InSAR时序分析高相干目标选取方法比较研究

合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）时序分析技术,利用时域上多幅SAR图像选择时间基线、空间基线满足一定条件的干涉对进行干涉,通过建立干涉相位形变模型获取地表形变信息。InSAR时序分析技术改善了差分干涉测量中时空失相干、大气延迟等问题,广泛应用于有关形变监测的多个领域,并逐渐成为获取长期地表形变趋势的重要手段。在InSAR时序分析中,针对不同应用选取合适的高相干目标选取方法,获得可靠的高相干目标,是获取精确可靠的地表形变信息的基础。本文通过分析永久散射体（Permanent Scatterers,PS）、分布式散射体（Distributed Scatterers,DS）选取方法的理论模型及其算法,研究其适用地物目标类型的异同,并分析、归纳总结了幅度相关法、相位分析法、信号杂波比法、相干性统计法等不同的高相干目标选取方法的优缺点。最后,以阿尔金断裂带西段部分区域为研究区,分别采用具有代表性的PS、DS选取方法开展该研究区域的选点实验,结果表明该研究区域DS选取方法比PS选取方法适用。本文方法为解决在不同地理区域进行应用研究时选取合适的选点方法提供参考。     

利用DS-InSAR技术监测黄河三角洲地表形变

针对黄河三角洲地区湿地及农田多、范围大,导致PS-InSAR技术难以获取高密度地表形变信息的问题,提出一种基于分布式目标InSAR（DS-InSAR）的黄河三角洲地表形变监测方法。该方法通过置信区间估计选取同质像元点,利用特征值分解方法计算主散射体对应相位值以达到相位优化的目的,再根据时空相干性确定分布式目标,最后建模解算时序地表形变信息。以26景Sentinel-1A影像为数据源,提取2019-12～2020-12期间黄河三角洲地区的地表沉降信息,与PS-InSAR方法结果相比,点位密度提高5.56倍;两种方法获取的同名点对形变速率的相关系数为0.727,说明两者具有很好的一致性。实验结果表明,研究区内存在4处明显沉降区域,最大沉降速率达-238 mm/a,经分析及实地调查验证,其主要影响因素为地下卤水及油气开采。     

基于升降轨Sentinel-1A SBAS InSAR的西南山区滑坡隐患早期识别研究

以贵州省水城县为研究区,使用SBAS InSAR分别对2018-07~2019-07鸡场镇滑坡发生前31期升轨和30期降轨Sentinel-1A数据进行处理,提取地表形变场。结果表明：1）鸡场镇滑坡发生前SBAS InSAR形变场并未出现明显形变,已超出12 d重访周期SAR的形变监测能力;2）研究区存在5个明显形变区,推断与斜坡失稳、地下/露天采矿和矿物加工的抽排水有关;3）升降轨数据的SBAS InSAR形变场相互补充、验证,可显著提升卫星雷达对山区滑坡隐患早期识别和形变监测能力。研究方法可为贵州省以及中国西南山区滑坡隐患调查与早期识别提供技术参考。     

利用SBAS-DInSAR技术提取腾冲火山区形变时间序列

基于6景JERS-1 L波段SAR影像,利用小基线集-合成孔径雷达干涉测量技术,通过线性形变相位、非线性形变相位、大气延迟相位以及地形残差相位的分离,提取了腾冲火山地区1995—1997年间地表形变时间序列（雷达视线向）,与2003—2004年的GPS观测结果对比表明,SBAS-DInSAR技术提取地壳形变的精度可达亚厘米级。时间序列形变显示胆札-高田断裂两侧形变差异性显著,可能与其下方存在的地壳岩浆囊的活动有关。打鹰山地区地表形变揭示其下方可能存在隐伏断裂。     

新疆呼图壁地下储气库的InSAR形变监测与模拟

利用TerraSAR-X卫星2013-08~2014-08的17景雷达影像,采用小基线集（small baseline subset,SBAS）InSAR技术获取呼图壁(HTB)地下储气库（underground gas storage,UGS）运行期间的地表形变序列,并结合UGS注（采）气井口的压力数据,采用多点源Mogi模型,对HTB UGS的形变场进行模拟。结果表明,整个UGS区域的形变特征为非连续分布,形变与注（采）气压力变化具有较好的相关性;注（采）气期间沿卫星视线向(LOS)的形变峰值分别为10 mm和-8 mm;采用自适应前向搜索法,基于多点源Mogi模型初步模拟注（采）气期间的形变过程,当UGS的注（采）气平均气压为18 MPa和15 MPa时,LOS的形变可达7 mm和-4 mm,地表形变的大小与注（采）气井口密度有关;UGS的储气分布呈非均匀状态,即地下气库结构复杂多变。     

多基线差分雷达干涉测量的大型人工线状地物形变监测

大型人工线状地物是人类改造自然的产物,同人类生活息息相关。本文从大型人工线状地物定义出发,阐述了其形变现象、成因及衍生灾害;并利用多基线差分雷达干涉测量技术(DifferentialSyntheticApertureRadarInterferometry,DInSAR)实施大型人工线状地物形变监测。通过多数据源实验(ENVISATASAR,广州;PALSAR,香港大屿山;TerraSAR-X,深圳),分析了当前高级DInSAR方法,包括永久散射体和相干目标法在监测大型人工线状地物形变上的能力。实验结果表明,采用了不同的影像干涉对组合策略,永久散射体法适合大数据量SAR影像处理,而相干目标法适合小数据量SAR影像分析。微波穿透性和垂直临界基线随波长增加而增加。因此,在波段选择上,低相干区宜选用长波SAR数据(比如ALOSPALSAR)以获取稳健反演结果;而高相干区宜选用短波TerraSAR-X或者ENVISATASAR数据,以获取高精度地表形变场。结合线状地物几何和物理特性,分别从先验基础GIS/GPS数据、SAR数据源选择、PS点提取和模型改进四方面进行分析和探讨,认为面向线状地物形变监测多基线DInSAR模型的研发是亟待解决的问题。     

PS基线网络用于线性工程形变监测与分析

针对SAR干涉点目标分析技术在区域地表形变监测中仅能在一定程度上消除大气延迟效应的问题,采用邻域差分的思想来减弱差分干涉相位中的自相关影响。采用附加距离限制的Delaunay三角网进行PS基线网络的布设,可以有效剔除距离较长的基线边和低质量的PS点目标,并利用邻接矩阵对PS基线网络中的重复边进行检测与删除,以提高程序的计算效率。首先利用模拟数据对程序的有效性与正确性进行验证,然后以大同-西安客运专线太谷-祁县段为研究对象,选取2015-07～2016-02的8景TerraSAR数据进行实例分析,获取的高铁沿线形变与已有地裂缝调查资料和野外实地考察资料具有较高的一致性,证明了PS基线网络在线性工程形变监测应用中的可行性。     

南宁在建地铁沿线地表沉降监测

南宁作为北部湾经济区的核心城市及中国-东盟博览会的永久举办地,正处于城市地铁修建及工程建设的高峰期。南宁位于复杂地质水文条件的南宁盆地中西部,地铁施工及运行有可能引发地表沉降等潜在风险,但关于南宁地铁修建区的沉降规律系统的认识仍十分有限。利用永久性散射体雷达干涉测量技术（Permanent Scatterers InSAR,PS-InSAR）处理54景Sentinel-1A影像,监测了2017年4月-2018年12月南宁市区地表沉降信息。结果表明,监测期内南宁地表形变速率为-23.8~9.0 mm/a,研究区大部分区域稳定,沉降点分布零星;4个重点沉降区位于蒲庙镇、九曲湾农场、江南地铁站及北湖-万秀村-虎丘一带;重点沉降区形变曲线总体上随时间变化呈现出不均匀下降;沉降成因可能与膨胀土膨胀特性、弃土滑坡、施工作业、列车流量过大及地下水位下降有关。5条地铁沉降值均属于安全范围。研究表明,南宁雨季降水丰富,地铁修建区表土以松散的第四系覆盖层为主,下伏基岩以工程力学性质存在一定不稳定性的第三系膨胀土为主,建议利用PS-InSAR技术对沉降重点区域及地铁沿线开展长期监测。     

基于TCP-InSAR的采动区铁路动态沉降监测与时序分析

为高效获取采动区长时间序列形变，监控煤炭开采对矿区铁路的影响，研究一种基于TCP-InSAR(temporarily coherent point interferometric synthetic aperture radar)的采动区铁路形变监测方法。该方法根据时间序列SAR影像间的相干性，选取临时相干点构建Delaunay三角网，并通过离群值探测去除具有相位模糊度的TCP间的弧段，最后采用最小二乘解算得到区域地表变形。实验使用2016-10~2017-04时间段内的15景Sentinel-1A数据，利用TCP-InSAR技术获得某矿区的铁路形变。结果表明，受采动影响，该时间段内铁路最大下沉值为95 mm，最大倾斜坡度为0.37‰。利用TCP-InSAR技术可实现采动区内铁路长时间的动态形变监测。     

基于Landsat-8时间序列影像分析西昆仑山地区冰川滑移特征

利用图像亚像元互相关分析方法处理了Landsat-8卫星获取的时间序列影像数据,得到中国青藏高原西北部地区西昆仑峰区冰川匀速滑移的时空演化过程。利用亚像元影像互相关技术对Landsat-8光学影像精确配准,配准精度达到0.01像元,即该光学影像的水平形变监测精度达到0.15 m。通过对2013-07～2014-08的15景Landsat-8影像进行互相关和形变时间序列反演分析,获得了西昆仑峰区两条冰川的滑动位移场和速度场。研究表明,该区域的冰川基本处于匀速滑移状态（无明显加速和减速现象）;同时也验证了Landsat-8光学影像在监测较大地表位移和地壳形变事件（如沙丘移动、地震、滑坡、火山等）上的应用潜力。     

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CRInSAR与PSInSAR融合探测地表线性变形速率

提出利用CRInSAR与PSInSAR融合解算地表变形参数的算法。将CR点上获取的线性变形速率与高程改正结果作为PS基线网络的起算数据,依据最小二乘原理求解PS点上待求线性变形速率与高程改正值的最优解。这一算法可融合PSInSAR与CRInSAR两种算法的优势,起到很好的互补作用。实验显示,这一算法获取的线性变形速率精度可达±0.37 mm/a,高程改正值精度可达±0.5 m,证实该算法在实际地表变形监测中具备可行性。     

基于改进PSInSAR技术的非城区地表形变监测

为解决经典PSInSAR技术在非城区因受永久散射体空间分布不足而导致地形形变监测误差较大的问题,提出基于分时散射体(partial time scatterer,PTS)提取的改进算法。首先基于改进的经验模态分解对影像进行边缘保持平滑滤波降噪,然后采用可信概率估计对PTS目标进行联合提取,最后通过参数差分估计分离PTS相位和计算形变速率,从而得到监测区的地表形变。实验结果表明,提取的PTS目标基本可保持传统PS点的空间分布特性和时序变化趋势,提高非城区目标点的空间分布密度,本文算法具有有效性。     

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