InSAR数据处理方法与应用研究

论文摘要

重复轨道合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术,是合成孔径雷达（SAR）卫星应用的一个重要拓展。合成孔径雷达影像的干涉图可以应用于DEM的制作,其差分（D-InSAR）干涉图可应用于监测cm级或更微小的地表形变,如地震形变、火山运动、冰川漂移、地表沉降以及山体滑坡等。随着InSAR技术研究的不断深入,其精度越来越高,因而进一步研究影响InSAR技术精度的因素尤为重要。星载SAR重复轨道干涉利用不同时间观测的SAR影像数据形成干涉图,从中提取有用的信号,大气影响为主要误差源之一,根据现有的研究和资料显示,对于大气电离层而言,由于它在垂直方向上没有很大的变化,它不会对干涉图有较大影响,大气中对流层变化是产生InSAR大气延迟的主要原因。针对上述问题,本文利用地基CGPS站网解算了测站上空的大气对流层延迟,研究了适合于多雨山区的InSAR大气延迟内插模型及对流层估计参数个数问题。首先在大气延迟双差模型的基础上推导了星载三轨法D-InSAR大气延迟改正模型,设计了基于CGPS的InSAR大气延迟改正数据处理流程,然后利用Bernese GPS软件解算了新西兰GEONET GPS网测站上空对流层总延迟,根据（单）双差分模型得到InSAR大气延迟改正的差分值,利用IDW和Kriging内插模型对InSAR大气延迟改正的差分值进行内插,得到了InSAR大气延迟差分图,比较了两种内插方法的优缺点,并从GEONET网中选取了部分网点采用不同的对流层参数估计时间间隔,讨论了对流层估计参数个数问题。研究表明,对流层大气延迟（单）双差分值都在厘米级,这对我们获得D-InSAR亚厘米级的结果至关重要;IDW和Kriging内插模型都能较好的适用于多雨山区对流层延迟内插;在将利用GPS数据估计的对流层延迟应用于InSAR大气延迟改正时,每5分钟估计一个对流层延迟参数是比较合理的。重庆位于中国西南多雨山区,各种地质灾害容易发生,研究InSAR技术在重庆地区的应用显得格外重要。本文利用研究新西兰GEONET网得出的结论,研究了重庆地区对流层延迟情况以及对流延迟对InSAR应用的影响。研究表明,对流层延迟对重庆地区微波信号的影响超过2米,这对测绘、气象、通讯等工作的开展影响很大,并且对流层延迟对InSAR的影响在厘米级,这对D-InSAR监测地表形变获得亚厘米级的结果至关重要。由于InSAR数据处理过程的复杂性及条件要求严格,目前除购买高价的商业软件外,一般研究人员很难投入到该项技术的研究与应用中去。本文利用以荷兰Delft大学为主所研发的开源软件Doris来进行雷达影像生成DEM和地表形变监测。详细的介绍了Doris软件结构组成及进行干涉处理过程,利用Doris研究了伊朗Bam地区地震前DEM和地震后形变场,并将结果与世界几个研究中心公布结果比较,表明利用Doris进行雷达（差分）干涉测量,已可获得令人满意的干涉成果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 累积平均法
• 1.2.2 GPS 改正法
• 1.2.3 PS（Permanent Scatters）法
• 1.2.4 MODIS 和MERIS 水汽产品数据改正法
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 2 InSAR 测量原理与数据处理
• 2.1 SAR 几何原理
• 2.2 合成孔径雷达干涉测量（InSAR）
• 2.2.1 InSAR 基本原理
• 2.2.2 干涉相位分析
• 2.3 合成孔径雷达差分干涉测量（D-InSAR）
• 2.3.1 D-InSAR 基本原理
• 2.3.2 三轨法（three-pass）
• 2.3.3 二轨法（two-pass）
• 2.4 合成孔径雷达干涉测量数据处理流程
• 2.5 合成孔径雷达差分干涉测量数据处理流程
• 3 基于CGPS 的InSAR 大气延迟误差改正
• 3.1 大气的组成结构与折射性质
• 3.1.1 大气的组成结构
• 3.1.2 对流层折射性质
• 3.2 大气延迟对InSAR 测量的影响
• 3.3 利用CGPS 站网估计大气延迟
• 3.3.1 对流层折射改正方法
• 3.3.2 对流层折射改正模型
• 3.3.3 映射函数
• 3.3.4 利用CGPS 确定对流层延迟
• 3.4 InSAR 大气延迟改正模型
• 3.4.1 对流层延迟改正的双差算法
• 3.4.2 三轨法大气延迟改正模型
• 3.5 对流层延迟改正的内插模型
• 3.5.1 距离反比加权内插法（IDW）
• 3.5.2 克里金内插法（Kriging）
• 4 基于CGPS 大气延迟改正的D-InSAR 数据处理流程设计
• 5 InSAR 大气延迟差分图生成
• 5.1 BERNESE 软件介绍
• 5.2 利用IGS 站数据计算对流层延迟
• 5.3 多雨山区对流层延迟内插模型研究
• 5.4 对流层延迟估计参数个数的确定
• 5.5 利用CQGISS 研究重庆地区大气延迟
• 6 利用Doris 计算伊朗Bam 地区地震形变
• 6.1 Doris 数据处理流程介绍
• 6.1.1 Doris 软件结构介绍
• 6.1.2 Doris 数据处理流程
• 6.2 伊朗Bam 地区地震形变计算
• 6.2.1 数据选择
• 6.2.2 地形像对影像处理
• 6.2.3 形变像对影像处理
• 7 结论与未来工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录