時序差分雷達干涉多約束建模與地表形變信息提取方法.pdf

1、地表形變是自然和人為因素作用下引發(fā)的一種地質(zhì)災害，會導致地面下沉、建筑物損壞、地下管道破裂以及損害交通設(shè)施，對人類生存環(huán)境、生活生產(chǎn)帶來安全隱患，并制約著社會、經(jīng)濟的長期穩(wěn)定發(fā)展。因此，采取高精度、有效的技術(shù)手段對地表形變進行監(jiān)測，了解和掌握地表形變的時空變化規(guī)律和分布特征，對社會的健康發(fā)展是十分重要的。
　　近年來興起的差分合成孔徑雷達干涉技術(shù)(Differential Interferometric SyntheticAper

2、ture Radar，DInSAR)和永久散射體差分干涉技術(shù)(Persistent Scatterer Interferometry，PSI)因其短重訪周期、廣覆蓋范圍、高測量精度等技術(shù)優(yōu)勢，廣泛地應用于區(qū)域地表形變監(jiān)測。已有相關(guān)研究往往只利用了監(jiān)測區(qū)域的單一SAR影像數(shù)據(jù)，這樣僅能監(jiān)測到雷達視線向(Line Of Sight, LOS)的一維形變信息，并在無水平位移假設(shè)的前提下，獲得實驗區(qū)垂直向的位移信息。然而簡單地忽略水平位移不僅會

3、造成垂直向形變信息提取的不準確，而且也會忽略其對建筑結(jié)構(gòu)、管道設(shè)施造成的影響。為避免因單一觀測信息不足引起形變解算偏差，更細致地描述地表各個方向形變的運動趨勢，對地表進行多維形變探測是十分必要的。
　　鑒于此，國內(nèi)外學者提出并發(fā)展了一系列多維時序形變解算方法，并廣泛地應用于火山、滑坡等領(lǐng)域。其中，代表性的MSBAS(Multidimensional SBAS)方法基于SBAS(Small Baseline Subsets)原理對不

4、同衛(wèi)星平臺的多維形變進行整體建模，可同步解算目標點垂直向和東西向的形變時間序列，對不同類型的地表形變觀測具有較高的適用性。但MSBAS解的優(yōu)劣與參與解算的干涉對數(shù)目和未知參數(shù)個數(shù)具有較大的相關(guān)性，與常規(guī)SBAS相比該方法未知量成倍增長，導致觀測方程出現(xiàn)嚴重的秩虧和病態(tài)等不適定問題，進而造成反演的時序結(jié)果不穩(wěn)定，且解集不唯一。
　　為了彌補和完善DInSAR技術(shù)地表形變監(jiān)測的時空維度信息，并保證形變解算的精度，本文提出了以形變模型和

5、正則化為約束條件的時序差分雷達干涉多約束建模與地表形變信息提取方法(Multi-Constrained Time Series InSAR，MCTS-InSAR)，以實現(xiàn)二維時序形變的準確反演。具體來說，本論文的主要工作如下:
　　(1)針對基于SAR影像雷達干涉測量技術(shù)在地表二維時序形變監(jiān)測中存在的問題，本文引入了聯(lián)合多源SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行整體建模的解算思路，實現(xiàn)了垂直向和東西向形變時間序列和形變速率的同步獲取，有效解決了形變建

6、模中的不適定問題。
　　(2)為保障用于時序模型求解的解纏相位的可靠性，本論文引入時空三維相位解纏方法以替代傳統(tǒng)最小費用流(Minimum Cost Flow，MCF)相位解纏方法。上海地區(qū)升降軌影像的解纏相位結(jié)果表明，三維相位解纏的平滑性優(yōu)于最小費用流方法，并且相位梯度跳變數(shù)明顯低于最小費用流方法，解纏精度提高了4倍。
　　(3)針對二維時序形變求解過程中觀測方程的不適定問題，本論文提出了以形變模型和基于嶺估計的正則化為約

7、束條件的二維時序形變建模和解算方法(MCTS-InSAR)，即采用線性和周期性等非線性組合形變模型實現(xiàn)不同衛(wèi)星平臺間的形變約束傳遞，并通過采用正則化處理增加觀測方程，解決觀測方程秩虧和病態(tài)的不適定問題。依據(jù)真實時空基線信息模擬多平臺的解纏差分干涉相位，并基于時間重疊度、形變約束模型的通用性和噪聲三種影響因子對MCTS-InSAR的可靠性、適用性和精度進行了探討。模擬實驗結(jié)果表明，MCTS-InSAR的精度可達到毫米級，且垂直向精度優(yōu)于東

8、西向。
　　(4)引入方差分量估計方法對不同衛(wèi)星平臺的差分干涉對進行權(quán)值優(yōu)化，實現(xiàn)了MCTS-InSAR垂直向和東西向時間序列的可靠性和精度驗證。采用上海地區(qū)2009～2010年間的21景升軌COSMO-SkyMed和16景降軌TerraSAR-X影像進行地表二維時序形變提取。結(jié)果表明，該地區(qū)垂直向的形變速率最大為-19 mm/year，東西向最大為-13mm/year，均位于虹口區(qū);與GPS數(shù)據(jù)對比顯示垂直向和東西向平均速率的精