参考DEM误差与地表形变对雷达差分干涉相位贡献的灵敏度研究

从D-InSAR的基本原理出发,分析讨论了地形相位分量和地表形变相位分量对差分干涉相位的影响,导出了参考DEM误差和地表形变量对差分干涉相位贡献灵敏度的计算公式,得出雷达差分干涉测量中地表形变对相位贡献灵敏度要远远高于参考DEM误差对相位贡献灵敏度的结论。利用DORIS软件,对2003—12—26发生在伊朗东南部的Bam6．6级地震区,借助高程精度约为30In的GT（31P030DEM和高程精度约为10m的SRTM3DEM分别进行“二轨”法差分干涉处理,带人同一幅干涉图10194-09693（时间间隔35d、垂直基线为519rn的ENVISAT-ASAR影像对）中,得到了相似的6个干涉条纹,只是采用GTOP030DEM产生的干涉条纹有更多噪声的影响,验证了该结论的正确性。     

不同外部DEM和多视对矿区形变探测的影响

探讨高分辨SAR影像利用二轨法DInSAR技术对高强度开采矿区形变的监测能力。多视SAR和外部DEM是二轨法DInSAR的两个核心信息源,其数据质量直接影响差分干涉结果,从而影响形变监测能力。采用不同的外部DEM(SRTM DEM,ASTER GDEM)及不同多视对高分辨率RADARSAT-2的4组干涉像对进行处理,结合矿区工作面图对DInSAR获取的沉降结果进行剖面分析,利用Orign8.5对剖面沉降曲线及沉降盆地边缘分别进行曲线拟合,从而探讨不同外部DEM和多视对矿区形变监测结果的影响。结果表明:(1)在SAR相干性较好的前提下,2种外部DEM均能很好地监测到矿区开采沉陷形变区,下沉剖面形变曲线趋势一致,符合开采沉陷规律。(2)对于高分辨SAR影像,多视视数相同时,SRTM DEM和ASTER GDEM作为外部DEM提取的形变结果一致,这是由于两者平面精度相对于SAR影像精度而言相差甚远。(3)外部DEM相同时,多视对差分结果影响较大,多视视数增加后,在平滑噪声的同时也降低了对细节的探测能力。由此可知利用高分辨SAR影像对高强度开采矿区进行形变监测,应选择与影像精度在一个数量级的外部DEM,充分利用SAR的高分辨率优势,而且应当选择较小的多视视数保证细节信息。     

基于InSAR技术矿区地表形变的监测

合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic apertture radar,简称InSAR)因具有全天候、连续获取信息和高空间分辨率的特点而被广泛应用于地学、海洋、资源探测及灾害监测等众多领域。在介绍InSAR技术获取地表形变信息基本原理的基础上,重点讨论InSAR技术在矿区地表形变监测中的的几个关键技术问题,包括SAR图像的获取和选择、SAR影像配准算法、水平地形效应的消除、相位解缠和数字高程模型的提取等,并结合国内外应用实例展望了发展前景。     

附加系统参数的多时相InSAR时空建模和形变估计

轨道误差和长波大气延迟组成的系统误差是影响In SAR形变监测精度的重要因素之一.传统方法在空间域对干涉图的系统误差建模,容易导致长波形变和系统误差相混淆.本文在时空域利用附加系统参数对系统误差建模,同时根据观测值质量对差分相位观测值定权,采用附加系统参数的加权最小二乘法估计形变参数和系统误差,实现了长波形变和系统误差的分离.模拟实验结果表明,在形变与系统误差的空间变化特性完全一致的极端情况下,本文方法能实现两者的有效分离,估计的形变速率均方根误差比传统方法降低了98. 8%.ASAR数据实验显示当形变尺度较小且分散分布时,本文方法和传统方法得到的结果相似;当形变在研究区内表现为长波变化时,本文方法比传统方法估计的形变结果更为稳健.     

一种SAR与光学影像融合的露天矿采动识别方法

露天矿的违法开采不仅破坏自然环境,而且容易造成人员伤亡。为有效对露天矿开采活动进行识别和监管,提出一种合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)与光学影像融合的露天矿采动识别方法,即基于地表过大形变会造成合成孔径雷达差分干涉测量(differential SAR interferometry,DInSAR)失相干的特性,利用差分干涉得到相干性系数图,经过地理编码后与测区光学影像配准叠加,实现对露天矿开采活动的有效识别。通过选择Sentinel 1A的SAR影像与Sentinel 2A的光学影像对鄂尔多斯露天矿区开采活动进行识别,共发现12处失相干区域,其中1处是水体对雷达波的反射性差所造成的,11处为露天矿开采活动所造成的,研究结果为相关部门进行监管执法提供了可靠的数据支持。     

矿区形变区及中心形变速率研究

以河南省鹤壁市鹤壁二矿、三矿、五矿和六矿为实验区,采用永久散射体差分干涉测量技术（PS—InSAR）,对实验区2008--2010年共12景ENVISATASAR数据时序SAR影像进行处理．实验结果提取出6个形变较大的相位变化区域,与实际矿区空间位置有良好的吻合,在2008--2010年期间累积形变量最大至60mm,最大形变速率为25mm／a,其它形变区域中心的形变速率都在16～20mm／a之间．     

基于DInSAR技术的意大利拉奎拉同震形变研究

为探测意大利拉奎拉2009年4月6日发生的6.3级地震的地表形变量,采用两轨法对该地震形变进行了研究。首先利用ENVISAT ASAR雷达的两组升轨与降轨数据,对比了不同相位解缠方法对研究结果的影响,然后探索了ASTER GDEM在两轨法中的应用,最后成功得到拉奎拉6.3级地震在雷达视线方向的形变图。研究表明,在DInSAR技术中采用合适的相位解缠的方法能够提高成果的精度。正确预处理之后的ASTER GDEM数据可以应用于两轨法雷达干涉测量中,其在雷达干涉测量中有一定的应用潜力。拉奎拉6.3级地震的地表形变以垂直位移为主,且垂直位移形变以下沉为主。     

联合DInSAR和PIM技术的沉陷特征模拟和时序分析

高强度煤炭开采(大采高、薄基岩、快速采煤)可形成巨大的地表形变场,过大的形变相位梯度导致干涉测量失败,单独采用合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)及其衍生技术都无法获得开采沉陷主值.为此,提出了联合多时相DInSAR时序分析及概率积分法(PIM),整合理论计算与卫星观测结果,实现开采沉陷特征的动态模拟和模型重构.以2012年1月—2013年6月共18期高分辨率雷达数据(RADARSAT-2,5m精细波束模式(MF5))为数据源,利用连续重访周期的DInSAR技术获得17期时间序列开采沉陷相位变化图,监测得到神东矿区布尔台矿22201-1/2工作面地表形变从产生、发展到衰退的演化规律;联合DInSAR获得的沉陷盆地边缘信息与PIM技术对矿区大变形下沉信息进行预计,两种数据整合形成混合数据集;采用Gauss函数对混合数据集进行拟合,重构矿区时序开采下沉特征曲线.研究表明:PIM技术可以弥补DInSAR技术在大形变提取上的不足,利用混合数据集建立的Gauss模型,对于有限开采(非充分采动)或充分采动的主断面下沉值具有极高的拟合度,其拟合度R2均大于0.976.     

豫北安阳市区及水冶镇城市地面沉降的时间序列分析

地面沉降及其引发的次生灾害已成为我国城市主要地质灾害之一,对地面沉降进行大范围、持续、动态监测是城市智慧建设与管理、维护城市可持续发展的基础,也是预防、预警城市地质灾害发生的有力保障。PSInSAR技术克服了常规DInSAR技术的时间、空间失相干等影响,采用二维线性(或非线性)模型、时空滤波方法去除长时间观测序列干涉图中的相位噪声,对高相干点的差分干涉相位回归分析,即可获取大面积地表形变动态演化信息。本文以豫北安阳地区为实验区,对2008年3月至2009年12月近两年时间的11期ENVISAT/ASAR SAR数据进行PSInSAR处理,获得安阳地区地表沉降速率场。研究发现,安阳城区及西郊都存在明显的地面沉降,城区有龙安、殷都、北关、文峰4个区因超采地下水导致地面沉降,其中最大沉降位于文峰区,沉降速率达-38 mm/a,而西郊水冶镇因矿区地下开采而缓慢下陷形成沉降场,其最大沉降速率达-32 mm/a。     

基于相位梯度的干涉条纹图配准方法

利用单基线InSAR系统对同一地区进行重复观测,是获取多基线干涉数据的一种现实可行的途径.单基线InSAR系统单次航过形成的SAR图像对具有高相干性,利用传统的图像配准方法容易实现配准.然而,多次航过获得的SAR图像存在严重的时间去相干和基线去相干,配准难度很大.但是,多次航过形成的干涉相位图对应于同一数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),因此,多次航过产生的DEM中必然存在相干信息.基于此,提出了一种对干涉相位图的配准方法,此方法充分利用相位梯度信息,解决了单基线InSAR多航过数据处理中的干涉条纹图配准问题.计算机仿真结果验证了本方法能够有效地配准单基线InSAR系统多次航过所获得的干涉条纹图.     

Monitoring on subsidence due to repeated excavation with DInSAR technology

DInSAR technology was used to monitor subsidence caused by underground coal mining activities in mountainous area, with multi source SAR data, including 8 EnviSAT C-band and 4 ALOS L-band, and 4 programmed TerraSAR-X dataset. The results revealed that 2-pass DInSAR technique sometimes failed to retrieve the mining-caused subsidence due to spatial and/or temporal de-correlation. We also noticed that there existed residual topographic phase after the compensation with SRTM DEM, which could almost overwhelm the subsidence information when the perpendicular baseline was relatively large. Based on the mining materials, analysis was made on the shape of subsidence area. For the well geo-coded results from TerraSAR-X, confirmed by GPS surveying results of corner reflectors, we tried to extract the advance distance of influence besides the subsidence area. Due to the big deformation gradient over stopingfaces, the X-band SAR data could not capture the maximum value subsidence revealed by GPS survey in our preliminary results, the same as C-band EnviSAT data. This will turn to be our research subject in the next few months.     

俯仰向DBF SAR系统通道相位偏差估计算法

由于俯仰向多通道合成孔径雷达系统通道之间存在相位偏差,因此降低了数字波束形成后雷达图像的性能．为解决上述问题,提出了一种俯仰向通道相位偏差估计算法．该算法首先对相邻通道间的数据进行干涉处理,获得相邻通道之间的复干涉相位图; 然后,对复干涉相位进行干涉处理,获得邻近通道干涉相位的差分相位;最后,通过优化图像的最大对比度估计俯仰向通道间的相位偏差．利用车载俯仰向多通道雷达系统获取的数据验证了这种算法的有效性．     

基于DInSAR沉陷区超前影响角计算修正方法

基于澳大利亚West Cilff煤矿开采期间获取的差分干涉合成孔径雷达(DInSAR)数据,以动态开采过程中超前影响角为例,研究对比实际超前影响距与DInSAR实测超前影响距的偏差,提出采用距离影响系数修正沉陷区DInSAR超前影响角的计算方法,实现直接利用DInSAR获取数据,研究沉陷区变形规律.     

Quantifying relationships between subsidence and longwall face advance using DInSAR

Surface subsidence that results from longwall mining can be large magnitude and can affect significant areas. Conventional methods for subsidence monitoring include leveling, global positioning system(GPS), and photogrammetric surveys. Remote sensing techniques including, aerial LiDAR, terrestrial laser scanning, and satellite-based Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar(DInSAR), are also used to measure deformation associated with subsidence. DInSAR data are different than data from conventional subsidence surveys. Images capture data over large areas(hundreds of kilometers), and each pixel(data point) in an image quantifies the average displacement over an area of square meters.DInSAR data can have fairly high time resolution; imaging periods typically range from weeks to months.DInSAR data can be useful to monitor subsidence sequentially over short periods. Regularly monitoring subsidence may help define if caving is progressing normally and can establish relationships between surface deformation and longwall face advance, which has potential to help quantify possible risks to mine stability. In this study, subsidence at a longwall trona mine is monitored over short periods, typically 12 days, as the longwall face is advanced through a panel. C-band interferometric wide swath synthetic aperture radar(SAR) images from the sentinel satellites are used to quantify the subsidence. The onset of subsidence occurs close in time to the beginning of the longwall face advance, and overall,the development of subsidence closely follows the longwall face advance.     

Application of DIn SAR for short period monitoring of initial subsidence due to longwall mining in the mountain west United States

Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar(DIn SAR), a satellite-based remote sensing technique, has application for monitoring subsidence with high resolution over short periods. DIn SAR uses radar images to measure centimeter-level surface displacements. In the images, ground resolution can be relatively high, with each data point(pixel) representing the average displacement over an area of several square meters. The image data are acquired regularly which allows subsidence to be monitored sequentially over short periods; imaging periods typically range from weeks to months. Monitoring subsidence over short periods with high spatial resolution has potential to provide insight into the dynamics of subsidence and into relationships between mine advance and subsidence. In this study, for three longwall mines in the western United States, initial subsidence occurring at the start of longwall advance is quantified over short periods(12–72 days). C-band interferometric wide swath Synthetic Aperture Radar(SAR) images from the Sentinel satellites are used to quantify the subsidence. Overall, the data show initial development of subsidence, expansion of the subsidence trough, and the advance of subsidence in the direction of mining.     

1"与3"SRTM DEM在珠江三角洲地区InSAR形变监测中的应用效果比较

2014年9月,美国逐步向全球用户免费开放了1"（约30 m）分辨率的SRTM DEM（Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model）数据. 为了比较其与之前发布的3"（约90 m）分辨率SRTM DEM数据对InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）形变监测结果的差异,本文采用欧空局Envisat卫星的雷达影像,分析这两种不同分辨率的DEM对珠江三角洲地区单个干涉图和多个干涉图获得的平均速率的差异. 研究结果显示：1"与3"DEM对单个干涉图形变量结果的差异与基线长度有关,以垂直基线长度为50 m的干涉图为例,其差值分布在±4 mm之间,其中89%介于±1 mm;由于多个干涉图的垂直基线随机分布,DEM对于整个轨道多干涉图获得的平均速率影响分布在±4 mm/a之间,其中90%介于±1 mm/a;差异明显的区域主要在地形起伏较大的山区. 因此,本文认为1"与3" SRTM DEM对珠三角地区InSAR形变监测结果的差异并不显著.     

干涉图生成过程中几个问题的研究

合成孔径雷达 (SAR)图像本身含有的数据量非常巨大 ,如何有效地处理这些数据 ,尽快得到期望的结果 ,非常重要 .针对干涉图生成过程中如何有效减小相关系数计算量、节省计算时间 ,去掉不良控制点两个主要问题进行了分析研究 ,并且提出了新的、有效的方法 .实验证明 ,这些方法对于提高计算效率、改善精度的有效性     

Comparison of L-band and X-band differential interferometric synthetic aperture radar for mine subsidence monitoring in central Utah

Differential interferometric synthetic aperture radar(DIn SAR), a satellite-based remote sensing technique, has potential application for measuring mine subsidence on a regional scale with high spatial and temporal resolutions. However, the characteristics of synthetic aperture radar(SAR) data and the effectiveness of DIn SAR for subsidence monitoring depend on the radar band(wavelength). This study evaluates the effectiveness of DIn SAR for monitoring subsidence due to longwall mining in central Utah using L-band(24 cm wavelength) SAR data from the advanced land observing satellite(ALOS)and X-band(3 cm wavelength) SAR data from the Terra SAR-X mission. In the Wasatch Plateau region of central Utah, which is characterized by steep terrain and variable ground cover conditions, areas affected by longwall mine subsidence are identifiable using both L-band and X-band DIn SAR.Generally, using L-band data, subsidence magnitudes are measurable. Compared to X-band, L-band data are less affected by signal saturation due to large deformation gradients and by temporal decorrelation due to changes in the surface conditions over time. The L-band data tend to be stable over relatively long periods(months). Short wavelength X-band data are strongly affected by signal saturation and temporal decorrelation, but regions of subsidence are typically identifiable over short periods(days). Additionally,though subsidence magnitudes are difficult to precisely measure in the central Utah region using X-band data, they can often be reasonably estimated.