TerraSAR-X/TanDEM-X获取高精度数字高程模型技术研究

以双星系统(TerraSAR-X/TanDEM-X)下的bistatic数据模式为例研究了差分干涉获取高精度DEM产品的融合算法和技术流程.针对不同观测几何条件下(升降轨,不同入射角)观测数据的畸变和缺失,提出一种迭代的顾及垂直基线、阴影和叠影的数据融合新方法重建高分辨率高精度的数字高程模型,并对TanDEM-X融合的DEM在不同地物属性特征下(山区及高楼林立的城区)的精度进行定量分析.本文采用了两对覆盖珠海、澳门区域的升降轨TerraSAR-X/TanDEM-X干涉对进行融合处理,并通过收集的高精度Lidar数据进行精度比较分析.此外,本文还定量分析了TanDEM-X的DEM对常规DInSAR技术的改进,并与SRTM、ASTER的结果进行对比.结果表明:提出的升降轨融合方法较单一轨道平台能够较好地改正或减弱由于几何畸变引起的高程信息缺失或错误,通过与Lidar数据的对比发现TanDEM-X的融合DEM在山区的精度较高,其残差的标准差为3.5 m,较单一轨道(升、降轨)分别降低8%和22%,能够通过迭代的方法获取高分辨率(可达2~5m)、高精度的地形信息;而针对城区密集建筑物的复杂地形来说,融合的DEM的精度稍低,残差的标准差为11.8m,但较单一轨道(升、降轨)来说有较大改进,其残差标准差分别降低了28%和22%;而在分布较为稀疏的居民区,融合的DEM能够较Lidar数据获取更好的建筑物高度及外形信息,此时的残差标准差可达5m.同时,TanDEM-X的融合DEM作为外部DEM能够较SRTM和ASTER来说更好地去除地形信息,尤其在山区及高程建筑密集分布的城区,从而利于后续的相位解缠和形变信息的精确获取和解译,为更高精度的时序InSAR形变监测提供有利条件.     

基于ASTER立体数据和ICESat／GLAS测高数据融合高精度提取南极地区地形信息

为了更好地保证从中山站到DomeA的南极内陆冰盖考察,该考察路线沿线的地形信息是必需的．虽然Radarsat南极制图计划fRAMP）能提供迄今为止最高精度的全南极数字高程模型（DEM）,其最高水平分辨率为200m,但其真正的水平分辨率根据源数据的比例尺和区域覆盖密度不同而不同．对于冰架和内陆冰盖地区,水平精度约为5km．在东南极内陆冰盖地区和远离山脉地区该DEM的垂直精度估计为±50m,因此更高精度的地形数据还不存在．为了满足将来对地形信息更高精度的要求,由于ASTER光学影像具有高的空间分辨率05m）,而ICESat／GLAS测高数据有较高的高程精度（13．8cm）,因此本文融合ASTER立体数据和ICESat／GLAS测高数据提取了该考察路线高精度数字高程模型．首先选择一些测高数据点作为ASTER提取DEM过程中的高程控制,以减少匹配错误．由于从75°～81°S范围没有合格的ASTER立体数据覆盖,并且在该范围内ICESat轨道覆盖度大,观测数据比较密集,因此在该区域仅使用ICESat测高数据提取DEM,最后生成覆盖整条路线的DEM．分析结果表明DEM精度得到很大的提高,DEM的绝对垂直精度某些地区优于15m,除了影像009—001外,其余所有结果精度都在30m以内．其内部精度优于15m,某些情况下优于7m．生成的结果达到1：50000制图标准．结果表明在南极地区,综合利用各种遥感数据提取南极地区冰面地形信息是一种经济有效的手段．     

多源遥感技术在汶川震后高精度数字高程模型重建中的精度分析

汶川地震后,震中地区地表形态遭到很大破坏.在该地区开展科学研究急需高精度数字高程模型支持,重建震区数字高程模型十分必要.本文以高精度重建该地区数字高程模型为目标,综合ALOS PRISM获取的三轨立体像对、ALOS PALSAR雷达影像和欧空局发布的汶川地震ENVISAT雷达影像等资料,采用光学遥感立体测图技术、InSAR技术,并融合已有全球数字高程模型,研究建立覆盖此地区15m分辨率的数字高程模型.在利用中国地壳运动监测网络和陆态网络工程项目实测的GPS数据进行高程精度分析后表明:ALOS PRISM DEM精度优于10 m(95％置信度);ALOS PALSAR DEM精度优于10 m(95％置信度),而ENVSAT ASAR DEM在平原、丘陵地区精度优于20 m(95％置信度).研究证明:ALOS PRISM能进行高精度的地形测量,ALOS PALSAR在山区仍可获得高精度数字高程模型,ENVISAT ASAR在平原地区的精度较高.因此融合光学、雷达遥感技术完全满足获取高精度、高分辨率震区数字高程模型的需要,这为在困难地区建立高精度数字高程模型提供了一个很好的途径.     

基于SfM方法的高密度点云数据生成及精度分析

地形数据的质量(精度和分辨率)影响着地球科学的研究水平。Li DAR测量是目前获取高分辨率地形数据的有效技术方法之一,但是其高昂的测量成本和相对复杂的后期数据处理限制了Li DAR技术的大众化应用。近年来,一种被称为Sf M(Structure from Motion)的适合大众化使用的新的高精度3维地形数据获取技术开始引起人们的注意。这种新型数字摄影测量技术可以利用高效的图像特征匹配算法从多视角照片中提取重叠区域的3维地形数据。由于Sf M技术仅需要目标物体的照片,而且对相机拍摄位置、图像尺度及拍摄焦距没有要求,因此利用简单测量平台采集地面照片就可以获取高质量的3维地形数据。与Li DAR技术相比,大大降低了获取高精度数据的成本,使得高精度3维地形数据的使用大众化。文中介绍了Sf M技术的基本原理和流程,展示了Sf M技术获取高精度3维地形数据的简单而有效的特性,特别适合于植被稀少的区域。文中利用近千米高空拍摄的、具有约70%重叠度的一套随Li DAR飞行采集的数字航空照片生成具有真彩色的高密度Sf M点云数据,点密度高达25.5个/m2,可生成分辨率0.2m的DEM(数字高程模型)。对比相同区域的LiDAR点云数据,统计分析表明58.3%的Li DAR数据与Sf M数据的垂直偏差0.1m,88.3%的Li DAR数据的垂直偏差0.2m;而且发现不同地貌的Sf M数据精度存在差异,平缓地形的Sf M数据精度高于陡峭地形的Sf M数据精度。文中还介绍了以氦气球作为拍摄平台的Sf M测量系统,可以快捷地获取高精度的3D地形数据和正射影像,比目前常用的差分GPS测量具有更高的效率和数据精度。     

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.     

珠峰地区似大地水准面精化与珠峰顶正高的确定

本文使用珠峰及其周边地区的重力数据与SRTM3、1∶50000 DEM、GTOPO30地形数据,以该地区的44个GPS水准点为控制,选择国内外的EGM96、WDM94、IGG05B、DQM2000D和CG03C作为参考重力场模型,采用移去-恢复技术,首次完成了珠峰地区分辨率为2.5′×2.5′高精度似大地水准面,其精度达到±9 cm,并据此推算了珠峰顶高程异常值. 再利用登山线路上的新测重力点与珠峰地形数据,依据严格的重力归算理论及移去-恢复技术,完成了珠峰顶似大地水准面与大地水准面差值计算,即珠峰正常高与正高的换算.     

InSAR与概率积分法联合的矿区地表沉降精细化监测方法

结合InSAR与概率积分法的优势,提出一种InSAR和概率积分法联合进行矿区地表沉降的精细化监测方法.该方法首先计算InSAR时序累积沉降盆地,进而建立判别大梯度形变的约束条件,区分沉降边缘与沉降中心.对于形变较小的沉降边缘,保留InSAR结果,而对于大梯度沉降中心,则结合InSAR与概率积分模型建立矿区工作面的沉降盆地,并通过空间插值,获取地理坐标系下连续的地表沉降信息,最终得到完整的矿区地表沉降结果.论文以山东某矿区为研究区域,采用2016年10月16日 2018年3月4日期间的21景SAR影像和工作面水准实测数据对该方法的可行性和精度进行了验证.结果 表明,该方法能够在减少水准监测工作量的前提下,获得与实际情况相吻合的沉降结果,其监测能力明显优于常规InSAR和概率积分法,可有效弥补两种技术单独在矿区地表沉降监测中的不足,获取更为准确、可靠的矿区地表沉降信息.     

基于PS-InSAR技术和遗传神经网络算法的矿区地表沉降监测与预计

针对传统雷达干涉测量技术(D-InSAR)易受大气相位延迟和失相关的影响以及传统BP算法依赖于初始权值和阈值问题.本文采用了(PS-InSAR)技术对矿区地表沉降进行了监测,并提出采用遗传算法(GA)对神经网络(BP)算法的初始权值和阈值进行筛选.首先利用PS-InSAR技术获取矿区地表沉降范围和沉降值,然后将其部分结果作为遗传神经网络(GA-BP)算法的训练样本建立预测模型参数.选取宿州市矿区19景Sentinel-1A雷达数据进行实验分析,结果表明,PS-InSAR技术能够很好监测矿区地表沉降,最大沉降速率为45 mm/a.分别取训练样本数为1000、2000、3000和4000利用GA-BP算法对矿区地表沉降进行预测,得到最大残差分别为6.8 mm、0.44 mm、0.36 mm、0.28 mm;均方误差分别为3.85 mm、3.26 mm、2.98 mm、1.61 mm,表明本文提出的GA-BP算法能有效预测矿区地表沉降,并且在训练样本数量较多时预测效果和预测性能较好.     

基于泊松小波径向基函数融合多源数据的局部重力场建模

融合多源数据的高精度、高分辨率的局部重力场建模是物理大地测量学的前沿和热点问题.本文研究了基于径向基函数融合多源数据的局部重力场建模方法,利用Monte-Carlo方差分量估计实现了不同类型的观测数据的合理定权,引入了最小标准差法确定基函数的适宜网络,分析了地形因素对于基函数网络确定及局部重力场建模精度的影响.以泊松小波基函数为构造基函数,结合残差地形模型,融合实测的陆地重力异常、船载重力异常及航空重力扰动数据构建了局部区域陆海统一的似大地水准面模型.研究结果表明:引入残差地形模型平滑了地形质量引入的高频扰动信号,简化了基函数的网络设计;并提高了重力似大地水准面的精度,平原地区其精度提高了4mm,地形起伏较大的山区其精度提高了约5cm.总体而言,基于"三步法"构建的局部重力似大地水准面在荷兰、比利时及德国相关区域,其精度分别达到1.12cm、2.80cm以及2.92cm.     

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.     

大地水准面高对InSAR大范围地壳形变监测的影响分析

由于InSAR数据处理所用的WGS84参考椭球系统与通用的DEM高程系统(EGM96大地水准参考面)不一致,在InSAR形变监测分析中会引入大地水准面高导致的误差.本文利用覆盖青藏高原北部阿尔金断裂带西段的27景Envisat ASAR宽幅模式数据和44景条带模式数据,研究了大地水准面高与InSAR大范围形变测量不确定性的关系:(1)模拟分析表明对于100 m的垂直基线,8.8 m的DEM测量误差,若研究区域存在20 m的大地水准面高的变化,对宽幅或条带模式InSAR形变测量造成的影响将由3 mm增至10 mm左右;(2)实例验证表明对于不同的研究区域,大地水准面高与该地区地形变化存在较大相关性,对于同一研究区域,垂直基线的大小决定了大地水准面高对InSAR不确定性的影响程度;(3)对于大地水准面高有较大梯度变化的研究区域,组合短基线方法与去除轨道平面的方法难以消除大地水准面高的影响.使用基于WGS84高程系统的DEM,可以为InSAR形变测量分析提供统一的高程基准,有效避免大地水准面高误差的影响.     

SBAS-InSAR技术在特大型滑坡变形监测中的应用

利用SBAS-InSAR技术对滑坡易发区域进行时序变形监测是研究滑坡机理和预防灾害的重要途径。文章利用SBAS-InSAR技术对甘肃省甘南州舟曲县果耶镇磨里滑坡灾害进行时序变形特征分析,基于2018—2021年光学遥感影像数据获取磨里滑坡所在区域的变形分布图和时序变形特征,再结合其他勘查成果资料验证变形监测结果的准确性,证明SBAS-InSAR技术在特大型滑坡变形监测中的可靠性。结果表明：(1)磨里滑坡滑坡平面形态呈“长舌状”,滑动方向最大长度1 500 m,滑坡体上窄下宽,平均宽度240～530 m,面积53×10⁴ m²;(2)磨里滑坡前部变形速度大于中后部,前缘局部形变速率最大可达140 mm/a;(3)磨里滑坡还在不断地发生变形,应进一步加强变形监测,做好应急避险和搬迁避让的措施。研究可为该地区特大型滑坡复活破坏机制和应急处置提供参考。     

我国1′×1′高程异常模型的建立及应用

高精度地确定我国陆海任意点的似大地水准面高(或称高程异常),其基础是先建立相应区域的高精度、高分辨率的高程异常数字模型,然后在此基础上通过内插软件确定.本文阐述了建立我国陆海1′×1′高程异常数字模型的数据、方法和步骤等.分别采用全国854个(一、二级网和A、B级网点)和75个(地震监测站点)高精度GPS/水准点作为外部检核点,对该数字模型进行了精度估计,结果表明:由该数字模型确定全国任意点高程异常的精度,东部地区分别为±0.18 m和±0.13 m,西部地区分别为±0.30 m和±0.22 m,全国总体精度分别为±0.23 m和±0.17 m.比规划的±0.5 m精度指标提高了1倍多.少部分区域达到了厘米级精度.由1′×1′高程异常数字模型及相应软件确定任意点结果的速度一般在2s内.     

基于LiDAR数据开展活动断层填图的实验研究——以新疆独山子背斜-逆冲断裂带为例

机载LiDAR技术为描绘活动构造相关构造地貌和最新的地表形变提供更精确的基础数据。如何将LiDAR新技术、新数据应用于活动构造填图和活动断层地震危险性评价等方面,是今后活动构造研究领域的一个重要的发展方向。文中以新疆天山北麓的独山子背斜-逆冲断裂带为试验区,开展了基于LiDAR数据的活动构造填图实验研究。首先,采用机载LiDAR技术进行数据采集,获得点云密度为6.6个/m2、平均点间距为0.39m的LiDAR原始数据;其次,利用试验区内12个测量精度可达mm级的GPS静态测量点评估LiDAR的相对垂直精度为0.12m、均方差值为0.078m;最后,对密度为6.4个/m2的地面点云数据进行DEM最佳分辨率评估,利用反距离权重算法获得0.5m分辨率的数据高程模型(DEM)。该分辨率的DEM数据足以完成独山子背斜-逆冲断裂带的精细构造地貌特征的确定以及高精度的空间解译。文中仅使用DEM可视化工具从不同虚拟的视角、不同色度或其他处理方式来识别微构造地貌、划分地貌面和确定断层位置等,宏观上获得与前人通过航片解译和野外调查一致的断裂分布特征,微观上较前者具有更高的精细程度。此外,数据采集、数据质量检验、数据处理及数据应用等技术和方法适用于其他能够获得LiDAR地形数据的活动断裂研究工作。     

2017年九寨沟MS7.0地震场地特征分析

场地条件对地震动具有较大影响, 研究不同场地条件下的地震动特征对地震动的校正具有重要意义。 本文以九寨沟地震为例, 收集了66个台站的198条三分量强震观测记录和SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)公里格网的DEM(Digital Elevation Model)数据, 从多个角度对场地特征进行分析。 首先根据坡度法使用DEM数据对九寨沟特征进行了场地分类, 然后讨论了不同场地类型下的加速度时程、 加速度反应谱、 地震动衰减等地震动特征。 研究表明, 缺少实测资料的情况下, 地形坡度可以作为Vs30(地表以下30 m范围的平均剪切波速度)的一种替代指标, 利用坡度法可以较快速地对场地进行分类; 利用强震观测记录能够从多角度对台站的场地特征进行分析, 不同场地类型对地震动影响不同, 其中, 土层对地震动具有明显的放大效应。 该结论可以为地震动结果的校正提供依据。     

移动摄影测量数据与差分GPS数据的对比分析——以祁连山北麓洪水坝河东岸断层陡坎为例

随着获取高分辨率数字地形数据技术的成熟化,越来越多地被应用到地球科学研究中。一种低成本且操作简单的获取高分辨率地形数据的新技术——SfM(Structure from Motion)的出现,将使得活动构造研究中高分辨率数据的使用更加广泛。文中首先介绍了SfM技术的工作原理和操作流程,选取祁连山北缘洪水坝河东岸进行数据采集,生成DEM数据的点云平均密度为220.667点/m~2,像素分辨率达6.73cm,覆盖面积达0.286km~2。其次,详细对比了SfM数据与差分GPS数据之间的精度。结果表明,SfM数据经过高程误差垂向校正和倾斜校正以后,与DGPS数据之间的高程差值基本上集中在约20cm左右,倾斜校正将高程差降低了约50%。90%置信区间内2种数据之间的高程差为10~15cm,局部误差在30cm左右,但所占比例不足10%,若采用更加精确的校正方法,可能误差还会更低。基于SfM数据提取的断层陡坎高度沿断裂走向分布显示,洪水坝河东岸最新一次构造活动垂直位移量在1m左右。因此,具有较高垂直精度的SfM数据,在植被稀少地区能够替代DGPS进行高精度地形测量。2种数据之间仍然存在的高程误差可能与生成DEM的方式以及SfM数据精度有关,SfM数据精度还受控于地面控制点数量、相机分辨率、照片密度、拍摄高度等条件,同时也与地表形态等内在因素有关。     

长白山天池火山喷发物地形地貌特征初步研究

借助数字高程模型(简称DEM)的地形分析技术,得出了能够突出沟谷信息的长白山天池火山锥形立体地形图.利用坡度分析、高程剖面分析、三维透视等DEM技术方法,对更新世以来的长白山天池火山喷发物空间分布范围进行了地形地貌分析,并与前人已有的野外地质调查结果进行对比,总结出了研究区内喷发物的地形地貌特征,据此推测了前人未涉及地区的喷发物的窄问分布范围.这为开展长白山天池火山的大比例尺火山地质填图,特别是对于某些全新世火山喷发物范围和界限的厘定提供了遥感学依据.     

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.     

基于实测重力异常和地形数据确定重力梯度的研究

本文利用澳大利亚北领地West Arnhem Land 地区实测重力异常数据并联合DEM(9")和SRTM3(3")地形高程数据,使用移去-恢复技术和Stokes积分方法计算了该地区两条剖面的重力梯度及其功率谱密度,使用FFT方法解算了整个地区的重力梯度值,结果证明了联合重力异常数据和高分辨率地形高程数据能有效地提高重力梯度的解算精度;功率谱密度的计算结果与国外成熟的重力梯度功率谱密度模型相吻合,表明高于0.3 Hz频率范围的功率谱密度可看做噪声,为重力梯度数据处理中噪声的辨别和剔除提供了借鉴,另外对重力梯度辅助导航基准图的构建以及重力梯度测量系统的标定提供了有益的探索.     

嫦娥一号激光测距数据及全月球DEM模型

激光高度计是搭载在CE-1上的主要载荷之一, 用于月球表面的地形测量. 2007年11月28日02点22分, 激光高度计成功获得第一个探测数据, 截止到2008年12月4日, 总共获取了约912万个探测数据, 数据覆盖全月面. 我们利用这些探测数据制作了空间分辨率为3 km的全月DEM模型, 月表地形地貌特征反映明显, 地形细节表达层次分明、清晰可辨. DEM模型的平面定位精度为445 m (1σ), 高程测量精度为60 m (1σ). 根据这一DEM模型, 测得月球表面最大高差为19.807 km, 最高点位于Engel’gardt撞击坑东缘(158.656°W, 5.441°N, +10.629 km), 最低点位于Antoniadi撞击坑底部(172.413°W, 70.368°S, -9.178 km). 通过比较, CE-1的激光高度计DEM模型, 在精度和分辨率上明显优于美国ULCN2005, 与日本SELENE激光高度计DEM模型相当, 测量到的最高点与SELEN结果相似, 但CE-1数据新发现了比SELEN结果更低的最低点.