InSAR矿区地表形变监测及大气延迟校正研究

作     者：仝云霄 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭琨;陈宇

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081802[工学-地球探测与信息技术] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：合成孔径雷达差分干涉测量技术 时序干涉测量技术 偏移量追踪技术 形变监测 大气延迟校正 

摘      要：煤炭资源作为我国重要的基础能源,极大地促进了我国的经济发展和社会进步,但是煤炭的大规模开采也带来了一系列生态环境灾害和地表形变问题,及时准确地获取沉降信息,掌握地表运移规律,对于合理有效开采煤炭资源、矿区灾害预警、保护生态环境具有重大意义。常规的形变监测方法成本高、工作量大、观测效率低、点位密度低等问题,很难适应矿区大范围的形变监测。合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术具有空间分辨率高、穿透能力强、监测范围大、全天候全天时、连续空间覆盖、安全性高等优势,已经发展成为一种重要的空间对地形变观测方法。而矿区的地理环境复杂、形变梯度大、速率快、多植被覆盖等特点限制了InSAR技术的应用,论文针对InSAR在矿区应用中的不足,以河北蔚县煤矿区为研究区,进行了矿区地表大梯度多维度沉降监测研究。另一方面,大气水汽的存在使得雷达信号传播路径发生弯曲以及传播速度减慢,导致干涉相位中存在一个附加的延迟相位,其造成的监测误差达到分米级,降低了形变监测的可靠性和精度,本文针对大气延迟这一InSAR技术最主要误差源,以香港为研究区进行了InSAR大气延迟校正研究。本文的主要内容如下:(1)总结分析了InSAR技术的理论原理和研究发展现状,分别阐述了合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)、永久散射体干涉测量技术(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar,PS-InSAR)、短基线集干涉测量技术(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)和偏移量追踪技术(offset tracking)的基本原理及处理流程;同时介绍分析了大气对雷达信号的延迟效应。选取了7景TerraSAR-X影像,基于D-InSAR技术监测河北蔚县矿区的地表沉降,监测结果显示由于大规模开采煤炭资源,该矿区形成了几个比较明显的沉降漏斗,最大沉降量达到382.86 mm,沉降平均速率约为5.07 mm/y,并使用最邻近的水准数据来验证D-InSAR监测结果,证实了D-InSAR技术在矿区形变监测的有效性;选取了20景TerraSAR-X影像,利用PS-InSAR和SBAS-InSAR两种时序InSAR技术来获取蔚县城区的地表形变信息,结果显示蔚县城区中心发生了比较严重的沉降,而蔚县南部地区发生了稍微的上升,两种方法获取的形变结果具有很高的一致性和相关性,证实了时序InSAR技术城区形变监测的可靠性。(2)使用19景TerraSAR-X和16景Sentinel-1影像,基于SBAS-InSAR获取了河北蔚县矿区雷达视线方向(line of sight,LOS)上的沉降信息,并联合降轨TerraSAR-X和升轨Sentinel-1影像获取了研究区域在垂直方向和东西方向的二维形变速率;考虑到SBAS-InSAR技术在小量级变形领域的高精度优势以及偏移跟踪技术在大量级变形领域的应用潜力,提出一种基于空间相干图的方法,结合SBAS-InSAR和偏移跟踪技术进行矿区大梯度形变的监测,并使用精密水准数据来验证结合结果,二者平均误差约为59.3 mm,表明综合利用SAR图像的相位信息和强度信息能够在大量级变形区域中探测相对可靠的形变信息。(3)针对InSAR技术易受大气延迟的影响,以香港为研究区分别使用了Power law、ERA-Interim、MERRA、GACOS以及WRF来估计InSAR大气延迟相位,对比分析了各方法校正结果的可靠性和精度,针对单一方法在大气校正中的缺陷,结合多种方法来估计大气延迟相位,并与单独使用其中一种方法的结果进行了对比分析,结果证实了结合多种方法进行InSAR大气延迟校正的可行性。