基于TerraSAR-X影像的InSAR地表高程重建及區(qū)域形變監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、20世紀(jì)90年代末,合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR,InterferometricSyntheticApertureRadar)作為一種新型空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái),它利用SAR的相位信息獲取高精度的地形信息以及形變信息,具有全天候、全天時(shí)、覆蓋面廣和高精度的特點(diǎn),已經(jīng)成為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域一項(xiàng)極具潛力的技術(shù)。隨著歐空局、日本空間局SAR衛(wèi)星相繼停止運(yùn)行,地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)精度和可靠性要求的不斷提高,以及監(jiān)測(cè)對(duì)象越來(lái)越精細(xì),高分辨率雷達(dá)衛(wèi)

2、星成為了InSAR技術(shù)不斷推進(jìn)和發(fā)展的必然趨勢(shì)。2007年德國(guó)TerraSAR-X高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)射成功標(biāo)志著星載SAR進(jìn)入了一個(gè)全新時(shí)代,它具有重訪周期短、空間分辨率高、波長(zhǎng)短、多極化、多模式、高精度監(jiān)測(cè)地表微小形變等優(yōu)勢(shì)。因此研究如何更好的利用高分辨率TerraSAR-X數(shù)據(jù)建立高精度、高分辨率的數(shù)字地面高程模型(DEM),獲取高精度的地表形變信息,特別是復(fù)雜地質(zhì)災(zāi)害的形變監(jiān)測(cè)將具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。
　　由于Ter

3、raSAR-X數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)更短、分辨率更高,因此在InSAR數(shù)據(jù)處理中除了會(huì)面臨共性的軌道誤差、外部DEM誤差和大氣誤差外,還會(huì)面臨更為嚴(yán)重的時(shí)間和基線失相干,同時(shí)大形變梯度災(zāi)害的準(zhǔn)確相位解纏問(wèn)題、城市環(huán)境下高層建筑帶來(lái)的DEM誤差問(wèn)題以及大氣延遲等誤差也更為嚴(yán)重,這些誤差極大地限制了TerraSAR-X監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度和可靠性。
　　基于以上面臨的問(wèn)題,本文根據(jù)TerraSAR-X影像數(shù)據(jù)本身特點(diǎn),從TerraSAR-X數(shù)據(jù)處理中的

4、主要誤差入手,綜合研究了高分辨率DEM重建和高精度形變時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1、分析了TerraSAR-XDEM重建中的主要誤差及其減弱措施,詳細(xì)討論了基線誤差、形變相位誤差、解纏誤差的影響,發(fā)現(xiàn)在高程變化梯度較大處易出現(xiàn)解纏誤差,使高程結(jié)果不正確,同時(shí)影像獲取期間地表形變也會(huì)引起較大的高程偏差,其偏差隨著形變量增大而增大,另外大氣等隨機(jī)誤差也是制約DEM成果精度的主要因素,基于此,本文研究了6項(xiàng)InS

5、ARDEM重建中的關(guān)鍵技術(shù)步驟:①采用精密軌道數(shù)據(jù)結(jié)合基于地面控制點(diǎn)(GCP)的最小二乘的基線估計(jì)方法對(duì)基線進(jìn)行精化,修正了基線誤差項(xiàng)的系統(tǒng)性偏差;②針對(duì)形變相位誤差建立了形變隨時(shí)間變化模型,剔除了由于影像獲取期間地表形變相位而引起的高程偏差;③提出了基于外部粗精度DEM的“移去恢復(fù)”相位解纏方法,減弱了陡峭區(qū)域相位解纏誤差造成的相位不連續(xù),保證了高程結(jié)果的準(zhǔn)確性;④詳細(xì)討論了多干涉圖組合重建DEM技術(shù)中的權(quán)重因子選擇方法,推導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)了

6、基于基線信息和相干值的定權(quán)方法以及考慮大氣因素的基于小波分析技術(shù)的定權(quán)方法,采用多干涉圖組合重建DEM技術(shù)有效地削弱了大氣延遲相位及噪聲相位的影響,提高了InSARDEM的精度;⑤針對(duì)InSARDEM中大量的低相干空值區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了顧及SRTMDEM的克里格插值方法,該方法通過(guò)已知點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果調(diào)整水平和垂直變異函數(shù),有效地填補(bǔ)了InSARDEM中的空值區(qū)域;⑥提出了以GPS高程數(shù)據(jù)作為高程基準(zhǔn),通過(guò)CR技術(shù)將GPS點(diǎn)在SAR影像坐標(biāo)系下

7、準(zhǔn)確定位,使用最小二乘擬合對(duì)InSAR高程進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)的方法。建立了一套在復(fù)雜環(huán)境下獲取高分辨率DEM的數(shù)據(jù)處理流程,通過(guò)西安地區(qū)6景TerraSAR數(shù)據(jù)試驗(yàn)最終獲取了WGS84基準(zhǔn)下6m分辨率的DEM,通過(guò)與1:5萬(wàn)地形數(shù)據(jù)比較,其高程精度為4m;
　　2、討論了高分辨率InSAR形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中的DEM誤差,介紹了多種DEM數(shù)據(jù)特征,給出了高分辨率數(shù)據(jù)處理使用外部DEM的選擇依據(jù)。西安市區(qū)形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明,采用本文建立的

8、TerraSARDEM有效降低了DEM誤差對(duì)形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響;
　　3、針對(duì)TerraSAR-X形變監(jiān)測(cè)中的各種誤差源,研究采用高相干點(diǎn)目標(biāo)分析技術(shù)監(jiān)測(cè)了西安市和山西省清徐縣的地面沉降地裂縫災(zāi)害。通過(guò)幅度離散指數(shù)閾值法和干涉相位分析方法選取了具有穩(wěn)定散射特性、高信噪比的高相干點(diǎn),確保了相位信息的可靠性;根據(jù)相位信號(hào)的時(shí)空相關(guān)特性,通過(guò)對(duì)相位進(jìn)行時(shí)域高通濾波及空域低通濾波,評(píng)估并移除地形誤差、大氣延遲及軌道誤差,保證了相位解纏的準(zhǔn)