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时序差分雷达干涉多约束建模与地表形变信息提取方法

时序差分雷达干涉多约束建模与地表形变信息提取方法

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作者：唐嘉西南交通大学

学位级别：硕士

地表形变是自然和人为因素作用下引发的一种地质灾害,会导致地面下沉、建筑物损坏、地下管道破裂以及损害交通设施,对人类生存环境、生活生产带来安全隐患,并制约着社会、经济的长期稳定发展。因此,采取高精度、有效的技术手段对地表形... 详细信息

地表形变是自然和人为因素作用下引发的一种地质灾害,会导致地面下沉、建筑物损坏、地下管道破裂以及损害交通设施,对人类生存环境、生活生产带来安全隐患,并制约着社会、经济的长期稳定发展。因此,采取高精度、有效的技术手段对地表形变进行监测,了解和掌握地表形变的时空变化规律和分布特征,对社会的健康发展是十分重要的。近年来兴起的差分合成孔径雷达干涉技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR)和永久散射体差分干涉技术(Persistent Scatterer Interferometry,PSI)因其短重访周期、广覆盖范围、高测量精度等技术优势,广泛地应用于区域地表形变监测。已有相关研究往往只利用了监测区域的单一SAR影像数据,这样仅能监测到雷达视线向(Line Of Sight, LOS)的一维形变信息,并在无水平位移假设的前提下,获得实验区垂直向的位移信息。然而简单地忽略水平位移不仅会造成垂直向形变信息提取的不准确,而且也会忽略其对建筑结构、管道设施造成的影响。为避免因单一观测信息不足引起形变解算偏差,更细致地描述地表各个方向形变的运动趋势,对地表进行多维形变探测是十分必要的。鉴于此,国内外学者提出并发展了一系列多维时序形变解算方法,并广泛地应用于火山、滑坡等领域。其中,代表性的MSBAS (Multidimensional SBAS)方法基于SBAS (Small Baseline Subsets)原理对不同卫星平台的多维形变进行整体建模,可同步解算目标点垂直向和东西向的形变时间序列,对不同类型的地表形变观测具有较高的适用性。但MSBAS解的优劣与参与解算的干涉对数目和未知参数个数具有较大的相关性,与常规SBAS相比该方法未知量成倍增长,导致观测方程出现严重的秩亏和病态等不适定问题,进而造成反演的时序结果不稳定,且解集不唯一。为了弥补和完善DInSAR技术地表形变监测的时空维度信息,并保证形变解算的精度,本文提出了以形变模型和正则化为约束条件的时序差分雷达干涉多约束建模与地表形变信息提取方法(Multi-Constrained Time Series InSAR, MCTS-InSAR),以实现二维时序形变的准确反演。具体来说,本论文的主要工作如下：(1)针对基于SAR影像雷达干涉测量技术在地表二维时序形变监测中存在的问题,本文引入了联合多源SAR卫星数据进行整体建模的解算思路,实现了垂直向和东西向形变时间序列和形变速率的同步获取,有效解决了形变建模中的不适定问题。(2)为保障用于时序模型求解的解缠相位的可靠性,本论文引入时空三维相位解缠方法以替代传统最小费用流(Minimum Cost Flow, MCF)相位解缠方法。上海地区升降轨影像的解缠相位结果表明,三维相位解缠的平滑性优于最小费用流方法,并且相位梯度跳变数明显低于最小费用流方法,解缠精度提高了4倍。(3)针对二维时序形变求解过程中观测方程的不适定问题,本论文提出了以形变模型和基于岭估计的正则化为约束条件的二维时序形变建模和解算方法(MCTS-InSAR),即采用线性和周期性等非线性组合形变模型实现不同卫星平台间的形变约束传递,并通过采用正则化处理增加观测方程,解决观测方程秩亏和病态的不适定问题。依据真实时空基线信息模拟多平台的解缠差分干涉相位,并基于时间重叠度、形变约束模型的通用性和噪声三种影响因子对MCTS-InSAR的可靠性、适用性和精度进行了探讨。模拟实验结果表明,MCTS-InSAR的精度可达到毫米级,且垂直向精度优于东西向。(4)引入方差分量估计方法对不同卫星平台的差分干涉对进行权值优化,实现了MCTS-InSAR垂直向和东西向时间序列的可靠性和精度验证。采用上海地区2009～2010年间的21景升轨COSMO-SkyMed和16景降轨TerraS AR-X影像进行地表二维时序形变提取。结果表明,该地区垂直向的形变速率最大为-19 mm/year,东西向最大为-13mm/year,均位于虹口区;与GPS数据对比显示垂直向和东西向平均速率的精度均在毫米级;使用方差分量估计得到的时间序列的单位权中误差相比验前估计最大可提高5.84 mm,最小可提高0.90mm;方差估计方法将时序形变精度平均提高了2.17 mm。模拟实验和上海地区的实验研究结果表明,本文提出的MCTS-InSAR方法能够正确地反演出地表垂直向和东西向的形变时间序列和平均形变速率,解算精度可达到毫米级,有效解决了观测方程秩亏和病态的不适定问题。

关键词：差分合成孔径雷达干涉时空三维相位解缠形变模型和正则化 MCTS-InSAR 方差分量估计二维时序形变

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