多平台时序InSAR技术的地表形变联合监测方法研究

摘要

随着越来越多的搭载SAR传感器卫星的升空以及对地观测时间的不断累积，不同传感器、不同波段以及不同成像几何（也就是不同平台）的SAR数据也越来越多，由于它们在分辨率、地物散射特性、获取时间等方面的不同，使得各平台SAR数据之间在地表形变监测时具有一种“互补”的特点。然而现有InSAR技术研究中，利用不同平台SAR数据进行地表形变联合监测的研究还相对较少。为充分挖掘多平台SAR数据在地表形变监测中的潜力，发挥多平台SAR数据的优势，本文基于MTInSAR技术（多时序InSAR技术）对利用多平台SAR数据联合监测地表形变的方法进行了研究。并将其应用到沧州地区，对该区域的地表沉降现象进行了监测和分析。主要研究成果和结论如下：
　　（1）对InSAR及DInSAR原理进行了简单介绍，在此基础上引出和概括了两种MTInSAR技术——PS技术和SBAS技术；
　　（2）提出了利用多平台SAR数据、基于无水平形变假设的地表形变联合监测方法（联合监测方法I）。该方法主要利用MTInSAR技术监测结果和“同名点对”搜索与融合方法来进行基于多平台SAR数据的地表竖直形变联合监测，联合监测结果与单一平台SAR数据监测结果相比具有监测频率高（时间分辨率高）、监测点密度大（空间分辨率高）和噪声点少的优势，更有利于非线性（时间维度）或非均匀（空间维度）地表形变的监测和反演；
　　（3）研究了利用多平台SAR数据、基于水平形变速率不变假设的地表形变联合监测方法（联合监测方法 II）。该方法首先利用 MTInSAR技术得到各平台SAR数据形变监测结果，而后基于“同名点对”搜索和加权最小二乘方法来反演研究区水平形变速率（各监测点水平形变速率相同）和竖直形变速率。该联合监测方法较单一平台SAR数据监测方法，具有能够反演地表三维或“伪三维”形变速率的优势；
　　（4）研究与改进了利用多平台SAR数据、基于小基线技术和正则化方法的地表形变联合监测方法（联合监测方法III）。将观测值权重引入到该方法中，并根据研究区地表形变的特点将正则化矩阵由原方法的单位对角矩阵扩展为一般矩阵，改进的方法能够更好的考虑各差分干涉测量值的观测质量和研究区的地表形变特点。该联合监测方法可以得到地表形变二维或三维（由具体的数据情况决定）的时序监测结果，具有能够增加监测频率，反演多维地表形变的优势；
　　（5）对本文研究的三种联合监测方法进行了总结和分析，得出以下结论和建议：①待监测区域地表水平形变较小时，如地下水开采导致的地表形变，建议使用联合监测方法I进行形变监测；②无法确定待监测区域地表水平形变大小且待监测区域范围较小时，建议使用联合监测方法 II进行形变监测；③待监测区域 SAR数据丰富（3种及以上平台 SAR数据）时，建议使用联合监测方法 III进行形变监测；
　　（6）利用基于多平台 SAR数据的地表形变时序 InSAR技术联合监测方法对沧州地区地表形变进行了监测，对地表整体沉降情况和重点对象（包括重点区域和构建筑物）沉降特点进行了分析。结果表明：①研究区沉降中心分别位于沧州市区西北面青县和东南面沧县，沧州市区沉降现象不显著。研究区域在监测期间，以-10至-20 mm/yr量级的平均沉降速率和-40至-160 mm的最大累积沉降量为主，都占监测区域总监测点的78％；②研究区南北四个沉降中心（谭缺屯村、叩庄村、大马庄村和黄官屯村）年均沉降量均达到-55 mm/yr，且都位于非城市区域。沉降中心的地表沉降表现出明显的非线性特性，引起沉降变缓及停止的主要因素为降水量大小和地下水埋深；③研究区南、北两大主要沉降区域均位于水系较发达区域，沧州市区累积沉降量值在空间上呈现出由外向里不断减小的特点。

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主要变量注释表

1 绪论

1.1选题背景与研究意义（Research Background and Significance）

1.2国内外研究现状（Research Status at home and abroad）

1.3主要研究内容（Research Contents）

1.4技术路线与论文组织结构（Structure and Chapter Arrangement）

2 InSAR技术理论基础

2.1 InSAR及DInSAR技术原理简介（Principle of InSAR and DInSAR Technology）

2.2时序InSAR技术原理简介（Principle of MTInSAR Technology）

2.3 小结（Summary）

3 基于多平台SAR数据的地表形变联合监测方法

3.1利用多平台SAR数据联合监测地表形变的基础（The Basis of Multi-platform SAR Data Sets Based Ground Deformation Monitoring）

3.2 基于无水平形变假设及多平台 SAR 数据的联合监测技术与方法——联合监测方法I（Multi-platform SAR Data Sets and No Horizontal Deformation Assumption Based Ground Deformation Monitoring Method—The First Combination Method）

3.3 基于水平形变不变假设及多平台 SAR 数据的联合监测技术与方法——联合监测方法II（Multi-platform

3.4 基于小基线技术和正则化方法的多平台 InSAR 联合监测技术与方法——联合监测方法III（SBAS and Regularization Based Multi-platform InSAR Ground Deformation Monitoring—The Third Combination Method）

3.5 小结（Summary）

4 基于多平台SAR数据的沧州地表沉降监测及分析

4.1研究区概况及数据准备（Study Area and Date Sets）

4.2研究区地表沉降监测及分析（Ground Deformation Monitoring and Analysising of Study Area）

4.3 小结（Summary）

5 结论与展望

5.1研究成果和结论（Contributions and Conclusions）

5.2问题与展望（Deficiencies and Prospects）

参考文献

作者简历

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