星载雷达干涉测量技术在地面沉降监测中的应用

摘要

地面沉降（Land subsidence）是由于自然因素和人为因素作用下形成的地表垂直向变形现象。我国已有许多城市和地区发生不同程度的地面沉降，地面沉降已经成为制约区域环境、社会经济可持续发展的主要地质灾害之一。
　　星载雷达差分干涉测量（D-InSAR）技术是二十世纪九十年代发展起来的一项对地观测新技术，可用于地震、火山运动、冰川漂移、地面沉降以及山体滑坡等地表微小形变的监测，其精度可以达到厘米级甚至是毫米级。
　　与常规城市地面沉降监测技术相比，D-InSAR技术具有大面积、快速、准确、低成本等优势，然而，D-InSAR技术在地面沉降监测方面还远未完善，在具体的应用中还有很多瓶颈问题未得到很好的解决，如时间去相关、基线去相关、大气效应的影响等，实用化的数据处理方法也有待进一步的研究。
　　本文对D-InSAR技术的关键步骤和算法进行了详细的理论分析、实用化方法研究和实例分析，并针对不同的差分干涉方法进行了深入研究，研究内容主要包括以下几点：
　　（1）深入地剖析了雷达差分干涉测量技术的基本原理和数据处理方法，详细分析了影响D-InSAR技术测量精度的误差源，总结了干涉雷达数据的选取方法。
　　（2）开展了InSAR配准实用化方法的研究，提出了基于DEOS精密轨道数据和插值相关系数矩阵的实用化配准方法。利用DEOS精密轨道数据可以快速准确的获取景中心像元的初始偏移量，而通过对相关系数矩阵的插值处理来代替对影像的过采样处理，大大减少了程序的运行时间，该方法可以快速高效地实现高精度子像元配准，并得到试验验证。
　　（3）开展了InSAR基线估计的研究，提出了基于精密轨道数据和配准参数的初始基线估计、基于高精度DEM的精密基线估计相结合的二次基线估计方法，并且进行了基线估计试验，同时分析了DEM误差对基线估计的影响，试验证明在地形起伏不大的地区，采用DEOS精密轨道数据和SRTM DEM数据进行精密基线估计是一种切实可行的高精度基线估计方法。
　　（4）利用三轨法差分干涉测量技术和ENVISAT ASAR雷达数据成功地获取了Bam地震引起的地表形变场，对形变场进行了详细的解译，生成了地面沉降的剖面图和等值线图，并对沉降面积进行了统计，首次采用相干图的方法检测出了Bam地震造成的破坏最严重区域的大致位置、分布及面积，总结了相干图在InSAR中的应用。
　　（5）对InSAR中大气效应的影响进行了深入的理论分析和研究，通过双轨法差分干涉测量技术和干涉点目标分析技术试验分别获取了InSAR中的大气延迟相位，探讨了InSAR处理中大气效应的改正方法。
　　（6）以苏州市为试验区开展了干涉点目标分析（IPTA）技术的研究，详细分析了InSAR相位模型、干涉点目标分析技术的数据处理方法，形成了实用化的数据处理流程，重点对参考影像的选取、干涉点目标的选择上进行了深入的探讨，总结了参考影像选取的三原则，然后采用双阈值法对干涉点目标进行了选取，通过对38景ERS-1/2雷达数据的干涉点目标的空间域和时间域特性进行分析，获取了苏州市地面沉降的形变历史和大气延迟相位。

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Contents

1 绪 论

1.1 研究问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3主要研究内容及论文组织结构

本章小结

2 InSAR基本原理

2.1 InSAR测量技术的基本原理

2.2差分干涉测量（D-InSAR）技术的基本原理

2.3 D-InSAR误差源分析

2.4干涉数据的选取

2.5 InSAR数据处理流程概述

2.6 InSAR及D-InSAR技术的应用

本章小结

3 InSAR关键算法的研究

3.1 重要参数及精密轨道数据的获取

3.2 高精度InSAR影像配准方法

3.3 精密基线估计方法

3.4 形变量的转换方法

本章小结

4 利用D-InSAR技术获取Bam地震地表形变场

4.1 三轨法差分干涉测量数据处理方法

4.2 D-InSAR技术获取Bam地震同震形变场

4.3 差分干涉结果解译与分析

4.4 相干图的应用

4.5 结论

本章小结

5 大气效应对InSAR测量技术的影响

5.1 双轨法差分干涉测量数据处理方法

5.2 InSAR大气效应的理论分析

5.3 InSAR观测中大气相位的确定方法

5.4 InSAR大气效应的改正方法

本章小结

6 干涉点目标分析技术监测苏州市地面沉降

6.1 PS InSAR技术

6.2 InSAR相位分析模型

6.3 干涉点目标分析（IPTA）技术

6.4 IPTA技术监测苏州地区地面沉降试验

6.5 相关问题的讨论

本章小结

7 结束语

7.1主要研究成果及贡献

7.2 进一步的工作

7.3 展望

附录A：InSAR干涉数据情况

参考文献

攻读博士期间主要成果

致谢