IPTA方法在地面沉降监测中的应用

干涉点目标分析(IPTA)技术是一种新兴的In SAR形变测量技术。它克服了常规雷达差分干涉测量(DIn SAR)受失相干因素和大气延迟影响较大的问题。介绍了IPTA方法及处理流程,并对参数迭代估计、基线精化等关键问题进行了阐述。对加利福尼亚州安大略市的39幅ENVISAT ASAR数据进行IPTA处理,提取了2005—2010年间的地面沉降信息并进行了形变分析。结果表明,该方法在大范围地面沉降监测中应用效果良好。     

基于SAR干涉点目标分析技术的城市地表形变监测

通过深入研究干涉点目标的相位模型,提出基于空间搜索的邻近点目标干涉相位差解缠方法,用以计算点目标的地形残差和线性形变,以及分离点目标大气延迟相位和非线性形变相位的时空域滤波方法,解决干涉点目标分析中的关键问题.最后,以苏州地区地表沉降监测为应用试验,利用形成的SAR干涉点目标形变信息提取技术,获取苏州市区1992-2002年间的地表沉降信息.研究结果与已有文献记录保持比较好的一致性,证明SAR干涉点目标技术完全可以发展成为应用于城市地表形变监测的实用化技术.

Abstract：

Interferometric point target analysis (IPTA) is one of the latest developments in radar interferometric processing. It is achieved by analysis of the interferometric phases of some individual point targets, which are discrete and present temporarily stable backscattering characteristics, in long temporal series of interferometric SAR images. This paper analyzes the interferometric phase model of point targets, and then addresses two key issues within IPTA process. Firstly, a spatial searching method is proposed to unwrap the interferometric phase difference between two neighboring point targets. The height residual error and linear deformation rate of each point target can then be calculated, when a global reference point with known height correction and deformation history is chosen. Secondly, a spatial-temporal filtering scheme is proposed to further separate the atmosphere phase and nonlinear deformation phase from the residual interferometric phase. Finally, an experiment of the developed IPTA methodology is conducted over Suzhou urban area. Totally 38 ERS-1/2 SAR scenes are analyzed, and the deformation information over 3 546 point targets in the time span of 1992-2002 are generated. The IPTA-derivecl deformation shows very good agreement with the published result, which demonstrates that the IPTA technique can be developed into an operational tool to map the ground subsidence over urban area.     

Spatial-Correlation Based Persistent Scatterer Interferometric Study for Ground Deformation

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), nowadays, is a precise technique for monitoring and detecting ground deformation at a millimetric level over large areas using multi-temporal SAR images. Persistent Scatterer Interferometric SAR (PSInSAR), an advanced version of InSAR, is an effective tool for measuring ground deformation using temporally stable reference points or persistent scatterers. We have applied both PSInSAR and Small Baseline Subset (SBAS) methods, based on the spatial correlation of interferometric phase, to estimate the ground deformation and time-series analysis. In this study, we select Las Vegas, Nevada, USA as our test area to detect the ground deformation along satellite line-of-sight (LOS) during November 1992–September 2000 using 44 C-band SAR images of the European Remote Sensing (ERS-1 and ERS-2) satellites. We observe the ground displacement rate of Las Vegas is in the range of ?19 to 8 mm/year in the same period. We also cross-compare PSInSAR and SBAS using mean LOS velocity and time-series. The comparison shows a correlation coefficient of 0.9467 in the case of mean LOS velocity. Along this study, we validate the ground deformation results from the satellite with the ground water depth of Las Vegas using time-series analysis, and the InSAR measurements show similar patterns with ground water data.     

干涉合成孔径雷达及其在火山研究中的应用(第一部分:InSAR原理)

干涉合成孔径雷达是一项能够对地表变形进行测量的遥感技术,在一个巨大区域内,它的变形测量精度可达亚厘米级,而其空间分辨率则在数十米以内。本文回顾了InSAR技术的基本理论,阐明了它的工作原理,并对应用InSAR技术进行地表变形测量的相关问题进行了讨论。     

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。     

高分辨率PSI上海市沉降探测及分析

本文在改进的永久散射体(PS)探测方法基础上,应用高分辨率永久散射体雷达干涉(PSI)探测上海市地表沉降,并对沉降原因进行了详细分析。实验选取2008年4月至2010年1月间,由德国卫星TerraSAR-X(TSX)所获取的18幅X波段(波长为3.1 cm)高分辨率SAR影像为数据源,进行PS探测、PSI建模、形变提取和分析。实验结果表明,改进的PS探测方法探测出的PS点是合理和可靠的,且高分辨率SAR影像对地面硬目标识别能力较强,显著提高了PS点的密度和覆盖范围。沉降探测结果显示,最大相对沉降速率达30 mm/yr,平均沉降速率为11.5 mm/yr。     

用InSAR技术进行形变监测的研究

卫星合成孔径雷达干涉技术((InSAR)通过对地面同一地区两次或多次平行观测成像得到的复图象对进行处理可获得数字地面模型,用以监测地表面变化。本文简单叙述了(InSAR)基本原理、处理流程及方法,并通过天津SAR数据的处理,详细介绍了SAR数据处理整个过程,之后给出了基于ERS-2天津地区原始数据的实验结果形成的干涉图及数字高程图。     

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。     

基于相干目标的干涉图叠加方法监测天津地区地面沉降

利用ENVISAT ASAR数据,采用基于相干目标的干涉图叠加方法,对天津地区的地面沉降现象进行了DInSAR监测试验.差分干涉处理采用"两轨法",使用校正了高程异常的SRTM DEM数据消除高程相位.以相干系数为标准选取了相干目标,解缠过程中运用了Delaunay三角剖分和权重最小费用流算法.本文获得的季度平均沉降速率图有效揭示了试验区地面沉降的空间展布及相对形变量,但其获得的绝对形变量尚需地面实测数据校验.     

卫星雷达遥感在滑坡灾害探测和监测中的应用:挑战与对策

将卫星雷达遥感应用于滑坡灾害的探测与监测,不仅可以从空间尺度上大范围捕捉到滑坡信号,而且可以从时间尺度上以较长周期追踪滑坡的运动状态。但是,卫星雷达遥感本身的局限性和滑坡所处的复杂地形环境使这一应用面临一些挑战。对卫星雷达遥感技术的4个主要挑战进行了总结与分析,同时给出了相应的解决方案:①通过提高卫星雷达影像的空间、时间分辨率,使用较长波段雷达信号或采用增强型时间序列分析技术,可降低密集植被覆盖对相干性的影响。另外,采用像素点偏移量追踪或距离向分频干涉测量方法,可克服传统干涉测量中大梯度形变引起的相位失相干。②大气延迟对卫星遥感的影响较大,尤其是地处山区的滑坡探测和监测,利用通用型卫星雷达大气改正系统可显著减弱干涉影像的大气信号并进一步简化时间序列分析,提高缓慢运动滑坡的探测和监测质量。③对于中等分辨率的雷达影像而言,利用数字高程模型可提前量化分析雷达几何畸变（如叠掩、阴影等）引发的滑坡探测监测的适用性;而对于高分辨率的雷达影像而言,利用机器学习方法无需外部高分辨率数字高程模型即可精确识别雷达影像的阴影和叠掩区并进行掩膜,从而大幅度提高数据处理效率。④针对高坡度地区残余的地形相位引起的解缠误差,可通过基线线性组合的方法予以减弱。此外,提出了一个基于多源对地观测的滑坡探测/监测系统框架,综合卫星雷达遥感与其他对地观测数据（如地基雷达、激光雷达、全球导航定位系统）,搭建了一个自动化滑坡探测与监测系统。该研究旨在阐明卫星雷达遥感的优缺点,进一步深化其在滑坡灾害监测方面的应用和推广,引出未来侧重发展方向的思考与探讨。     

地表形变D-InSAR监测方法及关键问题分析

总结和分析了地表形变D-InSAR监测的主要方法和当前所面临的主要问题。针对常规D-InSAR技术中大气相位和低相干区域相 位解缠，分别介绍了基于Delaunay三角网的不规则格网解缠方法、累积干涉纹图处理方法（Stacking Interferograms）、永久性 散射体（PS）技术以及角反射器干涉测量（CR-InSAR）方法，分析了各自的适用条件和优缺点。此外，对有限数据量条件下低相干 区域大气相位校正、相干目标识别等问题进行了重点讨论。立足于工程应用需要，分别对D-InSAR测量地表形变的参数选择、测量 结果的精度验证、D-InSAR测量值与形变的关系、大区域处理以及形变场时空演变等问题进行了分析和讨论。     

基于SBAS技术的金属矿山沉陷规律研究

D-InSAR技术已经发展成为一种重要的地表监测手段,在矿山监测方面已经有较多成功的案例。但是矿山地表沉陷是一个长周期的形变序列,D-InSAR技术由于失相关等因素影响无法获得长周期的时序形变,小基线技术削弱了失相关的影响,可以获得时序的地表形变。文中利用小基线技术分析金属矿山沉陷规律,以某大型锑金属矿山为研究背景,用过14期形变序列探索一定地质采矿条件下的金属矿山的开采沉陷规律。结果表明,金属矿山受重力作用较大,部分区域地表形变受复杂地质构造控制。     

利用车载双天线InSAR系统监测公路边坡形变

星载差分合成孔径雷达干涉测量(differential interferometric synthetic aperture radar,DInSAR)技术已经广泛应用于大范围的地表形变监测,但星载合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）数据获取的地表形变易受大气噪声的影响,且长时间的重访周期会导致像对之间的失相干。为了有效减弱这些影响,提出了利用零空间基线的车载合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)系统监测公路边坡形变的方法。在车载双天线系统采集不同时相的公路边坡SAR数据时,通过轨道控制使得异时相干涉对的空间基线接近零,从而使得利用DInSAR数据进行形变信息提取时可以减少去平地相位的过程,极大地简化了差分干涉处理的流程。以中国湖北省武汉市某区域获取的车载双天线InSAR数据为例,使用所提出的方法对7个布设的角反射器点进行形变精度分析,得到形变值均方根误差为2.206 mm。     

时序InSAR水库大坝形变监测应用研究

合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar,InSAR）作为近年来迅速发展的空间大地测量新技术,具有监测精度高、范围大、空间覆盖连续等优点,是解决水利工程形变监测时空连续性问题的有力手段。针对时序InSAR水库大坝形变监测应用中存在的问题,结合环境特殊性和复杂性,研究适合实际需求的时序InSAR分析方法。广南水库的应用实践表明,时序InSAR方法可探测到坝体表面高质量的散射体目标并提取较高精度的形变序列,验证了其对水库大坝、防潮堤等水工建筑物进行形变监测的有效性。时序InSAR形变监测方法在水库安全状况普查及形变历史回溯中具有巨大的应用潜力。     

干涉合成孔径雷达及其在火山研究中的应用(第二部分:阿拉斯加火山的InSAR成像)(英文)

干涉合成孔径雷达是一项能够对地表变形进行测量的遥感技术,在一个巨大区域内,它的变形测量精度可达亚厘米级,而其空间分辨率则在数十米以内。本文对我们应用InSAR技术对阿拉斯加火山进行研究的最新成果进行了总结,同时包括火山的喷发和非喷发活动。这些研究成果表明InSAR不仅能够增进我们对阿拉斯加火山活动的理解,而且还能够增强我们对未来火山喷发情况及其灾害的预测能力。     

Ground deformation associated with post-mining activity at the French–German border revealed by novel InSAR time series method

We present a novel methodology for integration of multiple InSAR data sets for computation of two dimensional time series of ground deformation. The proposed approach allows combination of SAR data acquired with different acquisition parameters, temporal and spatial sampling and resolution, wavelength and polarization. Produced time series have combined coverage, improved temporal resolution and lower noise level. We apply this methodology for mapping coal mining related ground subsidence and uplift in the Greater Region of Luxembourg along the French–German border. For this we processed 167 Synthetic Aperture Radar ERS-1/2 and ENVISAT images acquired between 1995 and 2009 from one ascending (track 29) and one descending (track 337) tracks and created over five hundred interferograms that were used for time series analysis. Derived vertical and east–west linear deformation rates show with remarkable precision a region of localized ground deformation located above and caused by mining and post-mining activities. Time series of ground deformation display temporal variability: reversal from subsidence to uplift and acceleration of subsidence in the vertical component, and horizontal motion toward the center of the subsidence on the east–west component. InSAR results are validated by leveling measurements collected by the French Geological Survey (BRGM) during 2006–2008. We determined that deformation rate changes are mainly caused by water level variations in the mines. Due to higher temporal and spatial resolution the proposed space-borne method detected a larger number of subsidence and uplift areas in comparison to leveling measurements restricted to annual monitoring of benchmark points along roads. We also identified one deformation region that is not precisely located above the mining sites. Comparison of InSAR measurements with the water levels measured in the mining pits suggest that part of the water that filled the galleries after termination of the dewatering systems may come from this region. Providing that enough SAR data is available, this method opens new opportunities for detecting and locating man-made and natural ground deformation signals with high temporal resolution and precision.     

InSAR技术在矿区沉降监测中的应用研究

介绍了应用InSAR技术监测矿区地表沉降以及地下开采活动的原理;利用重轨差分InSAR技术获得了峰峰矿区地表ENVISAT和JERS 1的雷达形变干涉相位图;分析了在矿区地表沉降过程中ENVISATC波段和JERS 1 L波段形变干涉相位图的相干特性、相位特性以及干涉测量技术在矿区地表沉降监测中应用的可行性和局限性。实验结果表明,利用C波段和L波段雷达数据可以实施对矿区地表沉降的监测,但是C波段雷达受到空间干涉基线的限制更加严格,如果要实现对矿区地表沉降的监测,需要充分利用每个卫星回访时期的雷达数据,建立长时序的星载雷达形变干涉相位图序列,才能较好地实现矿区地表沉降监测。     

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。     

DEM Reconstruction in Layover Areas From SAR and Auxiliary Input Data

In this letter, a methodology to overcome the layover problem and obtain the 3-D reconstruction of urban areas will be discussed. Interferometric synthetic aperture radar (SAR) (InSAR) systems allow the estimation of height profiles of the Earth surface, but in the case of urban scenarios, estimation becomes a hard task due to the presence of SAR geometrical distortions, with layover above all. First, the layover signal in InSAR images is investigated; then, a procedure to specifically manage layover areas is presented. The proposed method consists of introducing an auxiliary data exploitation, optical data or SAR shadowing, in the maximum a posteriori statistical estimation technique to improve the digital elevation model reconstruction, particularly on phase discontinuities. We test the method on simulated data, showing its effectiveness.