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新成陆区多卫星平台MT-InSAR形变时序融合方法与InSAR时间失相干效应对土地覆盖分类的影响

新成陆区多卫星平台MT-InSAR形变时序融合方法与InSAR时间失相干...

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作者：马冠宇华东师范大学

学位级别：硕士

河口海岸填海造陆形成的新成陆区,其吹填土具有含水量高、孔隙比大等特点。吹填土自重固结作用会产生明显的地面沉降,其对道路、建筑等基础设施造成危害,并加剧风暴潮带来的洪涝灾害。多时相合成孔径雷达干涉测量技术(Multi-temporal In... 详细信息

河口海岸填海造陆形成的新成陆区,其吹填土具有含水量高、孔隙比大等特点。吹填土自重固结作用会产生明显的地面沉降,其对道路、建筑等基础设施造成危害,并加剧风暴潮带来的洪涝灾害。多时相合成孔径雷达干涉测量技术(Multi-temporal InSAR,MT-InSAR)可以提取大范围、高精度的地表形变信息,已被有效应用于地表形变的监测。然而新成陆区吹填土自重固结引起的大范围、缓慢、不均匀的沉降过程往往持续十几年甚至几十年。受限于卫星的设计运行期限和在轨运行时间,单一卫星平台合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)无法满足监测、记录新成陆区完整的固结沉降过程的需求。对多卫星平台MT-InSAR时序进行有效融合,可以实现对新成陆区整个固结沉降过程持续规律地监测分析,但多卫星平台MT-InSAR形变时序多级融合策略的优选,融合方法中存在的不确定性,尚待进一步的研究。另外,为进一步研究新成陆区地表形变造成的损失和影响,还需要对新成陆区的土地覆盖进行有效的分类。利用多光谱遥感信息和SAR后向散射强度信息与干涉相干信息,进行多源遥感信息融合可以有效的提高分类精度。但在上海市新成陆区,发生了相干性异常降低的现象,从而使新成陆区相较于其他区域同一土地覆盖具有更低的相干系数,严重影响了使用相干信息进行多源遥感土地覆盖分类的精度。本研究的目的旨在分析和确定多平台MT-InSAR形变时序多级融合策略的优选,以及融合方法中存在的不确定性。同时,分析相干性异常降低区域的失相干特征,并消除相干性异常降低引起的分类错误,以提高多源遥感土地覆盖分类的精度。本研究的研究区为上海市东部的新成陆区,该区域包括了浦东国际机场、南汇东滩和临港新城。利用ENVISAT ASAR(ENV)、COSMO-SkyMed(CSK)、Sentinel-1A(S1A)三个SAR卫星平台数据集,通过小基线集方法(Small Baseline Subset,SBAS)分别获取了三个平台在三个不同时期的形变时间序列。基于ENV、CSK、S1A三个卫星平台反演的MT-InSAR形变时序,通过奇异值分解(SVD)方法、新成陆区固结沉降模型非线性拟合方法实现了三个卫星平台MT-InSAR形变时序融合。在进行多星(三星及以上)MT-InSAR形变时序融合时,针对不同的多级融合策略,讨论了不同的多级融合策略所得的融合形变时序之间的差异。分析了固结沉降模型非线性拟合方法存在的不确定性,并提出了基于Bagging集成学习的固结沉降模型非线性拟合优选方法。该方法经水准数据验证可以有效的提高地表形变监测精度。在InSAR时间失相干效应对土地覆盖分类的影响方面,首先讨论了新成陆区的相干性异常降低现象及其对土地覆盖的影响,引入之前得到的地表形变监测信息,验证地表形变对新成陆区相干性异常减低是否存在影响,进一步分析了新成陆区相干性异常降低的影响因素,使用S1A影像构建了新成陆区的时间失相干模型,最终将新成陆区时间失相干模型引入多源遥感土地覆盖分类,应用于浦东国际机场的土地覆盖分类,分类整体准确率为86%,Kappa系数为0.82,相较于基于Sentinel-2真彩色影像和标准假彩色影像的分类结果,总体精度分别提高了22%、11%,Kappa系数分别提高了0.29和0.14。

关键词：新成陆区地表形变融合分析土地覆盖分类时间失相干

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基于SVD的多卫星平台MT-InSAR形变时序融合最优条件分析与新成陆区固结沉降模型研究

基于SVD的多卫星平台MT-InSAR形变时序融合最优条件分析与新成陆...

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作者：丁敬钊华东师范大学

学位级别：硕士

多时相合成孔径雷达干涉测量技术(Multi-temporal In SAR,MT-In SAR)能够提取高精度、高时空分辨率的地表形变信息,已被广泛应用于地表形变监测。得益于不断增加的新的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星,融合多卫星平台MT... 详细信息

多时相合成孔径雷达干涉测量技术(Multi-temporal In SAR,MT-In SAR)能够提取高精度、高时空分辨率的地表形变信息,已被广泛应用于地表形变监测。得益于不断增加的新的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星,融合多卫星平台MT-In SAR形变时序可以使得获取新成陆区长达几十年的不均匀时序地表形变场成为可能。奇异值分解(SVD)已经被证明是一种可以有效融合有时间重叠的MT-In SAR形变时序的方法。本研究分析了基于SVD方法进行有时间重叠的MT-In SAR形变时序融合过程中的最优条件。新成陆区固结沉降土力学模型能够对有时间间隔的MT-In SAR形变时序进行有效融合,本研究验证了多卫星平台MT-In SAR形变时序约束的新成陆区固结沉降土力学模型在时间间隔期对形变时序模拟的准确性,以及该模型在不同新成陆区地表形变模拟的适用性。本研究以上海新成陆区为研究区,分析了基于SVD方法融合有时间重叠的多卫星平台MT-In SAR形变时序的最优融合条件。基于2013年12月至2016年3月期间获取的覆盖上海新成陆区的COSMO-Sky Med(CSK)和2015年2月至2019年1月Sentinel-1A(S1A)合成孔径雷达卫星影像时序(分别有61和47景数据),首先通过小基线集(Small Baseline Subset,SBAS)方法和雷达卫星视角获取了上海新成陆区垂直向MT-In SAR形变时序。进而通过奇异值分解法(SVD)融合了有时间重叠的CSK和S1A MT-In SAR形变时序,并按照倒序删减CSK MTIn SAR形变数据和正序删减S1A MT-In SAR形变数据两种策略,探讨了CSK和S1A MT-In SAR形变时序融合的最优条件。研究结果表明,CSK和S1A两个待融合形变时序需要其中一个形变时序在重叠时段内至少保留5个形变数据,才能保证融合后的形变时序的精度偏差在5mm内。过往研究使用两个有时间间隔的SAR数据集:2007年2月至2010年9月的ENVISAT ASAR(ENV)数据集和2013年12月至2016年3月的COSMOSky Med(CSK)数据集,通过新成陆区固结沉降土力学模型融合生成了长达9年的上海新成陆区地表形变时序。然而,在2010年9月至2013年12月的时间间隔内,只用新成陆区固结沉降土力学模型模拟了2010年9月至2013年12月的地表形变过程,模拟的有效性和准确性有待验证。本文通过使用第三个独立的SAR数据集:2012年1月至2016年10月的Radarsat-2(RST-2)数据集(部分覆盖了ENV和CSK数据的时间间隔),分析了时间间隔期内新成陆区固结沉降土力学模型拟合值与RST-2 MT-In SAR形变时序的一致性,证实了新成陆区固结沉降土力学模型在时间间隔期对新成陆区地表形变模拟的有效性和准确性。为了验证新成陆区固结沉降土力学模型对其它新成陆区地表形变模拟的适用性,本研究将研究区拓展到珠江三角洲的深圳新成陆区。基于升轨、降轨ENV(2007年6月至2010年4月)和升轨S1A(2019年6月至2020年6月)三组SAR数据集,获得了深圳新成陆区地表形变时序。进而通过最小加速方法(Minimum Acceleration,Min A)融合升、降轨ENV形变时序获取了研究区垂直向和东西向形变时序,并利用垂直向形变时序估计了新成陆区固结沉降土力学模型、对数形变模型、指数衰减形变模型三种模型的最优拟合参数,以预测深圳新成陆区地表形变的未来演变。通过对比模拟预测值和S1A MT-In SAR测量值,结果表明新成陆区固结沉降土力学模型和对数形变模型的地表形变预测结果更为合理。证实了新成陆区固结沉降土力学模型同样适用于模拟深圳新成陆区的地表形变过程。

关键词： MT-InSAR 地表形变新成陆区形变模型

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基于多级联合策略的多平台MT-InSAR形变时间序列联合分析 ——以上海市新成陆区为例

基于多级联合策略的多平台MT-InSAR形变时间序列联合分析 ——以...

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作者：禹雷华东师范大学

学位级别：硕士

为了减轻城市扩张与人口增长带来的压力,从上世纪50年代开始,上海市在东部沿海滩涂湿地上开展了大规模的促淤围垦工程,形成了大面积的新成陆区。由于受到冲填土自重固结以及人类活动引起的动载荷作用等多种因素的影响,该区域在填海工程... 详细信息

为了减轻城市扩张与人口增长带来的压力,从上世纪50年代开始,上海市在东部沿海滩涂湿地上开展了大规模的促淤围垦工程,形成了大面积的新成陆区。由于受到冲填土自重固结以及人类活动引起的动载荷作用等多种因素的影响,该区域在填海工程竣工后容易发生大面积不均匀的地面沉降,对建筑物和其它基础设施造成潜在危害。基于2007年2月26日至2010年9月13日获取的35景ENVISAT/ASAR数据,2013年12月7日至2016年3月18日获取的61景Cosmo-SkyMed数据,以及2015年2月26日至2017年4月4日获取的33景Sentinel-1A数据,本文首先采用短基线集（Small Baseline Subset,SBAS）方法分别提取了上海市新成陆区在三个不同时间段内的地表形变时空分布特征,进而采用最小加速度方法（Minimum Acceleration,MinA）对Cosmo-SkyMed数据集和Sentinel-1A数据集的视线向（Line Of Sight,LOS）形变时间序列进行了三维分解,以分析水平方向的形变分量是否可以忽略不计。根据三维形变分解结果,本文将各个数据集的LOS方向形变转换为垂直向形变,并采用多级联合策略,利用奇异值分解法（Singular Value Decomposition,SVD）以及上海市冲填土自重固结沉降模型对三个数据集的垂直向形变时间序列进行了联合分析,最终获得了研究区近10年的形变时间序列结果。三个数据集的LOS方向形变监测结果表明,研究区在2007年至2010年、2013年至2016年以及2015年至2017年三个时间段内均发生了不同程度的地表形变,且以地面沉降为主。沉降较为明显的区域主要包括浦东机场、南汇东滩以及滴水湖东部区域。统计分析结果表明,自2007年至2010年,研究区形变累积量均值约为-37 mm、年平均形变速率均值约为-11 mm/year;2013年至2016年的形变趋势明显缓和,对应的形变累积量均值和年平均形变速率均值分别为-12 mm和-5 mm/year;2015年至2017年的形变趋势最稳定,对应的形变累积量均值和年平均形变速率均值分别为-11 mm和-5 mm/year。通过对三个时间段的形变监测结果进行比较可以看出,研究区的地表形变随着时间的推移逐渐趋于缓和。三维形变分解的结果表明,自2015年2月26日至2016年4月4日,研究区范围内所有高相干点东西方向形变速率的均值约为0 mm/year,其中约有90%的高相干点对应的东西方向形变速率分布在-6 mm/year mm/year之间;垂直方向年平均形变速率的均值约为-4 mm/year,其中有90%的高相干点对应的垂直方向形变速率分布在-10 mm/year mm/year之间。可知:上海市新成陆区水平方向的地表形变量值明显小于垂直方向。根据三维形变分解结果,本文对浦东机场进行了分析,结果表明浦东机场的地表形变主要集中在垂直方向上,水平方向无明显形变。在空间分布上,位于天然地基之上的西部区域对应的形变趋势比较稳定,而位于填海区范围内的东部区域在垂直方向上呈现出明显的沉降现象,沉降速率约为-30 mm/year mm/year。此外,机场跑道的统计分析结果表明:各个跑道垂直方向的形变速率均明显大于水平方向。在空间分布上,不同跑道对应的形变现象表现出明显的差异,这主要是由于跑道对应的填海工程竣工时间以及跑道建成时间不同。通过对三个数据集的垂直向形变时间序列进行联合分析,本文最终获得了研究区近10年的形变时间序列。联合分析结果表明,研究区近10年的形变累积量均值约为-49 mm,对应的年平均形变速率均值约为-5 mm/year,其中有98%的高相干点的累积形变量分布在-275 mm mm之间,对应的年平均形变速率分布在-29 mm/year mm/year之间。此外,通过对研究区内若干个高相干点的形变时间序列进行分析得知,这些高相干点的形变趋势随着时间的推移逐渐趋于稳定,对应的形变速率逐渐减小,表明新成陆区的地面沉降逐渐趋于缓和。

关键词：时序干涉测量新成陆区地表形变三维形变分解联合分析

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