永久散射体雷达差分干涉理论及在上海地面沉降监测中的应用

摘要

合成孔径雷达差分干涉技术是新近发展起来的用于监测大范围地表形变的新技术，它具有精度高、视域广等特点，可与基于点观测的GPS和水准测量形成优势互补，为形变监测和地球物理研究提供一种有效的空间对地观测新途径。但是，合成孔径雷达差分干涉技术的应用受到失相关和大气延迟两大因素的制约。近年发展起来的基于永久散射体的雷达差分干涉技术是目前克服失相关和大气延迟的最有效方法。然而，该方法在一些关键数据处理方面(永久散射体探测、建网、模型解算)还存在问题。为此，本文对永久散射体雷达差分干涉技术理论进行系统研究，对其中的关键算法作重点研究，探索解决该方法存在问题的新途径，以提高永久散射体雷达差分干涉技术探测地表形变的精度和可靠性。 本文首先从干涉相位分解的角度出发，分析了地形、形变、大气延迟和失相关噪声对干涉相位的贡献，阐明了合成孔径雷达差分干涉探测地表形变的原理，为PS-DInSAR差分相位建模奠定了基础。SAR影像精确配准是PS-DInSAR的基础和关键步骤之一，论文通过对三种SAR影像配准算法(相干系数法、相位差影像平均波动函数法、最大频谱法)的比较研究，得出相干系数法的配准质量最好。在PS-DInSAR中，可采用相干系数法，并借助Doris软件实现多幅时序SAR影像的配准。为提高PS识别的准确性与可靠性，本文提出了探测PS的新方法—振幅信息双阈值法。该方法既考虑了永久散射体散射的稳定性，又考虑了其回波信号的高信噪比特性。通过与其它方法的对比和对上海城市地区26幅：ERS-1/2卫星SAR影像的PS探测实验，证实了振幅信息双阈值法探测的PS有效而且更加可靠。在PS邻域差分相位建模中，首次提出采用PS三维建网方法确定PS的邻域关系。并且，在根据PS三维网络求解得到PS邻域差分值之后，采用间接平差法解决了PS三维网的几何矛盾，获得了各PS点的线性形变速率和高程误差，并实现了各PS点差分干涉相位的解缠。同时引入稳健估计方法抑制在平差过程中可能存在的粗差的影响。对上海陆家嘴地面沉降的研究证实，PS三维建网方法获得的结果精度优于基于像平面坐标的PS二维建网方法获得的结果精度。在PS邻域差分相位模型参数估计中，提出了解空间搜索法。在依据先验知识确定解空间的大小、位置和搜索策略后，可较快地获得参数的最佳估计值。同时对主影像和从影像大气相位的估计方法作了改进，在原有估计方法中增加了低通滤波处理步骤，这样可消除大气相位中可能存在的失相关噪声的影响。对上海陆家嘴地面沉降的研究证实了解空间搜索法能有效、可靠地估计PS邻域差分相位模型参数，改进的大气相位估计方法能有效削弱大气相位中的失相关噪声。最后，应用基于Matlab环境编写的一套PS-DInSAR处理程序，成功探测了上海陆家嘴地区在1992～2002年间的地面沉降，获得陆家嘴地区在10年内的最大形变量为183.2mm，最小为78.4mm，总体平均形变速率为13.72mm/a，与实测结果具有很高的一致性。表明利用PS-DInSAR技术探测地表形变是可行的，本次研究结果以及相应的算法和处理程序是有效而可靠的。此外，对形变和大气相位的时空相关性做了统计分析，得出形变在时间上和小于4km的空间范围内具有很强的相关性；大气延迟在小于2km的空间范围内具有强相关性，而在时间上却不具有相关性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1合成孔径雷达干涉测量发展

1.2合成孔径雷达差分干涉测量特点及存在的问题

1.2.1合成孔径雷达差分干涉测量特点

1.2.2合成孔径雷达差分干涉测量存在的问题

1.2.3大气效应和失相关解决方案

1.3永久散躰体雷达差分干涉国内外研究现状及存在的问题

1.3.1永久散射体雷达差分干涉(PS-DInSAR)国内外研究现状

1.3.2 PS-DInSAR存在的问题

1.4本文研究的目标、主要内容及意义

1.5论文组织结构

第2章 合成孔径雷达差分干涉探测地表形变原理

2.1干涉相位的生成

2.2干涉相位组分分析及差分干涉探测地表形变的原理

2.2.1参考面相位φflat构成分析

2.2.2地形相位φtopo构成分析

2.2.3形变相位φdef构成分析及地表形变反演

2.2.4合成孔径雷达差分干涉测量分类及数据处理

2.3永久散射体差分干涉探测形变原理

2.3.1受噪声影响的干涉相位组分分析

2.3.2 PS-DInSAR数据处理基本流程

2.4本章小结

第3章 PS-DInSAR影像配准

3.1粗配准

3.2精配准

3.2.1精配准基本步骤

3.2.2相干系数法

3.2.3最大频谱法

3.2.4相位差影像平均波动函数法

3.3配准质量的评价指标

3.4三种配准方法比较

3.4.1对比实验方案及程序设计

3.4.2配准实验结果分析

3.5应用实例

3.6本章小结

第4章 永久散射体探测与网络构建

4.1 SAR影像辐射定标

4.2已有的PS探测方法及存在的问题

4.2.1相干系数阈值法

4.2.2相位离差阈值法

4.2.3振幅离差阈值法

4.2.4相干系数和振幅离差双阈值法

4.3振幅信息双阈值法

4.3.1振幅阈值法探测PSC

4.3.2振幅离差阈值法探测PS

4.4上海陆家嘴地区PS探测

4.5 PS网络构建

4.5.1基于像平面坐标的PS二维网络

4.5.2基于像平面坐标的PS二维网络存在的问题

4.5.3基于笛卡尔坐标的PS三维网络

4.5.4研究区PS网构建

4.5本章小结

第5章 PS-DInSAR探测形变的模型与计算方法

5.1基于线性形变的干涉和差分干涉相位函数模型

5.1.1干涉相位函数模型

5.1.2差分干涉相位函数模型

5.2基于线性形变的差分干涉相位函数模型迭代法解算

5.3形变估计及DEM误差改正

5.4基于线性形变模型的大气相位估计

5.4.1干涉及差分干涉图大气相位估计

5.4.2 SLC影像大气相位估计

5.5基于非线性形变的差分干涉相位函数模型

5.6 PS邻域差分建模

5.7 PS邻域差分相位模型参数初步估计及PS网络优化

5.7.1基于二维周期图方法的参数估计及存在的问题

5.7.2基于解空间搜索法的参数估计

5.7.3多影像相位相干系数估计及PS网二次优化

5.8 PS形变速率及高程误差估计

5.9基于稳健估计的PS线性形变速率

5.10 PS对邻域差分相位解缠

5.11PS点差分干涉相位解缠

5.12基于非线性形变模型的大气相位估计

5.12.1干涉及差分干涉图大气相位估计

5.12.2主影像大气相位估计

5.12.3从影像大气相位估计

5.13 PS点非线性形变量估计及区域形变场生成

5.14基于非线性形变的PS-DInSAR处理流程

5.15本章小结

第6章 应用PS-DInSAR研究上海地面沉降

6.1上海地面沉降及研究概况

6.2数据预处理说明

6.3研究区形变及大气影响分析

6.3.1研究区形变分析

6.3.2研究区大气影响分析

6.4形变及大气影响相关性分析

6.5本章小结

第7章 结论与展望

7.1本次研究总结

7.2展望

致谢

参考文献

附录 相位缠绕定理推导

学术活动与科研项目

攻读博士学位期间发表的论文