短时空基线PS-InSAR技术在大同地区的形变监测研究

论文摘要

合成孔径雷达测量技术是近二十年来发展起来的新型遥感技术,其差分干涉模式（D-InSAR）具有全天候、大范围、高精度等地表形变监测优点,为地表形变监测以及灾害预测等提供了一种空间对地观测新途径。但是由于受到时空间失相干和大气效应等因素的影响,严重制约了D-InSAR技术的应用。而近些年发展起来的永久性散射体雷达差分干涉技术（PS-InSAR）能够间接克服时间、空间失相关和大气延迟的影响,其通过在时序SAR影像上探测的具有稳定后向散射特性的PS点目标相位信息进行分析,进而获取研究区域的地表形变信息。本文介绍了InSAR技术的基本原理,分析了干涉相位的组成,并进一步阐述了D-InSAR形变测量的原理及处理流程,对其误差来源和限制因素进行了分析。此外,在D-InSAR的基础上建立了PS-InSAR的空间差分相位模型,并进一步探讨了PS-InSAR数据处理中的关键技术。考虑到PS点目标稳定的后向散射特性和其回波信号的高信噪比特性,本文研究多重阈值法进行PS点目标的识别,并利用覆盖大同市区的39景SAR影像,采用多重阈值法选取了分布较为合理的PS点目标,证实了多重阈值法识别PS点目标的可靠性。同D-InSAR相比,SBAS技术应用于地表形变监测也有其自身的独特优势,即能有效地克服时空时间和空间失相干现象,且增加的时间采样率,对影像数量要求不高等。本文详细介绍了SBAS技术形变监测原理,并利用大同地区的39景SAR影像进行了SBAS试验,获取了大同地区七年的时间序列形变值。而SBAS技术的缺陷在于损失了分辨率,同时没有考虑到大气效应的影响。针对PS-InSAR技术对数据量要求苛刻的问题,本文借鉴了SBAS技术的思想,实现了SBAS技术和PS-InSAR技术的融合,即短时空基线PS-InSAR技术,并利用覆盖大同地区的39景Envisat影像进行地表形变监测试验,获取了大同地区2003-2010七年的累积形变量,其中最大年均形变速率达到了-2.2Cm/a,其形变量级和范围都和SBAS技术以及PS-InSAR技术的形变结果吻合的较好。同时本文利用20景SAR影像仍然在大同地区开展短时空基线PS-InSAR试验,获取的累积形变时间序列与39景SAR影像获取的PS-InSAR技术监测结果精度相当,证实了短时空基线PS-InSAR技术在一定程度上克服了PS-InSAR技术对数据量要求苛刻的缺陷,且更能保证形变结果的精度和可靠性,拓展了PS-InSAR技术的应用范围,具有较强的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 D-InSAR技术的发展及其局限性
• 1.1.1 D-InSAR技术的发展简介
• 1.1.2 传统D-InSAR监测地表形变的局限性
• 1.2 PS-InSAR技术的提出
• 1.2.1 PS-InSAR技术的优越性
• 1.2.2 国内外PS-InSAR技术研究现状
• 1.2.3 PS-InSAR技术在形变监测中的问题
• 1.3 本文研究的意义及内容
• 1.3.1 本文研究的意义及内容
• 第二章 D-InSAR和PS-InSAR技术形变监测原理
• 2.1 D-InSAR技术形变监测原理及误差来源
• 2.1.1 InSAR原理
• 2.1.2 D-InSAR原理
• 2.1.3 InSAR地表形变监测步骤
• 2.1.4 InSAR技术的误差来源
• 1. 卫星轨道误差
• 2. 大气延迟误差
• 3. 时间、空间以及多普勒质心频率失相干
• 4. 配准误差
• 5. 相位解缠误差
• 2.2 PS-InSAR技术形变监测原理及数据处理流程
• 2.2.1 PS-InSAR技术的形变监测原理
• 2.2.2 PS-InSAR技术的数据处理流程
• 2.3 本章小结
• 第三章 PS-InSAR技术中的关键技术及形变监测试验
• 3.1 公共主影像的选取
• 3.2 影像的辐射校正
• 3.3 PS点目标的识别
• 3.3.1 相干系数阈值法
• 3.3.2 相位离差阈值法
• 3.3.3 振幅离差阈值法
• 3.3.4 点目标检测法
• 3.3.5 多重阈值法
• 3.4 大同地区PS点目标识别方法对比
• 3.4.1 相干系数阈值法的识别结果
• 3.4.2 振幅离差阈值法的识别结果
• 3.4.3 多重阈值法的识别结果
• 3.5 PS点目标相位回归分析
• 3.5.1 PS点目标差分相位模型
• 3.5.2 PS点目标回归分析
• 3.5.3 残余相位的分离
• 3.6 基于PS-InSAR技术的地表时序形变监测试验
• 3.6.1 研究区域概况
• 3.6.2 数据简介
• 3.6.3 多重阈值法识别PS点目标和不规则三角网络的构建
• 3.6.4 PS点目标相位回归分析
• 3.6.5 最终PS点目标形变结果及监测结果分析
• 3.7 本章小节
• 第四章 SBAS技术应用于地表形变监测的研究
• 4.1 PS-InSAR技术的局限性
• 4.2 SBAS技术的形变监测原理和数据处理流程
• 4.2.1 基于最小二乘的多基线距D-InSAR方法
• 4.2.2 基于小基线集的多基线距D-InSAR方法
• 4.2.3 SBAS技术的数据处理步骤简介
• 4.3 基于SBAS技术的地表时序形变监测试验
• 4.3.1 数据简介
• 4.3.2 大同地表形变探测结果
• 4.3.3 SBAS技术监测结果分析
• 4.4 SBAS技术优缺点
• 第五章 短时空间基线PS-InSAR技术在地面沉降监测中的应用
• 5.1 短时空基线PS-InSAR技术分析方法
• 5.2 短时空间基线PS-InSAR技术应用实例一
• 5.2.1 数据简介
• 5.2.2 PS点目标相位回归分析
• 5.2.3 最终PS点目标形变结果及监测结果分析
• 5.3 短时空间基线PS-InSAR技术应用实例二
• 5.3.1 数据简介
• 5.3.2 相位回归分析及形变结果
• 5.3.3 形变结果分析
• 结论与展望
• 一、结论
• 二、问题与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间主要成果
• 致谢