時序差分雷達(dá)干涉多約束建模與地表形變信息提取方法.pdf

1、地表形變是自然和人為因素作用下引發(fā)的一種地質(zhì)災(zāi)害，會導(dǎo)致地面下沉、建筑物損壞、地下管道破裂以及損害交通設(shè)施，對人類生存環(huán)境、生活生產(chǎn)帶來安全隱患，并制約著社會、經(jīng)濟(jì)的長期穩(wěn)定發(fā)展。因此，采取高精度、有效的技術(shù)手段對地表形變進(jìn)行監(jiān)測，了解和掌握地表形變的時空變化規(guī)律和分布特征，對社會的健康發(fā)展是十分重要的。
　　近年來興起的差分合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(Differential Interferometric SyntheticAper

2、ture Radar，DInSAR)和永久散射體差分干涉技術(shù)(Persistent Scatterer Interferometry，PSI)因其短重訪周期、廣覆蓋范圍、高測量精度等技術(shù)優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用于區(qū)域地表形變監(jiān)測。已有相關(guān)研究往往只利用了監(jiān)測區(qū)域的單一SAR影像數(shù)據(jù)，這樣僅能監(jiān)測到雷達(dá)視線向(Line Of Sight, LOS)的一維形變信息，并在無水平位移假設(shè)的前提下，獲得實(shí)驗(yàn)區(qū)垂直向的位移信息。然而簡單地忽略水平位移不僅會

3、造成垂直向形變信息提取的不準(zhǔn)確，而且也會忽略其對建筑結(jié)構(gòu)、管道設(shè)施造成的影響。為避免因單一觀測信息不足引起形變解算偏差，更細(xì)致地描述地表各個方向形變的運(yùn)動趨勢，對地表進(jìn)行多維形變探測是十分必要的。
　　鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者提出并發(fā)展了一系列多維時序形變解算方法，并廣泛地應(yīng)用于火山、滑坡等領(lǐng)域。其中，代表性的MSBAS(Multidimensional SBAS)方法基于SBAS(Small Baseline Subsets)原理對不

4、同衛(wèi)星平臺的多維形變進(jìn)行整體建模，可同步解算目標(biāo)點(diǎn)垂直向和東西向的形變時間序列，對不同類型的地表形變觀測具有較高的適用性。但MSBAS解的優(yōu)劣與參與解算的干涉對數(shù)目和未知參數(shù)個數(shù)具有較大的相關(guān)性，與常規(guī)SBAS相比該方法未知量成倍增長，導(dǎo)致觀測方程出現(xiàn)嚴(yán)重的秩虧和病態(tài)等不適定問題，進(jìn)而造成反演的時序結(jié)果不穩(wěn)定，且解集不唯一。
　　為了彌補(bǔ)和完善DInSAR技術(shù)地表形變監(jiān)測的時空維度信息，并保證形變解算的精度，本文提出了以形變模型和

5、正則化為約束條件的時序差分雷達(dá)干涉多約束建模與地表形變信息提取方法(Multi-Constrained Time Series InSAR，MCTS-InSAR)，以實(shí)現(xiàn)二維時序形變的準(zhǔn)確反演。具體來說，本論文的主要工作如下:
　　(1)針對基于SAR影像雷達(dá)干涉測量技術(shù)在地表二維時序形變監(jiān)測中存在的問題，本文引入了聯(lián)合多源SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行整體建模的解算思路，實(shí)現(xiàn)了垂直向和東西向形變時間序列和形變速率的同步獲取，有效解決了形變建

6、模中的不適定問題。
　　(2)為保障用于時序模型求解的解纏相位的可靠性，本論文引入時空三維相位解纏方法以替代傳統(tǒng)最小費(fèi)用流(Minimum Cost Flow，MCF)相位解纏方法。上海地區(qū)升降軌影像的解纏相位結(jié)果表明，三維相位解纏的平滑性優(yōu)于最小費(fèi)用流方法，并且相位梯度跳變數(shù)明顯低于最小費(fèi)用流方法，解纏精度提高了4倍。
　　(3)針對二維時序形變求解過程中觀測方程的不適定問題，本論文提出了以形變模型和基于嶺估計(jì)的正則化為約

7、束條件的二維時序形變建模和解算方法(MCTS-InSAR)，即采用線性和周期性等非線性組合形變模型實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星平臺間的形變約束傳遞，并通過采用正則化處理增加觀測方程，解決觀測方程秩虧和病態(tài)的不適定問題。依據(jù)真實(shí)時空基線信息模擬多平臺的解纏差分干涉相位，并基于時間重疊度、形變約束模型的通用性和噪聲三種影響因子對MCTS-InSAR的可靠性、適用性和精度進(jìn)行了探討。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MCTS-InSAR的精度可達(dá)到毫米級，且垂直向精度優(yōu)于東

8、西向。
　　(4)引入方差分量估計(jì)方法對不同衛(wèi)星平臺的差分干涉對進(jìn)行權(quán)值優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了MCTS-InSAR垂直向和東西向時間序列的可靠性和精度驗(yàn)證。采用上海地區(qū)2009～2010年間的21景升軌COSMO-SkyMed和16景降軌TerraSAR-X影像進(jìn)行地表二維時序形變提取。結(jié)果表明，該地區(qū)垂直向的形變速率最大為-19 mm/year，東西向最大為-13mm/year，均位于虹口區(qū);與GPS數(shù)據(jù)對比顯示垂直向和東西向平均速率的精