InSAR高精度观测地震形变场及其三维重建技术研究

正目前,InSAR已成为监测地震同震、震后以及震间断层滑动的重要手段之一,但由于InSAR数据处理过程中存在多种误差的累积使得测量精度受到影响。本文从InSAR形变监测数据处理关键环节入手,系统分析各个关键环节的误差贡献,探讨InSAR误差干扰项的消除方法。在此基础上,研究了利用DEM校正InSAR大气垂直分层延迟相位的方法,进而将这种方法应用于2008年当雄地震同震和震后形变观测;推导了系统和随机2种观测误差在三     

基于全球气象再分析资料的InSAR对流层延迟改正研究

气压、温度和水汽含量等大气物理参数的时空变化导致的对流层延迟是制约合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)高精度应用的重要因素之一.最新研究显示气象再分析资料在补偿对流层延迟影响方面具有巨大的应用潜力,这促使我们对其有效性和鲁棒性做进一步的研究和探索.本文首先推导了利用气象再分析资料对InSAR进行对流层延迟校正的算法;然后以美国南加州地区的ENVISAT ASAR数据为例,分析了基于两种气象再分析资料(ERA-Interim和North American Regional Reanalysis,NARR)校正InSAR对流层延迟改正的效果;通过与MERIS水汽延迟改正结果比较,验证了该方法的有效性.实验结果表明:(1)不能简单忽略干延迟,可通过气象再分析资料进行有效估计;(2)通过与MERIS水汽产品获得的对流层延迟比较发现,气象再分析资料能够取得接近于MERIS的改善效果;(3)对ERA-Interim和NARR两种气象再分析资料而言,虽然后者具有更高的时间和空间分辨率,但在改正InSAR对流层延迟方面并没有表现出比前者更明显的优势;(4)气象再分析资料可以很好地估计与地形强相关的垂直分层延迟,但对于小尺度的湍流混合延迟的捕捉能力有限.综合分析认为,气象再分析资料的优势在于其数据可随时获得、免费和全球覆盖,它可以显著减弱大尺度的垂直分层延迟对干涉图相位的影响,从而有助于InSAR获取更真实可靠的地形高程和地表形变信息.     

固体潮位移InSAR相位模拟及对广域地表形变监测的影响初探

固体地球潮汐(Solid earth tide,SET)在地表产生的径向位移可达40～50 cm,形变梯度可达2 cm/100 km,是各种精密大地测量和地球物理观测必须考虑的因素之一.随着星载合成孔径雷达干涉测量(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)地表形变监测范围的不断增大以及对精度要求不断提高,固体潮位移对InSAR观测的影响不容忽视.本文利用固体潮位移理论模型,根据InSAR测量基本原理和Sentinel-1卫星成像参数,模拟了固体潮位移InSAR相位,定量分析了其时空分布特征,并以我国江汉平原和北美大平原的Sentinel-1数据为例,探讨了固体潮位移InSAR相位对广域地表形变监测的影响.结果表明:(1)固体潮位移对InSAR广域地表形变监测存在较大影响,在250 km×250 km范围中,以C波段为例,其相位变化可达12 rad(对应52 mm视线向形变);(2)固体潮位移相位在中低纬度(60°S—60°N)地区变化较大,两极地区较小,且在时间上具有明显的周期性;(3)在Sentinel-1 InSAR观测中,通过固体潮位移相位改正去除了干涉图中的部分低频相位偏差,相比原始干涉图,改正后的解缠相位标准差减小了约29%.本研究对于认识固体潮位移InSAR相位的时空分布特征以及提高星载InSAR广域地表形变监测的准确度与可靠性均具有重要意义.     

基于InSAR技术的淮南矿区DEM重建及精度分析

对于易发生地表形变的区域,传统DEM模型如SRTM,逐渐失去其时效特性,不能准确的描述地质特征,亟待更新重建.本文基于合成孔径雷达干涉测量(InSAR)采用SAR影像复数据相位信息提取地面三维信息的新技术,介绍了合成孔径雷达干涉测量数字高程模型建立的原理和方法.在此基础上,选取研究区,获取了Envisat ASAR SLC雷达影像数据,采用InSAR算法对研究区的数字高程模型进行了重建.并在研究区的形变区内外分别选取控制点,对重建DEM和SRTM进行比较分析.结果表明:对于易发生形变的特殊区域,传统DEM因失去其时效性,无法准确的描述地形特征;合成孔径雷达干涉测量可以作为此类地区DEM定期重建的有效手段.最后对重建的DEM实现三维可视化,提高了读图效率和成图质量.     

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.     

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.     

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%.     

Calibration of a Land Subsidence Model Using InSAR Data via the Ensemble Kalman Filter

The application of interferometric synthetic aperture radar (InSAR) has been increasingly used to improve capabilities to model land subsidence in hydrogeologic studies. A number of investigations over the last decade show how spatially detailed time‐lapse images of ground displacements could be utilized to advance our understanding for better predictions. In this work, we use simulated land subsidences as observed measurements, mimicking InSAR data to inversely infer inelastic specific storage in a stochastic framework. The inelastic specific storage is assumed as a random variable and modeled using a geostatistical method such that the detailed variations in space could be represented and also that the uncertainties of both characterization of specific storage and prediction of land subsidence can be assessed. The ensemble Kalman filter (EnKF), a real‐time data assimilation algorithm, is used to inversely calibrate a land subsidence model by matching simulated subsidences with InSAR data. The performance of the EnKF is demonstrated in a synthetic example in which simulated surface deformations using a reference field are assumed as InSAR data for inverse modeling. The results indicate: (1) the EnKF can be used successfully to calibrate a land subsidence model with InSAR data; the estimation of inelastic specific storage is improved, and uncertainty of prediction is reduced, when all the data are accounted for; and (2) if the same ensemble is used to estimate Kalman gain, the analysis errors could cause filter divergence; thus, it is essential to include localization in the EnKF for InSAR data assimilation.     

L波段InSAR数据观测的北京及其周边2007—2010年间累计地壳形变基本特征

地壳形变是评估地震灾害和地质灾害的重要依据之一。 北京及其周边地区的形变状况一直以来缺乏全面、 可靠的观测数据, 阻碍了对该地区这两种灾害的客观认识。 本研究利用L波段InSAR形变观测数据, 调查北京及其周边190 km×150 km范围内, 约3年时间内的累积地壳形变, 详细给出北京地区2007—2010年间的地壳形变基本特征, 为认识该地区的灾害提供参考。 研究结果显示, 该地区主要地壳形变源为地下水开采造成的地面沉降, 观测时间内累积的最大雷达视线向形变达到了37.6 cm。 地面沉降的严重影响, 以及大气噪声的干扰, 造成活动构造变形很难从现有数据定量分辨出来, 但可以确定在此观测期间内较大尺度(长度>50~100 km)的断层活动及其构造变形比较微弱, 对北京地区的地壳形变贡献较小。 最重要的一点是, 北京地区的地壳形变呈条块状分布, 清晰显示地面沉降与活动构造, 特别是NW走向的南口—孙河断层, 存在较强的相关性。     

星载合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术在形变监测中的应用概述

本文综述了地球表面形变的主要类型(包括开采沉陷、地表沉降、地壳运动、地震形变、火山运动、冰川运动及山体滑坡等)及其在我国的分布状况，结合合成孔径雷达干涉测量(包括InSAR及D-InSAR，统称InSAR技术)的技术原理及特点，介绍了国内外InSAR技术近年来在形变监测领域的应用与发展。通过与传统形变监测及GPS监测技术的对比后指出，由于InSAR特有的技术特点，使其在各类形变监测应用中具有传统方法无可比拟的技术优势，必将对形变监测的发展起到极大的推动作用。     

Estimation of spatial variability of aquifer parameters from geophysical methods: a case study of Sindhudurg district,Maharashtra, India

Accurate estimation of aquifer parameters, especially from crystalline hard rock area, assumes a special significance for management of groundwater resources. The aquifer parameters are usually estimated through pumping tests carried out on water wells. While it may be costly and time consuming for carrying out pumping tests at a number of sites, the application of geophysical methods in combination with hydro-geochemical information proves to be potential and cost effective to estimate aquifer parameters. Here a method to estimate aquifer parameters such as hydraulic conductivity, formation factor, porosity and transmissivity is presented by utilizing electrical conductivity values analysed via hydro-geochemical analysis of existing wells and the respective vertical electrical sounding (VES) points of Sindhudurg district, western Maharashtra, India. Further, prior to interpolating the distribution of aquifer parameters of the study area, variogram modelling was carried out using data driven techniques of kriging, automatic relevance determination based Bayesian neural networks (ARD-BNN) and adaptive neuro-fuzzy neural networks (ANFIS). In total, four variogram model fitting techniques such as spherical, exponential, ARD-BNN and ANFIS were compared. According to the obtained results, the spherical variogram model in interpolating transmissivity, ARD-BNN variogram model in interpolating porosity, exponential variogram model in interpolating aquifer thickness and ANFIS variogram model in interpolating hydraulic conductivity outperformed rest of the variogram models. Accordingly, the accurate aquifer parameters maps of the study area were produced by using the best variogram model. The present results suggest that there are relatively high value of hydraulic conductivity, porosity and transmissivity at Parule, Mogarne, Kudal, and Zarap, which would be useful to characterize the aquifer system over western Maharashtra.     

汶川地震同震形变场的GPS和InSAR邻轨平滑校正与断层滑移精化反演

为克服InSAR观测汶川地震同震形变场的邻轨不连续问题,提出联合GPS观测值与邻轨平滑约束的同震位移校正方法,采用GPS观测形变去除PALSAR轨道误差引入的残留平地相位,基于形变平滑条件校正邻轨干涉相位的不连续性.ALOS/PALSAR干涉处理结果表明,校正后同震形变场的准确度与平滑性得以显著提高,InSAR高相干点残差达3.6 cm,校正后精度提高约60%,低相干点精度提高约40%,校正后形变场的邻接平滑因子标准差减小约33%,验证了轨道误差校正与邻轨平滑约束方法的准确性与可靠性.进一步基于弹性半空间位错模型的断层滑移反演结果表明,断层滑移主要分布于映秀、北川和青川地区,集中于地壳深度0~16 km范围,最大滑动量（位于北川县城）约为9.0 m,GPS反演模型残差为5.5 cm,InSAR反演模型残差达9.2 cm,InSAR反演精度约有30%的显著提高,由模型反演计算得到的地震矩为8.0469×10²⁰ N·m.     

Modeling the land surface reflectance for optical remote sensing data in rugged terrain

A model for topographic correction and land surface reflectance estimation for optical remote sensing data in rugged terrian is presented.Considering a directional-directional reflectance that is used for direct solar irradiance correction and a hemispheric-directional reflectance that is used for atmospheric diffuse irradiance and terrain background reflected irradiance correction respectively,the directional reflectance-based model for topographic effects removing and land surface reflectance calculation is developed by deducing the directional reflectance with topographic effects and using a radiative transfer model.A canopy reflectance simulated by GOMS model and Landsat/TM raw data covering Jiangxi rugged area were taken to validate the performance of the model presented in the paper.The validation results show that the model presented here has a remarkable ability to correct topography and estimate land surface reflectance and also provides a technique method for sequently quantitative remote sensing application in terrain area.     

利用InSAR技术研究青藏高原冻土形变特征

由于自然环境的限制, 青藏高原的大地测量网络十分稀疏, 不能满足区域地壳运动监测的需求。干涉合成孔径雷达(InSAR)是非接触监测地壳运动的一种重要方式, 但在高原上受到冻土的影响。本文基于2014~2018年的Sentinel-1卫星C波段雷达数据, 采用InSAR时序技术分析了冻土形变的时空特征。针对InSAR位移时间序列, 采用空间滤波去除了大气延迟、 地形效应等局部公共误差, 提高了时间序列的信噪比。结果显示, 青藏高原的冻土运动可分为差异较大的两类: 在大部分冻土区域, 与周边高山(基岩)区域相比, 冻土地区显示类似的季节波动或一定的长期沉降; 在部分冻土地区存在异常快速下沉区域, 例如在西藏中部布若错湖西南侧的沉积盆地内, 存在一个直径约2 km的漏斗型沉降区, LOS向沉降速率可达约10±2.1 mm/a。构造运动造就了高原上大量沿断裂线分布的河流、 湖泊, 河床和沉积盆地等广泛分布着冻土, 给准确分析构造形变带来很大挑战, 本文所得的结果可作为区分冻土运动与构造变形的一种有效判据, 也有益于研究高原冻土的物理特性及变形机理。     

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.