不同尺度综合地表形变InSAR时序监测与机理分析

发布时间：2020-03-19 03:15

【摘要】：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新型空间对地观测技术,因其具有大范围、高分辨率、高精度等优势而被广泛应用于不同类型的地表形变监测中,但其本身也受诸多技术局限限制,例如时间、空间基线失相干,DEM误差和大气延迟效应,使其在地表形变监测中难以获得可靠的监测结果。为克服上述限制因素对形变监测的影响,以长时间序列SAR影像上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,不仅提高了InSAR形变监测的精度,还能够提供长时序的InSAR形变监测结果,使得InSAR技术的发展与应用得到了革命性的变革。然而,由于时序InSAR技术的应用研究起步较晚,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秩亏问题、低相干条件下高相干点目标的有效识别、时序InSAR大范围地表形变监测以及监测成果的精度评定问题等。此外,在很多区域时序InSAR监测获取的形变可能是同时包括构造断裂、岩浆活动、地下水开采、地下采矿、滑坡、地裂缝等的多源综合形变,并未有效分离不同尺度形变的贡献。针对上述问题,本文以山西省太原盆地的地表形变作为主要研究对象,综合运用多时相、多轨道的SAR影像数据,开展了基于时序InSAR技术的高精度、大范围地表形变监测研究,并进一步结合地球物理模型对地面沉降与构造断裂等不同尺度的地表形变进行分离,扩展了时序InSAR技术的应用广度与深度。本文主要的研究内容包括:(1)系统分析了常规D-InSAR技术以及多类时序InSAR技术,总结了各类时序InSAR技术的应用特点,提出在实际的地表形变监测应用研究中需要综合考虑研究对象的特征、研究区的地质地貌、SAR影像数据的质量和数量,选取合适的、有效的InSAR时序分析方法,为后续相关研究的方法选取提供了参考。(2)从常规短基线集(SBAS)时间序列的形变模型出发,系统分析并推导了当短基线干涉组合中包含多个独立数据子集时,常规SBAS利用奇异值分解进行时间序列求解时附加的形变基准。在此基础上,提出了一种基于模型约束的SBAS时间序列地表形变解算方法,即以探测出的形变周期作为约束条件进行时序解算,有效地克服了常规SBAS中由于多数据子集导致的基准缺失。研究表明,基于模型约束的SBAS方法能够获取更加真实的地表形变时间序列。(3)综合PS-InSAR与SBAS技术的优点,重点研究了短基线干涉组合的SAR干涉点目标时序InSAR技术,提出了基于幅度离散指数法、相干系数阈值法以及基于像元子视相干系数阈值的点目标检测的多重阈值高相干点目标识别方法,有效地解决了常规PS-InSAR技术对SAR影像数据量的依赖;提出了适合短基线干涉组合模式的非线性形变估计方法,有效地反演了非线性形变分量。并在此基础上,针对长条带SAR数据的计算效率、误差传递等因素对形变监测结果的影响,提出了分块的时序InSAR处理方案,研究并解决了不同数据子块的基准统一问题;针对相邻轨道InSAR监测成果的有效拼接问题,研究并解决了不同轨道坐标系与参考基准统一的问题,并建立了利用相邻轨道重叠区冗余的形变观测数据检验独立观测精度的方法。太原盆地地区的三个相邻轨道SAR影像数据的实验结果表明,相邻轨道重叠区域的监测精度优于5.0mm/a。(4)采用短基线干涉组合的SAR干涉点目标时序InSAR技术对太原地区的地表形变进行了长时间序列、高精度的形变监测,并结合地下水位的相关资料,进行了地下水位变化与地面沉降间的相关性分析,同时利用InSAR地面沉降结果计算了太原地区地下含水层研究中的重要水文地质特征参数——骨架释水系数,并绘制了太原地区的骨架释水系数的空间分布图,最后分析了该区地面沉降的成因机理,证实了地下水开采是引起太原地区地面沉降的主要诱发因素,同时地面沉降的空间分布与第四系地层分布尤其是粘性土层的分布密切相关。(5)针对雷达视线向一维形变难以揭示地表真实形变特征,研究了融合多轨道SAR数据的二维形变时序估计方法,利用清徐-交城地区的ALOS PALSAR与Envisat ASAR数据进行了实验,获取了该区的二维形变时间序列;在Okada均匀弹性半空间矩形位错模型的基础上,根据研究区地表形变的特点与实际情况构建了适合地下水开采引起的地面沉降机理的简化矩形位错模型,成功地分离了地面沉降形变与构造断裂形变,研究结果表明交城断裂的活动速率约为5mm/a,与已有监测资料具有较高的一致性。(6)针对高速铁路沿线高相干点目标空间分布不均匀,已有的大范围地表形变监测方法难以获得预期监测结果的问题,给出了一种顾及相邻高相干点目标空间相关性的形变解算方法;模拟数据与实测数据均表明附加距离限制的Delaunay三角网构建的PS基线网络模型明显优于常规GAMMA IPTA构建的基线网络模型,更适合高速铁路等线性工程形变监测。
【图文】：

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相位解缠误差等误差因素的干扰以及实现相邻轨道 SAR 数据的有效拼接是实现大范围地表形变时序 InSAR 监测一个急待解决的问题；InSAR 技术仅能获取地表形变在雷达视线向的一维投影，对于无法忽略水平方向形变影响的地表形变而言，无法反映出真实的地表形变情况，如何准确恢复地表的多维形变信息仍然是当前限制时序 InSAR 技术发展应用的主要问题之一。针对此，本论文将以“不同尺度综合地表形变 InSAR 时序监测与机理分析”作为总体研究方向，选取我国地质灾害比较严重的山西省太原盆地的地表形变作为研究对象，综合运用多时相、多轨道的 SAR 影像数据，开展基于时序 InSAR 技术的高精度、大范围地表形变监测研究，最终揭示出典型地质灾害区地表形变的时空演化特征，扩展时序InSAR 技术在地表形变监测方面的应用深度；在此基础上，将高精度的时序 InSAR 形变监测结果与地球物理模型相结合对不同尺度的地表形变进行分解，分析不同尺度形变对区域地表形变的贡献，为地质灾害的防灾减灾提供独特的信息支持，，推动新兴大地测量技术在地球动力学研究中的发展。论文的总体技术沦陷如图 1.1 所示。

示意图,示意图,实际记录,定数

图 2.1 InSAR 系统的观测几何示意图1 所示的几何关系，点 P 的高程h表示如下：cos 1h H R中，由余弦定理可得：)2sin(22cos(1221122122 R R B RB R B RB1 R，则有：2(())2()sin()221122121BRRBRRBRRRB sin取的雷达信号实际记录的是双程信号以及多普勒方向的定数学表达式为：
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU433

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