PS-InSAR技术在福州市建筑物沉降监测中的应用研究

建筑物沉降主要是由所在地面沉降引起的,而不均匀的地面沉降会造成地表建筑物倾斜形变,并对建筑物的安全结构造成影响,严重的甚至会出现垮塌.本文以福州市仓山区建筑物为研究对象,利用PS-InSAR技术,处理分析了2016年6月至2019年12月福州主城区共计68期SAR影像数据,结合我院已有1:500建筑物矢量面,获取了福州...     

PS-InSAR和SBAS-InSAR技术对昆明主城区地面沉降监测的对比分析

以昆明主城区为例,分别利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技术对2014—2017年间29景升轨Sentinel-1A数据进行沉降监测,对比两种技术得到的沉降结果,进行剖面图分析与时序分析。结果表明,PS-InSAR和SBAS-InSAR技术监测结果具有一致性、相关性和可靠性。研究发现,昆明市沉降漏斗主要位于居民区、地铁、道路、高速公路以及滇池等区域,最大年沉降速率可达-39.580mm/a,累积沉降量达到85mm。研究表明,昆明主城区地面沉降主要由于近几年城市和轨道交通建设的飞跃发展,导致居民区和交通网络密集,地面载荷增加,地下隧道开挖与地下水开采等原因引起地面软土地层下沉。     

Measurement of subsidence in the Yangbajing geothermal fields,Tibet, from TerraSAR-X InSAR time series analysis

Yangbajain contains the largest geothermal energy power station in China. Geothermal explorations in Yangbajain first started in 1976, and two plants were subsequently built in 1981 and 1986. A large amount of geothermal fluids have been extracted since then, leading to considerable surface subsidence around the geothermal fields. In this paper, InSAR time series analysis is applied to map the subsidence of the Yangbajain geothermal fields during the period from December 2011 to November 2012 using 16 senses of TerraSAR-X stripmap SAR images. In the case of the TerraSAR-X data, most orbital fringes were removed using precise orbits during the interferometric processing. However, residual orbital ramps remain in some interferograms due to the uncertainties in the TerraSAR-X orbits. To remove the residual orbital ramps, we estimated a best-fit ‘twisted plane’ for each epoch interferogram using quadratic polynomial models based on a network approach. This method removes most of the long-wavelength signals, including orbit ramps and atmospheric effects. The vertically strati?ed component (Topography Correlated Atmospheric Delay, TCAD) was also removed using a network approach. If the influence of seasonal frozen ground (SFG) is not taken into consideration, our results show that the subsidence rate around power plant I (the south plant) is approximately 20?mm/yr with a peak of 30?mm/yr. The subsidence rate around power plant II (the north plant) is approximately 10?mm/yr, when accounting for the influence of SFG on the power plant and its surrounding ground surface. Our results show that ground motion is caused by seasonal frozen ground and is strongly related to the temperature change.     

沧州地区地面沉降现状Sentinel-1A/B时序InSAR监测与分析

获取了22景IW模式的Sentinel-1A/B数据,分别采用PS-InSAR和SBAS-InSAR两种时序技术得到了沧州地区2015年11月至2016年11月期间地表平均沉降速率及累计沉降量。经分析,两种时序监测结果具有较高的一致性,其结果表明：献县、沧县、沧州市区地面表现为回升趋势;青县、沧县东部、南皮县西部、东光县等地区地面沉降量较大,其中东光县何庄村累计下沉量达47 mm,而引起这些区域地面沉降的主要原因为农业生产等带来的地下水开采。本文对基于Sentinel-1A/B SAR数据的时序分析方法在城市沉降监测方面的应用进行了探讨,为有关部门提供了重要的参考数据。     

An iterative PS-InSAR method for the analysis of large spatio-temporal baseline data stacks for land subsidence estimation

South-west of Tehran, the capital city of Iran, is subjected to a high deformation rate due to excessive groundwater extractions. Persistent Scatterrer SAR Interferometry (PS-InSAR) technique is used to monitor Tehran’s deformation. Three time series data including two Sentinel-1A (S-1A) spanning from 2014 to 2017, and an ENVISAT-ASAR data stack spanning from 2004 to 2010, are analyzed. The PS-InSAR technique does not perform well on ENVISAT-ASAR due to poor selection of PS points induced by large perpendicular baselines and strong temporal decorrelation of the dataset. In this paper, a novel Iterative PSI method (IPSI) is proposed to increase the PS points which are lost in PS-InSAR technique because of the unsuccessful derivation of the absolute phase value due to an integer ambiguity. The method selects PS points based on simultaneous analysis of their amplitude and phase. Results demonstrate that the density of PSs has been increased by about 4.5 times. Line of Sight (LOS) velocities obtained from both S-1A and ENVISAT-ASAR data analysis are highly compatible with each other, indicating the reliability of the both applied methods. The maximum cumulative displacements are estimated as 39.6 cm and 88.4 cm for Sentinel-1A and ENVISAT-ASAR datasets respectively. Moreover, the subsidence area has grown in the period between the data acquisition time. The methods are successfully validated by subsidence rates obtained from precise leveling and GPS observations.     

利用DS-InSAR技术监测沛北矿区地表形变

针对采空区地表散射特性不稳定、高相干点目标少且分布不均匀的特点,本文基于相干矩阵特征值分解（T-EVD）的DS-InSAR技术,利用Sentinel-1A数据获取并分析了徐州沛北矿区2017年1月-2018年12月的地表沉降特征。与常规时序InSAR监测对比表明,融合分布式目标的DS-InSAR技术监测点数量显著增加且空间分布更加均匀,能够更好地反映矿区地表沉降的时空分布特征,为煤炭枯竭型矿区地表沉降规律分析和机理研究提供了先进的技术支撑,在采空区地表沉降监测方面具有良好的应用前景。     

利用时序InSAR监测兰州市中心城区地面沉降

针对兰州市中心城区的地面沉降问题,该文采用PS-SBAS和PS-InSAR技术,利用2016-01-20—2019-02-21时间段内的39景Sentinel-1A/B降轨数据,使用缓冲区分析技术对兰州市中心城区轨道交通线和铁路线周边100m区域做了沉降影响分析,监测结果表明:基于Sentinel-1A/B数据和时序InSAR技术,可以准确监测城市地表的沉降和轨道交通线的沉降时空规律;沉降区域主要集中在研究区东南部的方家泉村、和平镇和猪咀岭村;软土地基下地铁的施工会导致沉降现象的发生,兰州轨道交通线和铁路线的沉降主要发生在城区东南方向;在监测时段内,使用两种时序InSAR技术监测的同名点在沉降趋势和累计沉降量上保持了良好的一致性和吻合性,但PS-InSAR的时序变化曲线较PS-SBAS更为平缓。     

基于分时散射目标的非城区地形PS-InSAR监测

永久散射体(PS)在非城区的分布密度通常难以满足PS-InSAR技术的地形监测需求,导致PS-InSAR监测误差较大,而非城区通常存在一定时段内的散射目标,即分时散射目标,为此,本文提出基于分时散射目标的改进PS-InSAR算法。首先采用通过边缘保持EMD算法对SAR影像干涉对进行降噪;然后以双层K-means聚类提取非城区的分时散射目标候选集,并通过可信概率提取可靠的分时散射目标;最后通过组内加权参数迭代和组间等权融合,计算监测区的地表形变。试验结果表明,提取的分时散射目标与同位置PS点具有相近的分布特性和变化趋势,较大地提高了非城区目标点的分布密度,提高了非城区地表形变监测的精度。     

顾及空间异质性的大范围地面沉降时空预测

大速率、不均匀的地面沉降已经威胁到人类的生产活动,高精度的沉降预测结果对于地质灾害的精准防控具有重要意义。为掌握地面沉降的演化规律,利用现场观测数据或InSAR数据开展了多项预测研究。然而,由于空间异质性的存在,大范围地面沉降的准确预测仍然是一项挑战。在这项研究中,从数据驱动的角度提出了一种顾及空间异质性的大范围地面沉降时空预测方法 STLSTM (Spatio-temporal Long Short-Term Memory)。首先,通过聚类识别地理空间中的均质子区;然后,在每个子区中,一个特别的长短期记忆LSTM (Long ShortTerm Memory)网络被用来捕捉局部位置的非线性特征;最后,利用预训练的网络对未来时刻的地面沉降进行定量预测。在实验部分,哨兵1号影像数据被用来比较STLSTM与其他8种基准方法的性能,利用空间统计指标分析了模型的有效性。结果表明,STLSTM在152 s内达到了最高的预测精度（71.4%）,且能够有效弱化空间异质性对大区域沉降预测任务的影响。总之,这项研究将空间异质性处理策略融合到深度学习模型中,实现了高精度、高时效的大范围地面沉降时空预测。     

Integration of Range Split Spectrum Interferometry and conventional InSAR to monitor large gradient surface displacements

Incorrect unwrapping of dense interferometric fringes caused by large gradient displacements make it difficult to measure mining subsidence using conventional Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). This paper presents a Range Split Spectrum Interferometry assisted Phase Unwrapping (R-SSIaPU) method for the first time. The R-SSIaPU method takes advantage of (i) the capability of Range Split Spectrum Interferometry of measuring surface displacements with large spatial gradients, and (ii) the capability of conventional InSAR of being sensitive to surface displacements with limited spatial gradients. Both simulated and real experiments show that the R-SSIaPU method can monitor large gradient mining-induced surface movements with high precision. In the case of the Tangjiahui mine, the R-SSIaPU method agreed with GPS with differences of approximately 4.2 cm, whilst conventional InSAR deviated from GPS with differences of nearly 1 m. The R-SSIaPU method makes phase unwrapping less challenge, especially in the cases with large surface displacements. In addition to mining subsidence, it is believed that the R-SSIaPU method can be used to monitor surface displacements caused by landslides, earthquakes, volcanic eruptions, and glacier movements.     

雷达影像地表形变干涉测量的机遇、挑战与展望

随着合成孔径雷达(SAR)卫星的不断发射,合成孔径雷达干涉测量技术(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)得到前所未有的发展机遇,同时也面临诸多挑战。本文首先简要介绍了SAR卫星发展现状与InSAR技术的基本原理,并系统梳理了干涉图堆叠(InSAR stacking)、小基线集干涉测量(small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR)、永久散射体干涉测量(persistent scatterer InSAR,PS-InSAR)、分布式散射体干涉测量(distributed scatterer InSAR,DS-InSAR)和分频干涉测量(split-bandwidth interferometry,SBI)等先进InSAR技术的优缺点。在此基础上,指出目前InSAR技术面临的主要挑战(相位失相干、大气延迟、相位解缠、几何畸变和多维变形测量)及相应的解决方案。进一步从地震、火山、滑坡、地面沉降、冰川运动、人工建构筑物位移变形及大气水汽含量估计等不同的应用场景分析了InSAR技术的应用现状和存在的缺陷。最后,展望目前InSAR的发展趋势,随着更高空间分辨率,更高时间分辨率,更轻小化SAR卫星的不断发展,InSAR技术将会被应用到越来越多的新场景,激励我国雷达影像干涉测量更快发展。     

利用SBAS时序技术识别地热资源开采引起的地表形变

本文以地热资源丰富的雄安新区为研究对象,利用SBAS技术对2015年7月至2019年2月的42幅Sentinel-1区域卫星影像和2016年8月至2018年12月的10幅ALOS-2区域卫星影像进行处理,以此获取雄安新区的时间序列地表形变。研究结果表明,雄安新区整体地表沉降严重,且沉降区主要集中在雄县和容城县,其中雄县沉降最为严重,沉降中心累计沉降量超过330 mm,容城县沉降中心累计下沉量超过120 mm。结合地热井位置和地热开采历史,由时间序列分析表明,大量开采地热资源会引起地表沉降现象。     

DEM对PS-InSAR地面沉降监测的影响

针对PS-InSAR监测地面沉降受DEM精度影响的问题,该文通过应用SRTM-3DEM、ASTER GDEM和Pleiades立体像对来获取DEM,分析对比3种DEM的高程精度及其参与PS-InSAR流程的沉降监测精度。结果表明,Pleiades DEM在建筑密集区和高架桥区的监测精度更高,SRTM-3DEM在居民地和施工地区沉降监测精度更高。该成果为不同区域PS-InSAR沉降监测的DEM选择提供了参考。     

联合InSAR技术和地质数据反演普宁城区的地表沉降特征

地表沉降是全球性的地质灾害之一,地表的迅速沉降会导致地表塌陷,从而破坏地下管道及地表建筑,最后造成巨大的经济损失甚至人员伤亡。我国地下工程及地表建筑扩建规模较大,这种地质灾害问题尤为突出。目前,监测地表形变的方法有很多,如水准测量、GPS、InSAR技术等。但通常情况下这些技术只能对地表的高程变化进行定量分析,而无法寻找灾害发生的诱因,缺少对地表沉降时空特征的定性分析。本文以广东普宁地区为例,将InSAR技术与该地区的水文地质特征相结合,从而实现对地表沉降监测从数据采集、处理到成因分析的整个流程的把控。InSAR技术可以验证地质特征的合理性,而地质特征又可以对监测范围及监测周期进行更科学的指导。本文通过这种分析方法,既调查出普宁城区的沉降区域,又对其背后成因进行了系统性的分析,为后续的防治措施及国土空间规划提供了更科学的指导。     

高潜水位矿区采煤沉陷地DEM的无人机构建方法

针对高潜水位矿区采煤沉陷地植被密度大、无人机摄影测量难以获取地面点云的问题,从采煤沉陷地地形特征出发,提出了一种基于断面式点云滤波和DEM模型修正的采煤沉陷地DEM构建方法,经分析,精度可达到1：500比例尺地形图要求,可以为采煤沉陷地损毁评价和土地复垦工作开展提供重要依据。     

基于 C 波段和 L 波段的 SBAS-InSAR 技术监测广州地面沉降

近10年来广州市频繁发生地面沉降、塌陷等地质灾害,造成巨大的生命财产损失,而且目前仍然在加剧。传统的监测技术如GPS、水准测量等难以开展大范围、高精度和高空间分辨率的地表沉降监测工作,而合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)正逐渐成为城市地表沉降监测的有效手段。文中采用短基线集(SBAS-InSAR)技术,通过17景ENVISAT/ASAR数据和21景ALOS/PALSAR数据,探测广州佛山地区2006—2011年的地表形变信息。将其与研究区内已有的水准测量数据进行比较,从而验证InSAR技术监测结果的可靠性。最后圈定了研究区的重点沉降区域并对沉降成因进行分析。     

利用两种时序InSAR技术进行地面抬升监测与研究

近年来,地面沉降监测与治理在防灾减灾方面受到政府重视,但是对地面抬升现象及机理少有研究。本文采用PS-InSAR和NSBAS两种技术,利用Sentinel-1影像升、降轨数据对淄博市4个市辖区进行形变监测,并通过资料分析该区域的地面抬升与煤矿开采情况的一致性。     

高分辨率PS-InSAR在轨道交通形变特征探测中的应用

为了确保城市轨道交通的安全运营和可持续发展,将高分辨率PS-InSAR技术引入城市轨道交通的形变监测领域。以上海为例,分析了城市轨道交通网络专题的形变特征。首先,利用26景TerraSAR-X影像在上海开展高分辨率PS-InSAR沉降精细测量,得到轨道交通网络整体的沉降格局;然后,针对不同建成时期和建设形式的路段,分类探讨其形变特性及原因;最后,进行测量结果的精度验证。分析结果表明,快速的城市化发展建设已成为上海轨道交通沿线主要的沉降原因;不同建成时期和建设形式的路段表现出不同的形变特征,早期建设路段比晚期建设路段更稳定,高架路段比地下路段沉降速率更小;PS-InSAR与水准数据保持很好的一致性。证实了高分辨率PS-InSAR技术在城市轨道交通形变监测、管理维护和预警方面具有一定的可行性,可以为城市公共交通的规划和建设提供决策支持。通形变监测、管理维护和预警方面具有一定的可行性,可以为城市公共交通的规划和建设提供决策支持。     

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。     

利用PS-InSAR技术进行城市地铁沿线形变监测与机理分析

本文利用PS-InSAR技术获取了上海地区沉降速率场及累计沉降量等信息,并分析了该地区的沉降时空分布特征,以及该地区沉降与降水量、地铁施工运营等因素之间的关系。研究表明:①上海市沉降呈不均匀分布,北部沉降较稳定,而中部的虹口区、南部的闵行区、东部的浦东新区均发生了不同程度的沉降。其中,闵行区沉降最为严重,其最大累计沉降量达-43 mm,呈大范围、大沉降现象。②研究区域内沉降量呈非线性沉降现象及明显的季节性变化,且与地区降水量有关,降雨量对地下水的及时补充可以有效缓解地面过度沉降的发生。③上海地铁3、15、16号线部分路段均出现明显沉降现象,且处于在建阶段的15号线沉降最为明显,部分路段最大累计沉降量达-34 mm。