一种多源地面沉降监测数据融合方法及其应用

本文利用精密水准、GNSS和时序InSAR 3种技术手段开展多源地面沉降监测数据融合研究。首先统一3种监测手段的时空基准,然后采用Bland-Altman方法分析监测结果一致性,并采用曲面拟合方法建立监测数据间的模型关系,得到综合精密水准、GNSS和时序InSAR优势的面状监测结果。研究结果表明：研究区主要沉降区域位于沛县安国镇、龙固镇、朱寨镇、大屯街道及丰县分凤城街道,矿产资源开采是导致区域沉降的主要因素。监测周期内的最大沉降速率为29.8 mm/a,地面沉降速率超过10 mm/a的沉降区面积为2 018.8 km²,占总面积的61.9%。     

InSAR、水准多维沉降监测体系建设及应用研究

本文探讨了InSAR、水准沉降监测技术原理,提出了一种InSAR、水准多元数据融合的立体沉降监测体系建设理论方法,并以宁波市为实例验证了该理论方法的实际效果,获取了高精度、高时空分辨率、点面互补的监测成果。通过精度验证表明该理论体系在地面沉降监测中可达到亚厘米级精度,同时又具备多元数据各自优点,具有广阔的应用前景。     

时空三维相位解缠算法改进研究

三维相位解缠是时序干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）技术的关键环节之一,解缠结果直接影响时序InSAR地面沉降监测的精度。针对地面沉降严重、地形坡度变化较大的区域,因相位欠采样引起的整周期解缠误差问题,提出了一种基于频域置信度的加权最小二乘相位解缠算法,并以此替代时空三维相位解缠中空间维以相位梯度为权重的加权最小二乘相位解缠算法。通过提高相位坡度变化估计的准确性,进而提高时空三维相位解缠的精度和稳定性。以北京地区地面沉降监测为例进行了验证,结果表明,与经典的时空三维相位解缠算法相比,改进算法得到的沉降监测结果精度更高,特别是对于坡度变化较大、失相干现象明显的沉降漏斗区,其沉降监测精度有明显改善。     

InSAR与GPS数据融合在变形监测中的应用研究

随着地面沉降监测手段日益丰富,对多源地面沉降监测数据进行数据融合逐渐成为研究的热点。本文针对大气延迟对InSAR地面沉降监测的影响,利用GPS获取对流层延迟,对不同的内插模型,讨论了Kriging内插法、IDW内插法对流层延迟改正的内插模型,并在IDW内插法的基础上进行改进,提出了IIDW内插法,采用香港GPS监测数据与哨兵一号雷达卫星监测数据,通过3种内插模型,得到不同内插方法的双差分结果,并分析比较了3种内插方法的优劣。用计算出的差分对流层延迟改正对InSAR影像进行改正。实验结果表明:IIDW内插法对对流层延迟进行改正不仅提高了D-InSAR的精度,而且为InSAR与GPS数据融合解决提供了一种新的思路。     

InSAR沉降监测量检验方法的研究

本文介绍利用精密水准测量沉降量对InSAR动态监测成果进行精度验证的技术流程,通过PS点沉降量、沉降等值线和沉降曲面等成果的精度对比分析,精密水准点与COSMO影像获取PS点的沉降量之差算术平均值为-0.26mm,与ENVISAT影像获取的沉降量之差算术平均值为-6.36mm,两者精度都达到毫米级,验证了InSAR地面监测成果的可靠性;研究表明InSAR数据分辨率高,准确反映的地面沉降分布和变化趋势,为地面灾害监测提供了重要的数据参考。     

基于多主影像相干目标小基线InSAR技术的无锡市地表沉降监测

探讨了多主影像相干目标InSAR(MCTSB-InSAR)技术在大区域地表沉降监测的应用。在基于特征区域相干性组合干涉像对基础上,利用三级阈值法实现稳定目标点的大密度、高精度提取,以此构建区域Delaunay三角网,创建差分相位函数模型,从而获取地表沉降速率和累积沉降量。以无锡市为例,对两幅各25期Radarsat-2影像进行分析,获取全市2012年2月-2016年1月约489 781个点目标的地表沉降时空分布信息。利用相近时段的水准测量数据进行精度评定,结果表明,二者具有较高一致性,验证了MCTSB-InSAR方法在大区域地表沉降监测中的有效性和可靠性。     

顾及各向异性的多参数协同优化IDW插值方法

反距离加权插值(inverse distance weighting,IDW)的精度受到空间邻近度、距离衰减系数及最邻近点数等多个参数共同的影响.然而,目前的IDW插值算法大多仅考虑单参数的调优,或对各参数独立调优,难以实现插值模型的整体优化.此外,传统的IDW插值算法没有顾及各向异性对空间邻近度的影响.本文提出一种顾及空间各向异性的多参数协同优化IDW插值算法(PIDW).首先,引入距离调节参数以及方向参数,将经典各向同性的欧氏空间距离扩展为各向异性的"椭圆"距离;然后,引入粒子群优化算法对最邻近点数、距离衰减系数、距离调节及各向异性方向的多参数进行协同优化,获得插值精度的偏差与方差在全局意义下的满意解.试验采用两个不同尺度的空间数据验证了PIDW算法的插值效果,结果表明本文的插值算法能够显著地提高各向异性环境下IDW插值算法的精度.通过与经典的IDW及其改进算法的IDW、普通克里金及顾及各向异性的普通克里金算法的比较分析,进一步证实了PIDW具有较好的插值效果.     

不同空间插值对InSAR大气延迟改正影响研究

大气效应是InSAR技术用于地表探测的主要误差源之一。GPS数据作为InSAR大气延迟误差改正的重要数据源,受其站点分布疏密的影响,分辨率还无法做到与SAR影像完全相匹配,必须对GPS获取的大气延迟数据进行空间插值。本文采用反距离加权法(IDW)、Kriging插值法和移动曲面拟合法(Surface Moving Fitting,SMF)三种插值方法,探讨了InSAR大气误差改正过程中的空间插值问题,并对三种插值的精度进行了分析和评价。     

运用水准和InSAR的地面沉降监测数据融合方法

针对地面监测中水准和InSAR数据的优缺点,提出了沉降数据融合算法以及插值计算方法。采用数据融合方法对水准和InSAR进行融合,较好地解决了水准监测数据的时空分辨率低和InSAR数据中部分地区失相干的弊端,使融合后的数据能更好地描述地面沉降的现状,为更好地预测地面沉降的发展趋势,减少沉降灾害对经济社会的危害。天津地区融合算例表明,所提算法较好地解决了单一数据的缺点,融合后的数据拥有了多数据的优点,对后期地面沉降预测提供准确丰富的数据基础。     

一种顾及高程的时空反距离加权插值方法

反距离加权插值法是空间分析中插值的一种常用方法,被广泛应用于各个领域的插值计算中。针对反距离插值法(IDW)中未考虑时间因素与高程因素的影响,本文提出一种顾及高程因素的时空反距离加权插值法(H-TIDW)。该方法首先利用时间序列分解法去除数据的季节性波动,然后综合考虑时空距离与高程因素构建时空插值模型进行预测,最后在预测结果上叠加季节性波动得到最终的预测值。验证结果表明:顾及高程的时空反距离加权插值法将时空信息考虑到距离计算之内,从时间和空间两个维度对PM2.5浓度数据进行分析研究,避免了只考虑空间或者时间而造成大量有价值信息丢失,且插值精度也有一定程度的提升。     

基于CGPS数据的InSAR对流层延迟改正研究

利用CGPS数据和站间、历元间的双差模型来计算InSAR大气延迟改正量。通过新西兰GEONET站网CGPS数据,研究了多雨山区的InSAR对流层延迟内插模型及对流层延迟参数估计个数问题,实验表明IDW和Kriging内插模型都能较好的适用于多雨山区的InSAR对流层延迟改正量内插,每隔5分钟估计一个对流层参数是比较合理的。     

顾及经纬度方向异性的电离层TEC IDW插值及精度分析

反距离加权（inverse distance weighting,IDW）是一种简单实用的插值方法。以全球电离层格网（global ionospheric map,GIM）产品为样本,考虑电离层总电子含量（total electron content,TEC）经纬度方向异性,引入经纬度方向异性调节因子,设计了包含等权在内的6种电离层距离计算方案,分析表明,电离层TEC与经度方向相关性高于纬度方向,不同电离层距离计算方案均能有效提高IDW插值精度。采用最优方案IDW插值分析长期插值精度,结果表明,电离层活动剧烈区域（南北纬度20°）连续12 a“两分两至”日前后全球电离层格网（global ionospheric map,GIM）产品插值,最优方案比普通IDW插值精度提升约25%;2014年太阳活动高年“两分两至”日GIM产品插值,地方时14 h后3~5 h电离层活动剧烈时,最优方案插值精度提升明显,插值均方根误差（root mean square,RMS）最大不超过4.0 TECU。     

Tropospheric corrections to SAR interferometry from GPS observations

Interferometric synthetic aperture radar (InSAR) techniques have been recognized as an ideal tool for many ground deformation monitoring applications. However, the spatially and temporally variable delay of the radar signal propagating through the atmosphere is a major limitation to accuracy. The dominant factor to be considered is the tropospheric heterogeneity, which can lead to misinterpretation of InSAR results. In this paper, a between-site (BS) and between-epoch (BE) double-differencing algorithm for the generation of tropospheric corrections to InSAR results based on GPS observations is tested. In order to correct the radar results on a pixel-by-pixel basis, the GPS-derived corrections have to be interpolated. Using experimental data it has been found that the inverse distance weighted and kriging interpolation methods are more suitable than the spline interpolation method. Differential corrections as large as several centimeters may have to be applied in order to ensure sub-centimeter accuracy for the InSAR result. The algorithm and procedures described in this paper could easily be implemented in a continuous GPS network data center. The interpolated image of BS, single-differenced tropospheric delays can be derived as a routine product to assist radar interferometry.     

一种分形模型的机载InSAR DEM空洞填补方法

针对如何提高机载InSAR DEM空洞填补精度和DEM对地形细节描述的难题,该文对分形模拟的中点位移插值函数做了改进。首先,提出了动态分形参数提取思路,根据选定的窗口动态提取局部分形参数,使提取的分形参数局部精度显著提高。其次,提出了分形曲面中心内插法,以正方形为图像基元,将两点信息扩展到8点信息来充分显示局部变化的细节信息;考虑到对采样点点数和位置的要求,结合距离加权平均法来弥补周围不够8点的特殊情况。最后,以国产机载X波段全极化InSAR影像提取的DEM为数据源进行了实验。实验结果表明,相比传统的中点分形内插法,该方法不仅能有效提高空洞填补精度,且能更好地描述地形的细节信息。     

An application of Coons patch to generate grid-based digital elevation models

We have presented a new method for generating grid-based digital elevation models (DEMs) based on Coons patch. A series of Gaussian synthetic surfaces with various surface complexities were employed to comparatively analyze the simulation accuracies of Coons patch and the classical interpolation methods, such as IDW, Natural neighbor, SPLINE and KRIGING. Results indicate that irrespective of terrain complexity, Coons patch is much more accurate than the classical interpolation methods, and the accuracy of Coons patch is about 327.30, 15.19, 3.66 and 40.07 times as high as the accuracies of IDW, Natural neighbor, SPLINE and KRIGING on average. A real-world test area was used to test the effect of sampling density on the simulation accuracy. The results indicate that Coons patch has a higher accuracy than the classical interpolation methods regardless of sampling density. In a word, Coons patch as an accurate interpolation method can be used for grid-based DEM construction.     

顾及方向遮蔽性的反距离权重插值法

针对反距离权重(IDW)空间插值在实际应用中存在的缺陷,本文对IDW插值算法进行了优化改进,提出了调和反距离权重(AIDW)空间插值方式。该插值方式在传统IDW的算式中增加了反映样点方位的调和权重系数K,其插值过程综合考虑了样点距离和样点方位对插值点的共同影响。理论分析和实例应用表明:AIDW插值方式可减小或克服样点分布不均的IDW插值缺陷,使离散点的空间插值结果更趋于合理,其等值线绘制亦可有效避免传统IDW插值中的孤立圆及同心圆现象,使等值线的绘制更接近于人工作业。     

干热河谷冲沟DEM插值误差的空间分布研究

为了分析云南元谋干热河谷典型冲沟插值误差的空间分布特征,采用反距离加权（inverse distance weighting,IDW）、局部多项式（local polynomial interpolation,LPI）、张力样条（spline with tension,ST）、析取克里格（disjunctive Kriging,DK）以及不规则三角网（triangulated irregular network,TIN）模型方法对高程采样点进行插值,用交叉验证法、相对差系数及沟谷线差异衡量其插值精度。遴选高程误差大于1 m的误差点,用变异系数（coefficient of variation,CV）、全局Moran指数和Getis-Ord G_i*指数分析其空间格局特征。结果表明:TIN和DK精度较高,IDW精度最低;高程误差均呈聚集分布,聚集程度TIN > LPI > DK > ST > IDW;高程误差均呈空间正自相关,TIN模型插值误差的自相关程度最高;误差热点位于坡度大的区域。     

基于DFT模型的大场景InSAR图像配准

图像配准是实现干涉合成孔径雷达(InSAR)高精度相位提取及地形高程反演的关键,大场景图像的高效高精度配准成为近年高分宽幅InSAR成像应用研究的难点问题之一。由于大场景图像中不同区域偏移量及变化规律差异较大,传统最大相干系数配准方法需多分块及插值处理,面临计算量大且配准精度低等问题。针对此问题,本文提出一种基于DFT模型的大场景InSAR高效高精度图像配准算法。该方法利用最小均方差准则构建InSAR复图像配准的DFT模型,采用四叉树自适应分块及矩阵相乘DFT快速重采样配准方法,实现大场景InSAR图像各子块区域的高效高精度亚像素配准。仿真和实测数据验证本文算法的有效性,结果表明该算法不仅可实现大场景InSAR复图像亚像素级配准,还具有较高的运算效率,其运算效率相对于传统FFT配准方法通常可提升3倍以上。     

Errors within the Inverse Distance Weighted (IDW) interpolation procedure

Interpolation procedure is broadly used in sciences that are concerned with spatial data and continuous phenomena that can be depicted on a spatial surface. Interpolation makes use of sampling data, which is accurate and qualitative, in order to produce a continuous representation of the phenomenon in question. The data's accuracy is transferred by the procedure to its results and should be known. This paper examines error propagation by the interpolation procedure, using the Inverse Distance Weighted (IDW) method in the case of the Earth's relief.