融合新一代衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的地形與形變信息提取模型與方法

1、融合新一代衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的地形與形變信息提取模型與方法合成孔徑雷達(dá)差分干涉 (Differential Interferometric SyntheticAperture Radar,DInSAR) 測量技術(shù)是最近三十年來發(fā)展迅速的空間對地觀測技術(shù)。相對傳統(tǒng)測量技術(shù) , 該技術(shù)具有覆蓋范圍廣、精度高、不受天氣狀況影響等優(yōu)勢 , 但是失相干與大氣延遲是 DInSAR方法固有的誤差源 , 制約著其測量精度的進(jìn)一步提高?；?DInSAR的時(shí)序 InSAR 算法是近二十年來發(fā)展起來的有效方法 , 該方法基于覆蓋同一地區(qū)的多幅 SAR影像進(jìn)行時(shí)序分析 , 通過選取高相干點(diǎn) , 利用多余觀測對特定模型的

2、形變信息 ( 如周期性形變 ) 、高程誤差、大氣延遲等進(jìn)行建模與求解 , 達(dá)到了較高精度。在區(qū)域性沉降監(jiān)測 ( 如城市沉降監(jiān)測等 ) 、災(zāi)害監(jiān)測評估 ( 如火山地震形變測量、滑坡活動性監(jiān)測等 ) 、能源資源勘查 ( 如油氣田開采、礦藏資源開采等 ) 、全球環(huán)境變化 ( 如冰川偏移 , 極地冰層變化等 ) 等非常廣闊的領(lǐng)域展現(xiàn)了它的應(yīng)用潛力。早期的 DInSAR技術(shù)主要用于火山形變監(jiān)測、地震形變測量、區(qū)域形變測量等大尺度范圍 , 精度大多在厘米級別。制約其精度提升和應(yīng)用范圍提升的一大原因就是早期的 SAR衛(wèi)星影像質(zhì)量不夠高 , 其分辨率大多在 10m以上 , 重訪周期在 30 天甚至更久。從 2

3、007 年開始 , 各國陸續(xù)研制和發(fā)射了性能明顯提高的新一代SAR衛(wèi)星 , 例如具有兩米高分辨率的德國 TerraSAR-X 與意大利 COSMO-SkyMed衛(wèi)星、具有 TOPS模式寬幅成像短重訪周期的 Sentinel-1 衛(wèi)星等。 E.Sansosti 與 P.Berardino 的團(tuán)隊(duì)等人將此類衛(wèi)星定義為新一代 SAR衛(wèi)星系統(tǒng)。新一代 SAR衛(wèi)星的主要提升包括更短的重訪周期、 更高的分辨率、 更高的定軌精度與更高的成像質(zhì)量等。 這些新一代 SAR衛(wèi)星帶來了前所未有的高質(zhì)量 SAR 數(shù)據(jù) , 不僅有助于提高以往相關(guān)研究的精度 , 其大覆蓋范圍 , 高分辨率也使 InSAR技術(shù)與地球物理學(xué)

4、、冰川、水文學(xué)等其它學(xué)科的交叉融合變得更為容易 , 給許多以前不曾設(shè)想的新研究領(lǐng)域帶來可能。但是 , 由于這些新一代 SAR影像本身在成像模式上的改進(jìn) , 其處理方法、算法精度與效率等需要進(jìn)一步分析與驗(yàn)證 , 其高分辨率與短重訪周期的優(yōu)勢在新領(lǐng)域的研究與應(yīng)用中能發(fā)揮怎樣的作用與所達(dá)到的精度也需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)與探索。本文將融合新一代衛(wèi)星 SAR數(shù)據(jù) , 除了對新數(shù)據(jù)本身處理方法展開相關(guān)研究 , 同時(shí)將對其相關(guān)的地形與時(shí)序形變信息提取模型與方法展開研究 , 探究新一代 SAR數(shù)據(jù)帶來的精度上的提升與新應(yīng)用的可能。針對 InSAR 技術(shù)在地形信息及時(shí)、高精度、大范圍地獲取的問題, 本文基于TerraS

5、AR-X/TanDEM-X(TSX/TDX)衛(wèi)星數(shù)據(jù)展開了相關(guān)研究。本文利用TSX/TDX數(shù)據(jù)對天津地區(qū) ( 平地地區(qū) ), 閻良地區(qū) ( 丘陵地區(qū) ) 的數(shù)字高程模型 (DEM)進(jìn)行了提取。通過與 SRTMDEM對比證實(shí)了 TSX/TDX 數(shù)據(jù)作為高分辨率數(shù)據(jù)在高程細(xì)節(jié)上的提取能力。本文選取了震后大光包滑坡區(qū)域作為山地地區(qū)研究對象。在該區(qū)域傳統(tǒng)解算方法受制于失相干與過于密集的地形條紋時(shí) , 本文提出了迭代去平地效應(yīng)的方法 , 獲取了大光包滑坡震后高精度 DEM。TSX/TDX數(shù)據(jù)能及時(shí)、高精度、大范圍的獲取地形信息 , 為我們的震后評估等工作帶來了新的方法與可能。本文將 TSX/TDX高精度

6、 DEM與震前 SRTMDEM進(jìn)行做差對比 , 不僅能獲取滑坡滑動空間分布圖 , 還能估算出滑坡累積體量。通過該方法估算大光包滑坡滑坡體量為 1.189 109 m3, 與歷經(jīng) 5 年工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果 (1.159 109 m3)接近 , 同時(shí)該精度高于其他基于數(shù)字高程模型對比方法的結(jié)果。歐洲空間局最新 (2014 年) 發(fā)射了采用全新 TOPS模式成像的哨兵 1 號 (Sentinel-1) 衛(wèi)星。由于其多普勒中心頻率在整幅圖像中的變化較大 , 也給 TOPS 圖像處理帶來了一定難度。 針對 TOPS數(shù)據(jù)處理過程中可能出現(xiàn)的問題 , 本文提出了一套使用互相干系數(shù)法與頻譜差分法迭代處理的配準(zhǔn)方

7、法 , 能有效消除 Burst拼接過程中潛在的相位跳變問題。本文以大光包滑坡為實(shí)驗(yàn)區(qū)域 , 聯(lián)合使用TSX/TDX高程模型 , 基于該數(shù)據(jù)時(shí)間序列影像進(jìn)行了 InSAR 時(shí)序分析 , 成功監(jiān)測了大光包滑坡在 2015 2016 年的活動性。結(jié)果顯示盡管現(xiàn)在離汶川地震 ( 即大光包滑坡形成之時(shí) ) 已有 8 年有余 , 但是大光包滑坡仍有四處區(qū)域顯示出一定活動性 , 最大形變量級達(dá)到 8 cm/year 。德國 TerraSAR-X 與意大利 COSMO-SkyMed衛(wèi)星可提供 2 米高分辨率 SAR影像 , 為我們對小范圍區(qū)域具體目標(biāo)的研究帶來了可行途徑。 本文運(yùn)用多平臺數(shù)據(jù)對上海市2009

8、年 2010 年地表形變進(jìn)行監(jiān)測。在傳統(tǒng)方法計(jì)算過程中我們發(fā)現(xiàn)不同衛(wèi)星同軌道 ( 同為降軌 ) 衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)果吻合度遠(yuǎn)高于同衛(wèi)星不同軌道數(shù)據(jù)結(jié)果吻合度,證明水平位移是整個(gè)計(jì)算過程欠考慮的因素。針對此問題 , 本文提出了基于多平臺數(shù)據(jù)考慮水平位移的算法, 融合三種數(shù)據(jù)對上海市二維形變進(jìn)行了聯(lián)合提取。結(jié)果顯示上海市20092010 年垂直沉降最大達(dá)到 2.3 cm/year,同時(shí)我們結(jié)合近幾年地下水采灌數(shù)據(jù)及地下水文結(jié)構(gòu)分布數(shù)據(jù) , 對沉降原因及沉降漏斗區(qū)域受影像建筑進(jìn)行了詳細(xì)分析?；?X 波段 SAR影像凍土區(qū)域地表沉降監(jiān)測常常會受到相位時(shí)間失相關(guān)的影響, 特別是凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施如公路的沉降監(jiān)測 , 屬極具挑戰(zhàn)性的工作。本文提出了基于短時(shí)相干點(diǎn) Stacking InSAR 模型與方法