基于多源InSAR数据的三维地表形变解算方法研究

摘要

随着不同成像参数SAR卫星不断发射升空以及新的InSAR技术不断出现，同一地区可以获取多尺度、多源、异质的InSAR地表形变监测数据。将这些多源InSAR地表形变监测数据作为观测量，实际三维地表形变作为未知参数，建立模型并解算，实现InSAR技术东西、南北和垂直向地表形变监测，为地质灾害预报及监测提供更全面的基础资料。本文以InSAR三维地表形变解算为核心研究内容，针对大梯度、轨道和地形、粗差等因素对解算精度的影响，利用现代测量数据处理理论和方法，在尽可能提取多源InSAR地表形变数据的有效信息的同时，消除或抑制上述因素导致的各类噪声，实现多源InSAR数据的三维地表形变高精度解算。主要包括以下几个方面的研究内容：
　　（1）系统研究了SAR成像以及InSAR干涉相位技术原理，特别对视线向地表形变以及方位向地表形变监测技术进行了深入细致的分析与研究，结合技术原理给出主要的数据处理流程。在此基础上，利用两种方位向地表形变监测技术对BAM地震实现了方位向地表形变监测。相对于常规InSAR技术获取的一维视线向地表形变而言，方位向地表形变可以提供更丰富的地表形变信息。
　　（2）针对大梯度、失相干等对干涉相位技术的影响，提出一种多种InSAR技术联合的大梯度三维地表形变解算方法。该方法基于形变前后两个不同轨道的SAR数据，通过联合D-InSAR和Offset-tracking获取视线向地表形变，联合MAI和Offset-tracking获取方位向地表形变，在此基础上，针对两个方向地表形变监测精度不同，采用Helmert方差分量估计的方式确定权重，建立三维地表形变模型并进行解算，实现三维形变监测。论文通过分析可监测形变梯度、MAI干涉图标准差与相干性系数的关系，描述了以相干阈值为基准的大梯度形变区域识别流程。以山东济宁某煤矿为研究区，利用上述方法对该区域进行三维地表形变监测，获取包含大梯度、失相干区域在内的三维地表形变场。研究结果表明，该方法可以突破InSAR技术受失相干、可监测形变梯度小等因素限制的问题，实现大梯度、失相干三维地表形变监测。
　　（3）针对轨道、地形和噪声等误差对多视线向D-InSAR三维地表形变的影响，提出一种基于GPS约束定权的多视线向D-InSAR三维地表形变解算方法。该方法以同期高精度GPS形变观测量对多视线向D-InSAR形变观测量进行精度评价，顾及轨道、地形和噪声等误差对多视线向D-InSAR形变量影响的特点，通过建立与像元位置和高程相关的联合拟合模型，实现逐像元精度评价，完成多视线向D-InSAR三维地表形变解算中定权。论文以模拟实验和2009年拉奎拉地震实验，对该定权方法的可行性和精度进行了验证。结果表明所提出的GPS约束定权的多视线向D-InSAR三维形变解算方法可以获取可靠的解算结果。
　　（4）针对粗差对多源InSAR数据三维地表形变解算的影响，提出一种基于Helmert方差分量估计的InSAR三维地表形变抗差解算方法。该方法利用最小二乘方法进行三维地表形变解算，获取预平差观测量的残差，建立最小二乘残差与观测量单位权方差的函数关系，并通过计算出的单位权方差对InSAR地表形变观测量进行定权，根据选权迭代法等价权原理对最小二乘残差的判断，进而对观测量进行保权、降权和淘汰处理，实现三维地表形变的抗差解算。论文采用模拟实验数据和巴姆地震实测数据对所提方法的可行性和精度进行了验证。结果表明，所提出的基于Helmert方差分量估计的InSAR三维地表抗差解算方法可以有效消除粗差的影响。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 论文的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 InSAR技术国内外研究现状

1.2.2 InSAR三维地表形变监测的国内外研究现状

1.2.3 InSAR三维地表形变解算存在的问题

1.3 论文主要内容与组织结构

1.3.1 论文主要内容

1.3.2 论文组织结构

2 InSAR地表形变监测原理与方法

2.1 SAR成像原理及干涉相位

2.1.1 SAR成像原理

2.1.2 InSAR干涉相位

2.2 视线向地表形变监测方法

2.2.1 D-InSAR技术

2.2.2 MT-InSAR技术

2.3 方位向地表形变监测方法

2.3.1 MAI技术及应用

2.3.2 Offset-tracking技术及应用

2.4 小结

3 多种InSAR技术联合的大梯度三维地表形变解算

3.1 引言

3.2 大梯度地表形变监测

3.2.1 D-InSAR技术视线向地表形变监测局限性

3.2.2 MAI技术方位向形变监测局限性

3.2.3 多种InSAR技术联合的地表形变监测方法

3.3 InSAR三维地表形变模型及其解算

3.3.1 InSAR三维地表形变模型

3.3.2 多种InSAR技术三维地表形变解算流程

3.4 大梯度三维地表形变解算及结果分析

3.4.1 研究区概况

3.4.2 数据处理与结果分析

3.4.3 三维地表形变解算

3.4.4 精度验证

3.5 小结

4 多视线向D-InSAR数据联合解算定权方法

4.1 引言

4.2 常规定权方法

4.2.1 先验估计方法

4.2.2 验后估计方法

4.3 GPS约束改进的定权方法

4.3.1 轨道、地形误差的特点

4.3.2 GPS约束定权的多视线向D-InSAR三维地表形变解算

4.4 模拟数据算例分析

4.4.1 数据模拟

4.4.2 三维形变解算

4.4.3 精度验证

4.5 拉奎拉地震三维地表形变解算及结果分析

4.5.1 实验区与数据源

4.5.2 数据处理

4.5.3 三维形变解算

4.5.4 精度验证

4.6 小结

5 多源InSAR数据三维地表形变抗差解算

5.1 引言

5.2 基于选权迭代法的抗差估计

5.2.1 抗差估计基本原理

5.2.2 抗差估计的选权迭代法

5.2.3 常用抗差估计的权函数

5.3 三维地表形变抗差解算

5.3.1 算法原理

5.3.2 选权迭代法抗差估计的迭代步骤

5.4 模拟数据算例分析

5.4.1 数据模拟

5.4.2 三维地表形变解算

5.4.3 精度验证

5.5 巴姆地震三维地表形变解算及结果分析

5.5.1 研究区概况

5.5.2 数据处理

5.5.3 三维地表形变解算

5.5.4 精度验证

5.6 小结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读博士期间主要成果

致谢