不同尺度综合地表形变InSAR时序监测与机理分析

正合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术作为近年来发展起来的一种空间对地观测技术被广泛应用于不同类型的地表形变监测。为克服时间、空间基线失相干,DEM误差、大气延迟效应等因素对形变监测的影响,具有稳定后向散射特性的相干点目标作为研究对象的时序InSAR技术应运而生。然而,由于其应用研究起步较晚,在高精度地表形变监测中仍面临诸多技术难题,如常规SBAS方法时序形变监测时因多数据子集而导致的基准缺失、低相干条件下高相干点目标的有效识别、时序InSAR大范     

地表形变监测的改进相干目标法

如何从雷达干涉时间序列影像中获取更全面的相干目标集合,进行变形时间序列分析是当前研究的难点和热点。本文提出了改进的相干目标法,可获取更为全面且可信度高的相干目标集合,进而提高地表形变监测的时空分辨率和精度。根据雷达影像中同类型地物散射分布相近的特点,采用非参数同分布检验算法提取后向散射特性相近的同质点开展空间非局部滤波,提高干涉图的质量。与此同时,利用多尺度的极大似然条纹频率估计算法分离差分干涉图中的系统性相位,并基于同质点进行自适应相干性估计,获取相干性的平稳估计量,从而获取更多的相干点目标。利用20景TerraSAR-X条带模式时间序列影像,分别利用传统的及改进后的相干目标法对香港填海区域地表形变信息进行时序分析。对试验数据的分析结果表明,本文提出的改进方法在具有稀疏植被的填海区可有效增加相干目标点的提取,得到更为可信的沉降结果。     

一种监测东营油田地表形变的方法

针对传统永久散射方法和相干目标法干涉图相位解缠的不足,该文提出了一种改进的多主影像相干目标小基线干涉方法。采用融合永久散射方法和相干目标法的优点,较好地平衡了失相干因素的去相干性与干涉目标点之间的矛盾,利用较小的数据集实现地表形变反演;基于14景COSMO-SKYMED雷达影像,采用多主影像相干目标小基线干涉方法提取地表形变信息。基于水准数据验证后的实验结果表明:所提方法不仅可以准确快速地监测出地表沉降区,而且监测精度较高,研究结果可以应用于城市形变监测、地震、滑坡等领域。     

时间序列InSAR技术中的形变模型研究

时间序列InSAR技术,包括PS-InSAR技术和小基线集InSAR技术, 能有效克服传统D-InSAR的失相干限制, 逐步成为形变测量中的实用化技术。但是, 现有时间序列InSAR技术主要采用线性函数对真实形变进行模拟, 在真实形变呈现强烈的非线性时, 这种处理将不能得到正确的形变结果。本文就时间序列InSAR的形变模型问题展开研究, 首先从干涉相位模型解算的方法入手, 深入分析了线性形变模型的不足, 当干涉点目标的密度不够并且真实形变的非线性较强时, 干涉相位方程的解将会发散。根据魏尔斯特拉斯逼近定理, 提出以高阶多项式取代线性形变模型, 并给出了基于多项式形变模型的干涉相位方程解算方法。 利用太原市2003-2009年的23景ENVISAT ASAR影像, 分别采用线性形变模型和三次多项式形变模型, 利用小基线集技术进行了形变反演。将这两种方法得到的结果分别与水准测量结果进行了比较。结果表明, 采用多项式形变模型不仅能取得更高的形变测量精度,而且能提高点目标的密度。由于高阶多项式总能比低阶多项式更准确地拟合连续函数, 因此本文提出的多项式形变模型在时间序列InSAR形变监测中具有广泛的应用价值。     

基于临时相干目标监测非城区地表形变

永久散射体干涉测量技术(PSInSAR)地表形变监测能力受限于稳定散射体的空间分布密度,在PS点稀疏的非城区不再有效。本文基于临时相干目标(temporarily coherent targets,TCT)局部时序高相干性和在非城区广泛分布的特点,提出改进算法以解决该难题。该算法通过顾及季节性周期变化筛选干涉对以保留TCT信息,并利用双阈值联合筛选法提取TCT,采用多次差分挖掘、分离TCT相位,最后反演得到TCT形变速率和高程修正量。利用TCT算法,采用24景Sentinel-1A卫星影像提取了靖边县2014-10-23—2016-05-09期间地表形变信息。通过PSInSAR的对比验证,表明临时相干目标时序分析方法能显著提高非城区监测目标空间分布密度并能有效地监测非城区地表形变。     

利用时序DInSAR监测填海造陆地区地表沉降

通过研究时序DInSAR相位模型,利用振幅离差、时间相干系数和统计分析多重方法提取了相干点目标,并根据不同相位分量的时空特性分离出形变相位,继而提取出相干点目标上的沉降速率。以上海市临港新城主城区为实验区,利用24景Envisat ASAR影像,得到了2007-10～2010-02间的沉降速率分布,并分析了冲填土年代对沉降的影响。     

短基线INSAR相干点探测及应用

提出一种结合子孔径相关测度的时序高相干点探测方法,首先对时序SAR影像进行谱分解获得子孔径视图,通过时序子孔径相关测度进行强散射点筛选,然后分别根据振幅离差和干涉相位空间相关性,对目标点进行相位稳定性分析,探测出既满足强散射且在时间序列上散射稳定的高相干点。利用改进的点探测方法和短基线INSAR技术,对北京2003—2009年间40景ASAR影像进行相位建模,获取地面沉降时空分布特征,分析典型地物时序沉降过程,研究北京地面沉降与地下水开采关系。结果表明:相比已有方法,本文结合子孔径相关测度的高相干点探测结果更准确可靠;利用本文点探测方法反演的历史累积沉降信息,与水准结果一致,平均速率之差在3.69 mm/a以内,中误差为1.36 mm/a;研究区地面沉降最大速率达92.25 mm/a,空间不均匀分布明显,地面沉降量与地下水开采量呈分段的非线性相关。     

双极化Sentinel-1数据极化时序InSAR技术地表形变监测——以上海市浦东机场为例EI北大核心CSCD

不同极化的合成孔径雷达SAR (Synthetic Aperture Radar)数据对地物具有不同响应,利用极化信息可提升InSAR的地表形变监测能力。针对利用免费Sentinel-1数据的双极化信息进行地表形变监测这一问题,本文提出了一种基于双极化Sentinel-1数据的自适应极化时序InSAR技术方法 PolPSI (Polarimetric Persistent Scatterer Interferometry)。该方法针对研究区永久散射体PS (Persistent Scatterer)与分布式散射体DS (Distributed Scatterer)的不同特点,基于不同优化准则分别进行自适应极化优化,得到极化优化干涉图并进行地表形变监测。为了证明方法的有效性,以上海市浦东国际机场为研究区,基于34景双极化(VV-VH) Sentinel-1影像进行了实验。结果表明,所提出方法在降低干涉图相位噪声、提升干涉质量的同时较好地保持了地物边缘细节,相较于常规的时序PS与DS技术,提出PolPSI技术获取的变形监测点密度分别提高了103.0%和30.8%,更加详细地反演了机场区域变形状况。综上所述,本文提出的基于双极化Sentinel-1数据PolPSI方法通过对极化信息的利用与挖掘,可一定程度上提高Sentinel-1数据在地表形变监测应用中的能力。     

基于时序InSAR的东营地区地表沉降研究

黄河携带大量泥沙入海,河口三角洲覆盖20~50m厚的沉积层。沉积层的自然压实导致该地区的地表沉降。此外,黄河三角洲油气资源的开发和地下水的开采也加速地表的下陷。InSAR作为一种有效的空间大地测量工具,可以提供几十公里范围内的高精度地表形变场。时序InSAR技术在多幅雷达影像组成的干涉网络基础上,识别永久散射体(PS)等雷达回波信噪比高的像素。与传统的InSAR技术相比,时序InSAR技术削弱雷达影像去相干效应的影响,实现长期的形变序列提取。文中利用两组雷达影像:19幅ERS卫星1992年12月至1996年1月的SAR影像,17幅ENVISAT卫星2003年5月至2008年3月的SAR影像。影像主要覆盖山东省东营市及其周边部分区域。结果显示,东营地区存在每年15mm以上的地表沉陷,该地区的地表沉降与油气开采活动有关。     

城市场景时序InSAR形变解译:问题分析与研究进展

时序InSAR(interferometric synthetic aperture radar)技术可以提供周期性形变监测,已经广泛应用于地表沉降和基础设施形变监测等工作,为城市安全和可持续发展提供重要保障。然而,由于城市场景的复杂性,InSAR精细监测以及形变信号解译仍然是一个难题和挑战。从时序InSAR相干点与地物目标映射关系不确定性为切入点,剖析了这种不确定性带来的形变解译问题,包括：（1）精细形变监测,即形变信号“在哪里”;（2）形变机制和驱动因素认知,即形变信号“是什么”;（3）形变信号对观测事件的反映,即考虑城市场景下的合成孔径雷达信号的复杂散射机制。引入了时序InSAR监测体系下InSAR相干点的描述框架,包括运动学特征、几何参数、语义信息、物理属性,并回顾了InSAR相干点参数提取与形变解译的研究进展。基于InSAR相干点几何参数、语义信息、物理属性的综合形变解译与机制认知将是未来城市场景精细形变监测、识别和安全评估等服务的关键。     

InSAR时间序列分析技术在西安地表形变监测的应用

差分干涉测量技术（D-InSAR）是近年发展起来的新型空间对地观测技术,具有全天候、全天时、大范围地表形变监测优点,但由于受到时空失相干和大气延迟的影响,形变监测精度受到了很大的制约。近年发展起来的InSAR时间序列分析技术,将多景SAR影像数据融合在一起,利用时间序列分析提取监测区域监测期内的时间序列形变信息,间接消除或削弱了时空失相干和大气延迟对形变结果的影响,具有良好的应用前景。本试验利用InSAR时间序列分析技术获取了西安市三环以内主城区2007年1月至2011年2月间的高精度地表形变成果。     

时序InSAR在城市地铁工程区形变监测中的应用

地铁建设会引发城市地表形变灾害,而传统的合成孔径雷达差分干涉测量（D-InSAR）难以实现城市地铁工程区域的精细测量。本文利用TerraSAR-X高分辨率数据,采用PS-InSAR和SBAS-InSAR方法对徐州地铁1号线东部工程场地进行了形变监测,获取了该区域2016年6月15日-2016年9月11日期间的形变时序图。通过与人工角反射器布设点的水准测量数据对比分析,发现利用两种时序InSAR测量方法得到的地表形变结果与水准测量结果非常一致,形变误差均在1 mm以内;而SBAS-InSAR探测地表形变的敏感性低于PS-InSAR。结果表明,利用高分辨率SAR影像监测城市地铁形变具有亚毫米级的测量精度和米级的定位能力,同时证明了时序InSAR分析技术在城市地铁工程形变监测应用中的广阔前景。     

一种面向时间序列InSAR的不连通子网快速连接方法

时间序列InSAR技术目前已广泛应用于地表形变监测,尤其是稳定点目标较多地区的城市地面沉降监测。然而,实际应用中受大气相关距离限制以及模型相干系数阈值影响,连接点目标的Delaunay三角网常常不能完整地连接所有点目标,出现若干个不连通的子网。这种现象导致无法获取部分点目标的形变信息,特别是在非城镇地区影响尤为明显。为了提取大区域地表形变信息,本文提出了一种多层级、不同步长的子网最近邻点目标快速连接方法。其显著特点是通过逐层联网的方式,可快速减少子网数目。与现有复杂网络连接方法相比,该方法在保证结果精度的前提下,数据处理耗时仅为前者的32.56%。     

时序InSAR的误差模型建立及模拟研究

基于时序InSAR函数模型,分别建立了单主影像和多主影像时序InSAR误差模型,在理论上完善了时序InSAR数学模型。利用构建的随机误差模型,模拟试验研究了随机误差模型对时序InSAR待估参数精度的影响。结果表明,与等权模型相比较,加权模型(随机误差模型)估计的参数精度有一定提高;但由于加权条件下的参数估计模型复杂、计算效率低,目前利用等权方法进行时序InSAR的参数估计更简便易行。     

利用Sentinel-1影像监测土地回填导致的地表形变

在机场填海区地表稳定散射的范围内,本文运用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术对机场地表形变安全性进行了监测分析,反演获得了研究区域范围内的年形变速率数据结果和高分辨率形变时序结果,并以此分析了香港国际机场的地表形变区在监测周期内的形变时空分布特征。为证明监测结果的精度和可靠性,本文采用全球导航卫星系统（GNSS）观测站的垂直位移数据,对InSAR方法反演的结果进行了交叉验证,证明两者具有良好的一致性。     

基于java开发实现InSAR影像降采样处理

为了反演得到准确的断层几何参数和滑动分布,需要对InSAR干涉图进行科学的降采样处理,生成一个点数合适的观测数据集.考虑到计算效率和反演可行性,基于java语言开发实现了InSAR形变影像均匀降采样处理,具有跨平台、易操作、结果稳健等特性.     

时序地基SAR子影像集监测地震滑坡灾害研究

将星载SAR时间序列技术引入到地基SAR影像处理中,研究时序地基SAR影像监测地震后滑坡灾害。鉴于地基SAR设备与星载SAR传感器多方面均存在较大差异,时序星载SAR技术实际上不能直接用于地基SAR影像序列的分析与处理。考虑地基SAR气象环境等因素的影响,选用子影像集的方法,详细分析了时序地基SAR平均子影像集的生成、相干点目标的选取、沉降模型的建立与解算等处理步骤。以云南鲁甸地震后红石岩滑坡作为研究对象,首先对GB-SAR影像数据依据各影像数据质量提取生成子影像集,然后利用多阈值相结合的方法提取相干点目标,最后对时序建模后的结果进行分析。研究表明时序地基SAR子影像集监测滑坡灾害是有效的。     

改进小基线集技术的GB-InSAR铁路边坡监测

针对传统小基线集技术形变模型和高相干点识别存在的问题,该文利用基于三重指数串行的目标识别技术选取高相干点,同时提出一种不同于传统奇异值分解的时间序列分析算法。利用振幅离差指数、相干系数均值与强度值三重阈值串行的方案进行高相干点选取;通过阈值合理设定,不仅提高了监测结果的点位分布,也剔除了误选的点,保证了所选高相干点的质量;采用一种符合铁路边坡形变规律的线性模型作为约束条件,解决了时序分析过程中法方程秩亏的问题,并利用最小二乘反演得到了研究区域时间序列形变。实验表明,此方法提高了形变结果的精度和可靠性,证明了SBAS-InSAR技术在铁路边坡形变监测上具有良好的发展前景。     

InSAR三维同震地表形变监测——窗口优化的SM-VCE算法

三维同震地表形变场对于地震形变特征解译和断层滑动分布反演具有重要意义.本文基于地表应力应变模型(SM)和方差分量估计(VCE)的InSAR三维地表形变监测方法(SM-VCE),通过顾及一定窗口范围内不同像素点三维形变之间的力学关系(SM)建立函数模型,显著增加了多余观测个数,进而可利用VCE实现不同类InSAR观测值之间的精确定权.相比于传统的单点解算方法,基于窗口的SM-V CE方法可显著提高三维地表形变的估计精度.在原始SM-V CE方法中,求解不同目标点的三维形变时,窗口大小是固定不变的,并且窗口内的I nSAR观测值被认为是等精度的.对于同震形变场而言,I nSAR技术在地震破裂带附近往往难以获得有效的形变监测结果,使得固定窗口大小的SM-V CE方法无法获取完整的三维同震地表形变.即使在断层附近有I nSAR观测值的情况下,窗口内往往会包含断层两侧的异质InSAR观测值,使得原始SM-VCE方法难以得到可靠的近场三维形变.同时,InSAR观测值极易受到失相干等噪声影响,窗口内不同像素点的形变测量值精度往往各不相同,因此,忽略窗口内I nSAR观测值精度差异的做法将会降低三维地表形变精度.鉴于此,本文在SM-V CE方法的框架下,提出一种顾及断裂线及自适应变化搜索窗口的观测值选取策略,进而基于邻近的I nSAR有效观测值重建地震破裂带附近的三维地表形变场;引入迭代加权最小二乘方法实现窗口内同一类I nSAR观测值内部的自适应定权,有效降低了误差较大的观测值对三维地表形变精度的影响.模拟试验和基于升降轨哨兵数据的2019年Ri dgecrest地震研究表明,相对于原始SM-VCE方法,本文提出的窗口优化SM-V CE方法获取的三维同震地表形变场更加精确、完整.     

地基SAR在滑坡形变监测中的应用

地基InSAR是近年发展起来的基于地基SAR (GB-SAR)获取地表形变的一种新的技术手段,分辨率高、可实时监测,实现毫米级形变监测精度,为近距离滑坡实时监测与预警提供了先进的技术手段。本文首先以澜沧江某滑坡体为研究对象,在滑坡体对岸设立固定站点,按固定频率进行GB-SAR数据采集;然后通过先后两景影像形成干涉对,利用相干阈值方法提取相干点目标;最后利用形变模型提取滑坡体形变结果。研究表明,地基SAR可获得整个滑体形变边界、形变大小空间分布及时间变化历程,对滑坡体灾害实时监测非常有效,可为滑坡灾害监测及预警提供参考。