基于时序InSAR的三维地表形变监测技术

作     者：梁菲菲 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李真芳

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 081802[工学-地球探测与信息技术] 081803[工学-地质工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0810[工学-信息与通信工程] 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）] 0818[工学-地质资源与地质工程] 081105[工学-导航、制导与控制] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0816[工学-测绘科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：时序干涉 小基线集 永久散射体 分布式散射体 三维形变检测 

摘      要：合成孔径雷达干涉技术自20世纪70年代问世以来,以其大范围、高精度、全天候、全天时等优势,成为遥感领域人类了解地球运动规律、防范自然灾害的重要方法。时序差分干涉合成孔径雷达测量技术作为目前研究地表形变的新兴技术之一,已广泛应用于地面沉降、矿山形变、山体滑坡预警等众多领域。该技术以干涉测量技术为基础,以高相干点为依托,利用多幅SAR影像数据进行时序分析,从而获取地表长时间的形变序列,其中最具代表性的有PS-InSAR技术和SBAS-InSAR技术。然而,时序差分干涉技术的测量结果仅能反映真实三维形变在雷达视线方向的一维投影,容易对真实形变的判读产生影响,使得该技术在实际应用中存在一定的局限性。通过融合多平台的多个轨道数据信息和引入外部数据,可以将一维形变结果拓展到三维。为了获取高精度的一维形变结果并将其应用于三维形变解算中,本文以干涉测量为基础,对时序干涉测量技术进行深入研究,并采用三维解算方法对城市沉降和山体滑坡预警进行研究,主要研究内容和创新点如下:1、研究了合成孔径雷达干涉技术原理与时序差分干涉技术流程,重点研究了时序InSAR技术中高相干点的选取方法,将永久散射体与分布式散射体综合应用于时序InSAR测量中,利用实测SAR数据对山区高相干点进行识别,证明了永久散射体与分布式散射体联合识别的方法在山区中的效果更好;重点研究了残余相位中大气与非线性形变相位分离的方法,通过实测数据和模拟仿真实验证明了滤波与EMD分解方法在残余相位分离的有效性;2、综合PS-InSAR方法和SBAS-InSAR方法,根据波束形成的原理,设计了一种去除大气和减小高程误差的时序测量方法,对原有的时序分析流程进行改进,设计了一套时序InSAR地表形变监测流程,并应用于后续城市一维时序形变解算中;3、研究了多卫星平台三维地表形变解算算法,利用2019年1月至2019年9月间云南省昆明市区Sentinel-1A卫星21景升轨与20景降轨SAR数据分别进行一维形变监测,结合多平台三维解算方法解算得到城市沉降结果,并结合实际Google Earth光学影像对区域沉降趋势进行了分析,实验结果表明昆明市区的城市沉降主要由地下水开采和工程建筑活动引起;4、提出了一种针对山区的三维地表形变解算方法,通过地形梯度确定滑坡方向,根据雷达成像几何关系与一维形变解算结果,获取研究区域的三维形变速率。利用16景Sentinel-1A卫星数据对贵州省毕节市黔西县一处山地区域进行三维形变解算,得到了研究区域内东西、南北、垂直的形变速率,结合实际Google Earth光学影像对区域滑坡进行对比分析,结果与真实滑坡方向一致,证明了该方法的有效性。