基于差分干涉雷达测量技术的哈尔滨市地面形变监测与综合分析研究

摘要

遥感技术是地球空间信息获取的重要手段，由于光学遥感应用的局限性，主动方式的微波雷达遥感技术在特定地区发挥重要作用。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术综合了合成孔径雷达成像原理和干涉测量技术，是一般SAR功能的延伸和发展，极大拓展了成像雷达的功能和应用范围，在军事和国民经济建设中可以发挥重大作用。InSAR技术充分利用了雷达回波信号所携带的相位信息，精确测量地面点三维空间位置及其微小变化。目前，该技术已经受到测绘和地学领域研究人员的普遍青睐。从上世纪八十年代初起，哈尔滨市地面沉降处在缓慢发展过程中，在不同时期已经引起地面建筑物和道路破损等现象，但是至今从未对地表进行全面、系统的形变监测工作。为此，本文基于合成孔径雷达差分干涉测量技术，研究了该地区过去十几年地面沉降的时空变化特征。
　　 本文利用覆盖哈尔滨地区的ERS和Envisat雷达数据，分别采用常规DInSAR、短基线集和永久散射体方法进行了试验研究，并结合地下水位和地面水准监测数据与InSAR结果进行了相关分析，验证了其精度和可靠性，表明该技术对哈尔滨地区微小缓慢的形变监测是高效可行的。
　　 论文深入剖析了合成孔径雷达干涉测量相关基本概念,提出了SAR影像配准时控制点粗差的探测和剔除方法，比较了干涉图相位在空域和频域滤波结果，探讨了InSAR大气效应改正方法，研究了基于MODIS数据大气延迟改正，构建了基于GIS技术的地面沉降监测网络数据管理系统。
　　 通过本文的研究，作者获得以下成果及创新：
　　 1.利用合成孔径雷达干涉测量技术，首次对哈尔滨市地面沉降进行了系统全面的研究，揭示了地面沉降的时空特征，得到哈尔滨市年沉降量为mm的地面沉降结果。
　　 2.归纳总结了InSAR大气效应的改正方法，验证了大气对哈尔滨地区InSAR监测结果的影响，并针对该地区进行了MODIS数据试验研究。为了分析大气对干涉测量结果的影响，选取Envisat卫星分别在2006年1月19日和3月30日获得SAR影像为数据源进行干涉处理，选取2006年3月30日MODIS数据用于纠正大气延迟。通过对改正前后的RMS进行统计，发现RMS由改正前的0.8cm降低到了改正后的0.65cm，表明MODIS改正具有一定的效果。
　　 3.对SAR影像配准产生的粗差的进行了系统分析和研究，提出采用方差分量估计总体检验法与Baarda单个粗差探测法，并通过实际算例进行了验证。粗差剔除前配准选择控制点是46个，剔除后剩下32个参与拟合多项式系数计算，剔除率达到30％。
　　 4.通过研究哈尔滨地区地质构造、地貌特征和地下水类型，对所探测出的地面沉降信息与地下水位变化进行了相关性分析，结果科学合理，具有说服力，为哈尔滨市地面沉降灾害预防提供重要参考价值。
　　 5.构建了哈尔滨地面沉降监测网络管理系统，能够对利用遥感图像处理和GIS技术编制的各种图件和数据进行高效的管理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究意义

1．2 地面沉降监测方法

1．3 合成孔径雷达干涉测量技术与发展

1．3．1 合成孔径雷达干涉测量简介

1．3．2 雷达差分干涉测量方法介绍

1．4 InSAR技术地面沉降监测应用进展与存在的问题

1．5 论文研究内容

1．6 论文组织结构

第二章 合成孔径雷达干涉测量基础

2．1 干涉相位与形变量

2．2 合成孔径雷达图像空间分辨率

2．2．1 目标距离测量

2．2．2 距离向分辨率

2．2．3 方位向分辨率

2．3 雷达成像方程

2．3．1 雷达目标

2．3．2 雷达系统与目标环境作用模型

2．3．3 雷达方程

2．4 合成孔径雷达成像与脉冲压缩

2．4．1 合成孔径雷达方程

2．4．2 距离向采样

2．5 方位向高分辨与合成阵列

2．5．1 合成孔径形成

2．5．2 方位向处理与多普勒频移

2．5．3 方位向采样

2．6 SAR成像与InSAR图像理解

2．6．1 SAR成像过程与数据格式

2．6．2 单视复数据

2．6．3 多视数据

2．6．4 干涉图

2．6．5 相干图及相位滤波

2．7 本章小结

第三章 干涉复数影像配准理论和试验

3．1 复数影像配准分析及对干涉测量的影响

3．1．1 干涉雷达复图像配准分析

3．1．2 配准精度对干涉测量的影响

3．2 基于轨道参数的粗配准

3．2．1 粗配准基本原理

3．2．2 SAR成像坐标系及其转换

3．2．3 复图像粗配准过程

3．2．4 精轨与粗轨精度分析

3．3 基于窗口相关系数精配准

3．3．1 图像配淮的基本框架

3．3．2 复图像配准质量指标

3．3．3 精配准原理及配准窗口大小选择

3．4 SAR影像配准控制点粗差剔除方法

3．4．1 配准控制点粗差产生原因

3．4．2 方差因子检验法

3．4．3 Baarda数据探测法

3．5 SAR复数影像配准试验

3．6 本章小节

第四章 合成孔径雷达干涉测量大气效应改正

4．1 大气效应影响

4．2 大气效应改正方法

4．2．1 大气效应探测方法

4．2．2 大气效应改正方法

4．3 基于MODIS数据InSAR大气效应改正

4．3．1 大气水汽含量反演算法介绍

4．3．2 反演公式推导

4．3．3 MODIS平均水汽数学模型

4．3．4 基于MODIS的InSAR大气改正过程

4．4 基于MODIS数据大气效应改正试验

4．4．1 插值方法比较

4．4．2 哈尔滨地区InSAR大气影响改正试验

4．5 本章小结

第五章 地面沉降InSAR监测理论方法与哈尔滨形变监测应用

5．1 常规DInSAR技术及应用

5．1．1 InSAR基本原理

5．1．2 两轨法差分干涉测量

5．1．3 DInSAR监测地面沉降

5．2 短基线集处理技术

5．2．1 最小二乘方法

5．2．2 短基线集方法介绍

5．2．3 短基线集干涉处理SAR数据结果

5．3 永久散射体方法

5．3．1 PS-InSAR原理与处理步骤

5．3．2 PS-InSAR技术应用于地面沉降研究

5．4 本章小结

第六章 InSAR监测精度与可靠性分析

6．1 差分干涉测量结果分析

6．1．1 九十年代形变监测结果

6．1．2 2000年以后形变监测结果

6．1．3 形变监测结果统计分析

6．2 差分干涉测量基准点选择

6．3 InSAR监测结果和地下水动态监测网点数据比较

6．3．1 地下水动态监测网概况

6．3．2 河漫滩区地下水水位动态

6．3．3 阶地地貌单元地下水水位动态

6．3．4 岗阜状高平原地下水水位动态

6．4 精密几何水准测量结果验证

6．4．1 水准验证数据介绍

6．4．2 差分干涉测量值和水准测量值相关性分析

6．4．3 差分干涉测量值和水准测量值假设检验分析

6．5 本章小结

第七章 哈尔滨地面沉降成因分析与监测网络管理系统实现

7．1 地面沉降特征与机理分析

7．1．1 地形地层特征

7．1．2 地面沉降特征与沉降机理

7．2 哈尔滨地下水特征及应用

7．2．1 地貌与地下含水层特征

7．2．2 地下水开发利用

7．3 地面沉降与地下水位变化相关分析

7．3．1 地下水位下降与地面沉降

7．3．2 不同成因类型地下水的水位动态特征

7．3．3 地下水流向改变与水位降落漏斗中心改变

7．4 地面沉降监测网络管理系统

7．4．1 GIS数据库实现

7．4．2 GIS系统构建

7．4．3 系统功能介绍

7．5 本章小结

结论与展望

主要研究成果

存在问题与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得研究成果

致谢