【摘要】：合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)作為近年來發(fā)展起來的一種新型空間對地觀測技術(shù),因其具有大范圍、高分辨率、高精度等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于不同類型的地表形變監(jiān)測中,但其本身也受諸多技術(shù)局限限制,例如時間、空間基線失相干,DEM誤差和大氣延遲效應(yīng),使其在地表形變監(jiān)測中難以獲得可靠的監(jiān)測結(jié)果。為克服上述限制因素對形變監(jiān)測的影響,以長時間序列SAR影像上具有穩(wěn)定后向散射特性的相干點目標作為研究對象的時序InSAR技術(shù)應(yīng)運而生,不僅提高了InSAR形變監(jiān)測的精度,還能夠提供長時序的InSAR形變監(jiān)測結(jié)果,使得InSAR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用得到了革命性的變革。然而,由于時序InSAR技術(shù)的應(yīng)用研究起步較晚,在高精度地表形變監(jiān)測中仍面臨諸多技術(shù)難題,如常規(guī)SBAS方法時序形變監(jiān)測時因多數(shù)據(jù)子集而導(dǎo)致的秩虧問題、低相干條件下高相干點目標的有效識別、時序InSAR大范圍地表形變監(jiān)測以及監(jiān)測成果的精度評定問題等。此外,在很多區(qū)域時序InSAR監(jiān)測獲取的形變可能是同時包括構(gòu)造斷裂、巖漿活動、地下水開采、地下采礦、滑坡、地裂縫等的多源綜合形變,并未有效分離不同尺度形變的貢獻。針對上述問題,本文以山西省太原盆地的地表形變作為主要研究對象,綜合運用多時相、多軌道的SAR影像數(shù)據(jù),開展了基于時序InSAR技術(shù)的高精度、大范圍地表形變監(jiān)測研究,并進一步結(jié)合地球物理模型對地面沉降與構(gòu)造斷裂等不同尺度的地表形變進行分離,擴展了時序InSAR技術(shù)的應(yīng)用廣度與深度。本文主要的研究內(nèi)容包括:(1)系統(tǒng)分析了常規(guī)D-InSAR技術(shù)以及多類時序InSAR技術(shù),總結(jié)了各類時序InSAR技術(shù)的應(yīng)用特點,提出在實際的地表形變監(jiān)測應(yīng)用研究中需要綜合考慮研究對象的特征、研究區(qū)的地質(zhì)地貌、SAR影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量,選取合適的、有效的InSAR時序分析方法,為后續(xù)相關(guān)研究的方法選取提供了參考。(2)從常規(guī)短基線集(SBAS)時間序列的形變模型出發(fā),系統(tǒng)分析并推導(dǎo)了當短基線干涉組合中包含多個獨立數(shù)據(jù)子集時,常規(guī)SBAS利用奇異值分解進行時間序列求解時附加的形變基準。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于模型約束的SBAS時間序列地表形變解算方法,即以探測出的形變周期作為約束條件進行時序解算,有效地克服了常規(guī)SBAS中由于多數(shù)據(jù)子集導(dǎo)致的基準缺失。研究表明,基于模型約束的SBAS方法能夠獲取更加真實的地表形變時間序列。(3)綜合PS-InSAR與SBAS技術(shù)的優(yōu)點,重點研究了短基線干涉組合的SAR干涉點目標時序InSAR技術(shù),提出了基于幅度離散指數(shù)法、相干系數(shù)閾值法以及基于像元子視相干系數(shù)閾值的點目標檢測的多重閾值高相干點目標識別方法,有效地解決了常規(guī)PS-InSAR技術(shù)對SAR影像數(shù)據(jù)量的依賴;提出了適合短基線干涉組合模式的非線性形變估計方法,有效地反演了非線性形變分量。并在此基礎(chǔ)上,針對長條帶SAR數(shù)據(jù)的計算效率、誤差傳遞等因素對形變監(jiān)測結(jié)果的影響,提出了分塊的時序InSAR處理方案,研究并解決了不同數(shù)據(jù)子塊的基準統(tǒng)一問題;針對相鄰軌道InSAR監(jiān)測成果的有效拼接問題,研究并解決了不同軌道坐標系與參考基準統(tǒng)一的問題,并建立了利用相鄰軌道重疊區(qū)冗余的形變觀測數(shù)據(jù)檢驗獨立觀測精度的方法。太原盆地地區(qū)的三個相鄰軌道SAR影像數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果表明,相鄰軌道重疊區(qū)域的監(jiān)測精度優(yōu)于5.0mm/a。(4)采用短基線干涉組合的SAR干涉點目標時序InSAR技術(shù)對太原地區(qū)的地表形變進行了長時間序列、高精度的形變監(jiān)測,并結(jié)合地下水位的相關(guān)資料,進行了地下水位變化與地面沉降間的相關(guān)性分析,同時利用InSAR地面沉降結(jié)果計算了太原地區(qū)地下含水層研究中的重要水文地質(zhì)特征參數(shù)——骨架釋水系數(shù),并繪制了太原地區(qū)的骨架釋水系數(shù)的空間分布圖,最后分析了該區(qū)地面沉降的成因機理,證實了地下水開采是引起太原地區(qū)地面沉降的主要誘發(fā)因素,同時地面沉降的空間分布與第四系地層分布尤其是粘性土層的分布密切相關(guān)。(5)針對雷達視線向一維形變難以揭示地表真實形變特征,研究了融合多軌道SAR數(shù)據(jù)的二維形變時序估計方法,利用清徐-交城地區(qū)的ALOS PALSAR與Envisat ASAR數(shù)據(jù)進行了實驗,獲取了該區(qū)的二維形變時間序列;在Okada均勻彈性半空間矩形位錯模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)研究區(qū)地表形變的特點與實際情況構(gòu)建了適合地下水開采引起的地面沉降機理的簡化矩形位錯模型,成功地分離了地面沉降形變與構(gòu)造斷裂形變,研究結(jié)果表明交城斷裂的活動速率約為5mm/a,與已有監(jiān)測資料具有較高的一致性。(6)針對高速鐵路沿線高相干點目標空間分布不均勻,已有的大范圍地表形變監(jiān)測方法難以獲得預(yù)期監(jiān)測結(jié)果的問題,給出了一種顧及相鄰高相干點目標空間相關(guān)性的形變解算方法;模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)均表明附加距離限制的Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建的PS基線網(wǎng)絡(luò)模型明顯優(yōu)于常規(guī)GAMMA IPTA構(gòu)建的基線網(wǎng)絡(luò)模型,更適合高速鐵路等線性工程形變監(jiān)測。
【圖文】：

相位解纏誤差等誤差因素的干擾以及實現(xiàn)相鄰軌道 SAR 數(shù)據(jù)的有效拼接是實現(xiàn)大范圍地表形變時序 InSAR 監(jiān)測一個急待解決的問題；InSAR 技術(shù)僅能獲取地表形變在雷達視線向的一維投影，對于無法忽略水平方向形變影響的地表形變而言，無法反映出真實的地表形變情況，如何準確恢復(fù)地表的多維形變信息仍然是當前限制時序 InSAR 技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的主要問題之一。針對此，本論文將以“不同尺度綜合地表形變 InSAR 時序監(jiān)測與機理分析”作為總體研究方向，選取我國地質(zhì)災(zāi)害比較嚴重的山西省太原盆地的地表形變作為研究對象，綜合運用多時相、多軌道的 SAR 影像數(shù)據(jù)，開展基于時序 InSAR 技術(shù)的高精度、大范圍地表形變監(jiān)測研究，最終揭示出典型地質(zhì)災(zāi)害區(qū)地表形變的時空演化特征，擴展時序InSAR 技術(shù)在地表形變監(jiān)測方面的應(yīng)用深度；在此基礎(chǔ)上，將高精度的時序 InSAR 形變監(jiān)測結(jié)果與地球物理模型相結(jié)合對不同尺度的地表形變進行分解，分析不同尺度形變對區(qū)域地表形變的貢獻，為地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供獨特的信息支持，，推動新興大地測量技術(shù)在地球動力學(xué)研究中的發(fā)展。論文的總體技術(shù)淪陷如圖 1.1 所示。

圖 2.1 InSAR 系統(tǒng)的觀測幾何示意圖1 所示的幾何關(guān)系，點 P 的高程h表示如下：cos 1h H R中，由余弦定理可得：)2sin(22cos(1221122122 R R B RB R B RB1 R，則有：2(())2()sin()221122121BRRBRRBRRRB sin取的雷達信號實際記錄的是雙程信號以及多普勒方向的定數(shù)學(xué)表達式為：
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU433

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本文編號：2589620