融合新一代衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的地形與形變信息提取模型與方法.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)差分干涉(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)測量技術(shù)是最近三十年來發(fā)展迅速的空間對地觀測技術(shù)。相對傳統(tǒng)測量技術(shù)，該技術(shù)具有覆蓋范圍廣、精度高、不受天氣狀況影響等優(yōu)勢，但是失相干與大氣延遲是DInSAR方法固有的誤差源，制約著其測量精度的進(jìn)一步提高?；贒InSAR的時序InSAR算法是近二十年來發(fā)展起來的有效方法，該方法基于覆蓋同一地區(qū)的

2、多幅SAR影像進(jìn)行時序分析，通過選取高相干點，利用多余觀測對特定模型的形變信息（如周期性形變）、高程誤差、大氣延遲等進(jìn)行建模與求解，達(dá)到了較高精度。在區(qū)域性沉降監(jiān)測（如城市沉降監(jiān)測等）、災(zāi)害監(jiān)測評估（如火山地震形變測量、滑坡活動性監(jiān)測等）、能源資源勘查（如油氣田開采、礦藏資源開采等）、全球環(huán)境變化（如冰川偏移，極地冰層變化等）等非常廣闊的領(lǐng)域展現(xiàn)了它的應(yīng)用潛力。
　　早期的DInSAR技術(shù)主要用于火山形變監(jiān)測、地震形變測量、區(qū)域形

3、變測量等大尺度范圍，精度大多在厘米級別。制約其精度提升和應(yīng)用范圍提升的一大原因就是早期的SAR衛(wèi)星影像質(zhì)量不夠高，其分辨率大多在10m以上，重訪周期在30天甚至更久。從2007年開始，各國陸續(xù)研制和發(fā)射了性能明顯提高的新一代SAR衛(wèi)星，例如具有兩米高分辨率的德國TerraSAR-X與意大利COSMO-SkyMed衛(wèi)星、具有TOPS模式寬幅成像短重訪周期的Sentinel-1衛(wèi)星等。E.Sansosti與P.Berardino的團(tuán)隊等人將

4、此類衛(wèi)星定義為新一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)。新一代SAR衛(wèi)星的主要提升包括更短的重訪周期、更高的分辨率、更高的定軌精度與更高的成像質(zhì)量等。這些新一代SAR衛(wèi)星帶來了前所未有的高質(zhì)量SAR數(shù)據(jù)，不僅有助于提高以往相關(guān)研究的精度，其大覆蓋范圍，高分辨率也使InSAR技術(shù)與地球物理學(xué)、冰川、水文學(xué)等其它學(xué)科的交叉融合變得更為容易，給許多以前不曾設(shè)想的新研究領(lǐng)域帶來可能。但是，由于這些新一代SAR影像本身在成像模式上的改進(jìn)，其處理方法、算法精度與效率等

5、需要進(jìn)一步分析與驗證，其高分辨率與短重訪周期的優(yōu)勢在新領(lǐng)域的研究與應(yīng)用中能發(fā)揮怎樣的作用與所達(dá)到的精度也需要進(jìn)一步實驗與探索。
　　本文將融合新一代衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，除了對新數(shù)據(jù)本身處理方法展開相關(guān)研究，同時將對其相關(guān)的地形與時序形變信息提取模型與方法展開研究，探究新一代SAR數(shù)據(jù)帶來的精度上的提升與新應(yīng)用的可能。針對InSAR技術(shù)在地形信息及時、高精度、大范圍地獲取的問題，本文基于TerraSAR-X/TanDEM-X(TSX/T

6、DX)衛(wèi)星數(shù)據(jù)展開了相關(guān)研究。本文利用TSX/TDX數(shù)據(jù)對天津地區(qū)（平地地區(qū)），閻良地區(qū)（丘陵地區(qū)）的數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行了提取。通過與SRTM DEM對比證實了TSX/TDX數(shù)據(jù)作為高分辨率數(shù)據(jù)在高程細(xì)節(jié)上的提取能力。本文選取了震后大光包滑坡區(qū)域作為山地地區(qū)研究對象。在該區(qū)域傳統(tǒng)解算方法受制于失相干與過于密集的地形條紋時，本文提出了迭代去平地效應(yīng)的方法，獲取了大光包滑坡震后高精度DEM。
　　TSX/TDX數(shù)據(jù)能及時、高精

7、度、大范圍的獲取地形信息，為我們的震后評估等工作帶來了新的方法與可能。本文將TSX/TDX高精度DEM與震前SRTM DEM進(jìn)行做差對比，不僅能獲取滑坡滑動空間分布圖，還能估算出滑坡累積體量。通過該方法估算大光包滑坡滑坡體量為1.189×109m3，與歷經(jīng)5年工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果(1.159×109m3)接近，同時該精度高于其他基于數(shù)字高程模型對比方法的結(jié)果。
　　歐洲空間局最新(2014年)發(fā)射了采用全新TOPS模式成像的哨兵1號(

8、Sentinel-1)衛(wèi)星。由于其多普勒中心頻率在整幅圖像中的變化較大，也給TOPS圖像處理帶來了一定難度。針對TOPS數(shù)據(jù)處理過程中可能出現(xiàn)的問題，本文提出了一套使用互相干系數(shù)法與頻譜差分法迭代處理的配準(zhǔn)方法，能有效消除Burst拼接過程中潛在的相位跳變問題。本文以大光包滑坡為實驗區(qū)域，聯(lián)合使用TSX/TDX高程模型，基于該數(shù)據(jù)時間序列影像進(jìn)行了InSAR時序分析，成功監(jiān)測了大光包滑坡在2015～2016年的活動性。結(jié)果顯示盡管現(xiàn)在離

9、汶川地震（即大光包滑坡形成之時）已有8年有余，但是大光包滑坡仍有四處區(qū)域顯示出一定活動性，最大形變量級達(dá)到8cm/year。
　　德國TerraSAR-X與意大利COSMO-SkyMed衛(wèi)星可提供2米高分辨率SAR影像，為對小范圍區(qū)域具體目標(biāo)的研究帶來了可行途徑。本文運用多平臺數(shù)據(jù)對上海市2009年～2010年地表形變進(jìn)行監(jiān)測。在傳統(tǒng)方法計算過程中發(fā)現(xiàn)不同衛(wèi)星同軌道（同為降軌）衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)果吻合度遠(yuǎn)高于同衛(wèi)星不同軌道數(shù)據(jù)結(jié)果吻合度，

10、證明水平位移是整個計算過程欠考慮的因素。針對此問題，本文提出了基于多平臺數(shù)據(jù)考慮水平位移的算法，融合三種數(shù)據(jù)對上海市二維形變進(jìn)行了聯(lián)合提取。結(jié)果顯示上海市2009～2010年垂直沉降最大達(dá)到2.3cm/year，同時結(jié)合近幾年地下水采灌數(shù)據(jù)及地下水文結(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù)，對沉降原因及沉降漏斗區(qū)域受影像建筑進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　　基于X波段SAR影像凍土區(qū)域地表沉降監(jiān)測常常會受到相位時間失相關(guān)的影響，特別是凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施如公路的沉降監(jiān)測，屬