發(fā)布時(shí)間：2018-04-12 14:51

  本文選題：相干散射體 + 時(shí)序差分雷達(dá)干涉��； 參考：《西南交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：自上世紀(jì)50年代以來(lái),隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快,人類對(duì)淡水資源的需求急劇增加,對(duì)地下水的過(guò)度采伐導(dǎo)致地表沉降災(zāi)害頻繁發(fā)生。地表沉降發(fā)生范圍廣,且多發(fā)于城市及其近郊等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口聚集區(qū),往往會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類生活產(chǎn)生不利影響。在我國(guó),地表沉降較為嚴(yán)重的地區(qū)主要包括長(zhǎng)江三角洲、華北平原和汾渭盆地。地表沉降對(duì)三大區(qū)域造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,其中以華北平原最為嚴(yán)重,區(qū)內(nèi)的多個(gè)沉降漏斗區(qū)影響面積超過(guò)5萬(wàn)km2,現(xiàn)已形成世界上最大的“地下水漏斗”。更為嚴(yán)重的是,不同區(qū)域的沉降中心仍在不斷擴(kuò)展,并有連成一片的趨勢(shì)。目前,國(guó)內(nèi)外地表沉降監(jiān)測(cè)一方面使用傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法(如GPS和精密水準(zhǔn)等),另一方面使用新近發(fā)展起來(lái)的差分合成孔徑雷達(dá)干涉(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar, DInSAR)測(cè)量方法。GPS和精密水準(zhǔn)等監(jiān)測(cè)效率較低,且空間分辨率低,難以對(duì)大范圍(如上述華北平原)地表沉降進(jìn)行高效監(jiān)測(cè)并發(fā)現(xiàn)沉降中心和沉降源。DInSAR具有全天候和全天時(shí)成像、幾乎不受云雨制約、觀測(cè)范圍廣和分辨率高等優(yōu)點(diǎn),且對(duì)垂直向形變的敏感度較高,因此在地表沉降監(jiān)測(cè)中得到了較多的應(yīng)用。然而,DInSAR的應(yīng)用卻受到諸多誤差因素的制約,主要包括時(shí)空失相干、大氣延遲、軌道誤差、高程誤差(DEM誤差)和其它數(shù)據(jù)處理誤差等。這些誤差因素嚴(yán)重影響了DInSAR形變監(jiān)測(cè)的精度和可靠性,甚至造成形變結(jié)果的完全失真。為克服常規(guī)DInSAR的缺陷,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出并發(fā)展了時(shí)序差分雷達(dá)干涉(Time Series DInSAR, TS-DInSAR)方法。TS-DInSAR使用時(shí)序SAR影像進(jìn)行相干散射體(Coherent Scatterer, CS)目標(biāo)識(shí)別和時(shí)序差分干涉處理,進(jìn)而對(duì)形變進(jìn)行建模和解算,并分離大氣和軌道誤差,最終獲取相應(yīng)的線性形變速率和形變時(shí)間序列。其中,兩種典型的思路是永久散射體(Persistent Scatterer, PS)時(shí)序差分雷達(dá)干涉(PS-DInSAR或PSI)方法和小基線子集(Small Baseline Subset, SBAS)寸序差分雷達(dá)干涉(SBAS-DInSAR)方法。為進(jìn)一步克服時(shí)空失相干的影響,有學(xué)者提出了角反射器(Corner Reflector, CR)差分雷達(dá)干涉(CR DInSAR, CR-DInSAR)方法,通過(guò)在失相干區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的CR,作為人工CS用于形變建模和解算。近年來(lái),隨著TerraS AR-X(TSX)和COSMO-SkyMed(CSK)等高分辨率衛(wèi)星SAR系統(tǒng)和影像數(shù)據(jù)的投入使用,TS-DInSAR在地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用得以進(jìn)一步推廣。這些SAR系統(tǒng)除具有較高的空間分辨率(在條帶成像模式下,空間分辨率最高可達(dá)1 m)外,還具有波長(zhǎng)短的特點(diǎn)(X波段,波長(zhǎng)為0.031 m),這使得其比中長(zhǎng)波波段(C波段和L波段)對(duì)地表形變更為敏感,更適用于城市地區(qū)緩慢累積地表沉降的監(jiān)測(cè)。雖然高分辨率SAR影像應(yīng)用于TS-DInSAR地表形變探測(cè)具有諸多優(yōu)勢(shì),但高分辨率和短波的特征也為其應(yīng)用帶來(lái)了相應(yīng)的問(wèn)題。本文主要針對(duì)其中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究,主要包括：高分辨率SAR影像與外部DEM的精配準(zhǔn)、季節(jié)性失相干及干涉對(duì)優(yōu)選、高分辨率TS-DInSAR中CR的應(yīng)用以及大梯度形變的建模和解算。高分辨率SAR影像與外部DEM的分辨率和地表覆蓋差異以及SAR影像斑點(diǎn)噪聲常導(dǎo)致二者精配準(zhǔn)精度較低,甚至出現(xiàn)精配準(zhǔn)困難。為此,本文提出聯(lián)合SAR影像濾波和多級(jí)迭代的配準(zhǔn)方法。首先對(duì)SAR影像進(jìn)行濾波,去除斑點(diǎn)噪聲,然后采取多級(jí)配準(zhǔn)策略實(shí)現(xiàn)DEM與SAR影像的精確配準(zhǔn)。在多級(jí)配準(zhǔn)估算像元偏移量的過(guò)程中,逐漸改變匹配窗口大小、數(shù)目、匹配指標(biāo)閾值,并通過(guò)粗差探測(cè)去除偏移量粗差,且每級(jí)配準(zhǔn)均以上一級(jí)配準(zhǔn)所得偏移量估值為初始偏移量,避免重復(fù)運(yùn)算。本文以覆蓋天津及周邊區(qū)域的TSX、ASAR和PALSAR SAR影像以及SRTM3 DEM為數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,通過(guò)該方法可將配準(zhǔn)偏移量多項(xiàng)式擬合的均方根誤差控制在亞像元級(jí)。使用配準(zhǔn)參數(shù)對(duì)通過(guò)三組數(shù)據(jù)所提取的CS點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼及數(shù)據(jù)融合,結(jié)果表明三者具有很高的重疊度,且三者與Google Earth特征地物具有較高的匹配度。這表明通過(guò)上述方法可實(shí)現(xiàn)外部DEM與SAR影像的精配準(zhǔn),這對(duì)后續(xù)TS-DInSAR數(shù)據(jù)處理以及地面目標(biāo)形變分析是至關(guān)重要的。針對(duì)高分辨率短波SAR系統(tǒng)對(duì)地物屬性變化更為敏感、地物屬性季節(jié)性變化明顯以及人工地物的干涉失相干現(xiàn)象,本文提出了季節(jié)性失相干的概念,給出了相應(yīng)的定義和描述,并以天津市精武鎮(zhèn)地區(qū)的40幅TSX SAR影像為數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)季節(jié)性失相干進(jìn)行了深入分析,結(jié)果表明季節(jié)變化所導(dǎo)致的失相干比長(zhǎng)時(shí)間變化引起的失相干更為嚴(yán)重。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),季節(jié)性失相干與溫度變化具有較強(qiáng)的相關(guān)性。為此,本文提出了溫度基線的概念,給出了相應(yīng)的定義和計(jì)算方法,并提出了基于溫度基線閾值的干涉對(duì)優(yōu)選方法,以識(shí)別并排除季節(jié)性失相干的干涉對(duì),避免季節(jié)性失相干對(duì)CS探測(cè)的影響。使用相同的SAR影像進(jìn)行CS探測(cè)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,排除季節(jié)性失相干干涉對(duì)后(保留長(zhǎng)時(shí)間基線干涉對(duì)),CS目標(biāo)的數(shù)量提高35%以上。這表明季節(jié)性失相干對(duì)TS-DInSAR的影響顯著高于時(shí)間失相干,本文所提出的干涉對(duì)優(yōu)選方法可有效削弱季節(jié)性失相干的影響,這對(duì)TS-DInSAR數(shù)據(jù)處理和地表形變信息提取是十分有利的。針對(duì)高分辨率TS-DInSAR中CR的應(yīng)用,本文提出對(duì)CR的選型、回波信號(hào)特征和穩(wěn)定性以及形變監(jiān)測(cè)精度等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究,并介紹了一種新型分體式CR,提出一種基于距離/多普勒方程和振幅離差指數(shù)的CR相位中心定位與識(shí)別方法。以覆蓋天津市西青區(qū)的高分辨率TSX SAR影像為數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),深入分析了不同類型(分體式和固定型)CR在高分辨率SAR影像中的回波信號(hào)特征(信號(hào)強(qiáng)度及成像特征)及穩(wěn)定性。結(jié)果表明：分體式CR回波信號(hào)穩(wěn)定性優(yōu)于固定型CR,二者信號(hào)穩(wěn)定性均優(yōu)于天然PS；高分辨率SAR影像中CR旁瓣效應(yīng)顯著,受相位中心旁瓣效應(yīng)的影響,CR周邊像元也呈現(xiàn)出較強(qiáng)且穩(wěn)定的回波信號(hào),這也是高分辨率SAR數(shù)據(jù)中CR回波信號(hào)的重要特征之一。通過(guò)PSI方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和CR形變信息提取,并使用精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)CR上累積形變量和線性形變速率(轉(zhuǎn)換至垂直向)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明兩種結(jié)果差異的標(biāo)準(zhǔn)差分別為±3.6mm和±2.1 mm/yr(對(duì)應(yīng)的LOS向標(biāo)準(zhǔn)差分別為±2.7mm和±1.6 mm/yr)。針對(duì)高分辨率TS-DInSAR大梯度形變建模和解算的問(wèn)題,本文首先提出了時(shí)空形變梯度和時(shí)空相位梯度的概念,給出了相關(guān)的定義和描述,建立了理論模型,并據(jù)此分析了時(shí)空形變梯度較大時(shí)對(duì)TS-DInSAR形變建模和解算的影響。為解決時(shí)空形變梯度過(guò)大引起的形變欠估計(jì)問(wèn)題,本文提出了基于模型約束的網(wǎng)絡(luò)化短基線集(MCND-SBAS)干涉方法以及基于時(shí)空相位梯度修正和迭代計(jì)算的大梯度形變建模和解算方法。本文選取天津市以及下屬的精武鎮(zhèn)(沉降漏斗區(qū))為實(shí)驗(yàn)區(qū),以覆蓋實(shí)驗(yàn)區(qū)的35幅TSXSAR影像為數(shù)據(jù)源進(jìn)行形變提取實(shí)驗(yàn),并與傳統(tǒng)的SBAS-DInSAR和StaMPS PSI方法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在形變梯度較大的區(qū)域SBAS-DInSAR和StaMPS PSI方法均存在嚴(yán)重的形變欠估計(jì)現(xiàn)象；利用本文所提出的方法可以對(duì)大梯度形變(線性形變速率以及形變時(shí)間序列)進(jìn)行有效提取。使用實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)147個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所提取的累積形變量和線性形變速率(轉(zhuǎn)換至垂直向)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果差異的標(biāo)準(zhǔn)差分別為±4.7 mm和±3.8 mm/yr(對(duì)應(yīng)的LOS向標(biāo)準(zhǔn)差分別為±3.5mm和±±2.9 mm/yr)。這表明本文所提出的方法具有較高的形變提取精度,可正確提取大梯度形變,進(jìn)而可為區(qū)域沉降漏斗及沉降源的監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別提供可靠的技術(shù)支撐�；谏鲜鲵�(yàn)證后的形變(垂直向)結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表沉降進(jìn)行分析,結(jié)果表明,該區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)沉降漏斗,并已連成一片,形成大型沉降漏斗區(qū)(見圖7-41)。在約1年時(shí)間內(nèi),該區(qū)域最大沉降量高達(dá)-190mm(負(fù)值代表遠(yuǎn)離衛(wèi)星,即沉降),沉降量在-50mm的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的一半以上,接近三分之二。進(jìn)一步的分析表明,實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)地表沉降分布與地表覆蓋類型(土地利用類型,如工業(yè)園區(qū)、城市居民區(qū)、村鎮(zhèn)居民區(qū)等)密切相關(guān),這可為該區(qū)域的沉降防控提供科學(xué)的參考依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P642.26
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本文編號(hào)：1740218