联合CORS数据的高分辨率PSI大气延迟改正方法研究

作     者：王义梅 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗小军

授予年度：2017年

学科分类：081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：永久散射体雷达差分干涉技术 高分辨率 CORS数据 大气延迟改正 形变监测 

摘      要：地面沉降是一种缓慢累积的不可逆区域性地质灾害,如若长期作用,会对城市建筑物、防洪排汛系统、地下线性管道以及地铁、铁路等线性城市基础设施造成破坏,直接威胁人民生活及工业生产安全。因此,对城市地面沉降实施及时有效的监测,研究沉降机理,掌握城市地面沉降的分布特征及时空变化规律并进行有效控防,迫切而又具有实际意义。近年来从差分合成孔径雷达干涉技术(DifferentiaI Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)发展起来的永久散射体雷达差分干涉技术(Persistent Scatters InSAR,PSI)继承了 DInSAR大范围、高空间分辨率的形变监测优点,克服了 DInSAR中的时间失相关问题;同时能部分分离出大气相位,降低大气延迟对PSI形变监测的影响,提高形变解算的精度,还可以反演地表形变的时空演化规律。随着TerraSAR-X、COSMOSky-Med等高分辨率SAR卫星的投入使用,基于高分辨率SAR影像的PSI技术(以下简称高分辨率PSI)得到长足发展,并已成为缓慢地表形变监测的重要技术手段之一。尽管高分辨率PSI在形变监测方面具有诸多优势,但目前高分辨率PSI大气延迟改正的策略是依据大气延迟的时空相关性,采用时间域低通滤波的方法对大气延迟进行一定程度的抑制,这并不能精确估计并彻底消除大气延迟,因此大气延迟仍是高分辨率PSI的一个重要误差源。为提高高分辨率PSI大气延迟改正精度,本论文以成都地区为研究区域,提出联合CORS数据改正高分辨率PSI大气延迟的方法,以提高高分辨率PSI形变监测的精度和可靠性。本论文具体工作如下:(1)针对滤波技术对于高分辨率PSI大气延迟改正精度的有限性,本论文结合CORS数据优势,分析了利用CORS数据改正高分辨率PSI大气延迟的可能性以及导致GPS系统和SAR系统大气延迟存在差异的原因,提出了联合CORS数据改正高分辨率PSI大气延迟的方法;(2)在融合GPS改正常规InSAR大气延迟所存在问题的基础上,基于导致GPS系统和SAR系统大气延迟存在差异的因素,建立CORS数据和高分辨率PSI大气延迟偏差模型。在此基础上,利用高精度的CORS数据大气延迟参数,解算基于CORS数据改正的高分辨率PSI大气延迟改正值;(3)基于PSI形变解算的模型,在已有PSI邻域差分相位模型的基础上,构建新的高分辨率PSI邻域差分相位模型,并将基于CORS数据改正的高分辨率PSI大气延迟改正值作为已知量带入此模型,求解各PS点时序形变。其中,线性形变速率依然采用最小二乘法求解,而非线性形变相位则通过对残余相位的空间域低通滤波求得;(4)以覆盖成都地区2010年～2015年间的13景TerraSAR-X影像和四川CORS网络数据为数据源,基于高分辨率PSI技术监测成都地区时序形变,形变解算结果包括采用滤波方法改正高分辨率PSI大气延迟条件下获得的时序形变,以及基于大气延迟偏差模型和新的高分辨率PSI邻域差分相位模型求解的时序形变。对两种方法的形变解算结果进行对比分析。结果表明,相比较于滤波方法,采用本文所提出的方法改正大气延迟后获得的形变监测结果与实际报道以及实际工程建设情况具有更高的一致性,更具合理性与可靠性。通过理论分析及实验研究表明,本文所提出的方法能有效改正高分辨率PSI大气延迟,且比常规的滤波方法更具优势。此外,论文还对成都地区沉降的分布特征和时序发展规律做了分析,初步推测地表地下工程建设、高层建筑物对地基施加的动态载荷以及因城市建设过程中的生产生活需要而对地下水大量开采造成的地下水环境改变可能是导致成都地区发生地面沉降的主要原因。