly distributed set of stations to perform a pre-filtering operation of the available DInSAR interferograms. In particular, the GPS measurements are used to estimate the secular velocity signal, approximated by a spatial ramp within the azimuth-range radar imaging plane; the phase ramps derived from the GPS data are then subtracted from the available set of DInSAR interferograms. This pre-filtering step allows us to compensate for the major component of the long-wavelength range change that, within the SBAS procedure, might be wrongly interpreted and filtered out as orbital phase ramps. With this correction, the final results are obtained by simply adding the pre-filtered long-wavelength deformation signal to the SBAS retrieved time series. The proposed approach has been applied to a set of ERS-1/2 SAR data acquired during the 1992–2006 time interval over a 200?×?200?km area around the Coachella Valley section of the San Andreas Fault in Southern California, USA. We present results of the comparison between the SBAS and the Line Of Sight (LOS)—projected GPS time series of the USGC/PBO network, as well as the mean LOS velocity fields derived using SBAS, GPS and stacking techniques. Our analysis demonstrates the effectiveness of the presented approach and provides a quantitative assessment of the accuracy of DInSAR measurements of interseismic deformation in a tectonically active area.     

香港GPS基准站坐标序列特征分析

利用香港GPS连续运行参考站网络2001年1月至2007年8月的观测资料,全面深入地分析了12个基准站坐标序列特征.本文采用主成分空间滤波算法去除公共误差,来提高坐标序列的信噪比,并采用最大似然估计准则定量估计滤波后坐标序列的噪声特性,计算了地球表面质量负荷（包括大气、非潮汐海洋、积雪和土壤水）对香港GPS基准站坐标序列的影响.研究结果表明：香港GPS基准站坐标序列具有高度的空间相关性,其公共误差具有较强的季节性变化特征;地表质量负荷变化引起的香港地壳形变可以解释公共误差序列中约为3mm的垂向周年变化,经过质量负荷改正后的公共误差序列与高阶电离层误差高度相关;滤波后坐标序列的噪声特性可以用可变白噪声加闪烁噪声模型来描述,顾及闪烁噪声所计算的速度误差要比只考虑可变白噪声计算的速度误差大2~6倍;基准站间存在达1.5 mm/yr的相对水平运动,揭示香港地区存在活动断层;部分基准站坐标具有明显的振幅为1～2 mm本地季节性变化,所有测站的残差序列也表现出强烈的季节性变化.