基于永久散射体雷达差分干涉探测区域地表形变的研究

摘要

星载合成孔径雷达干涉是正在发展中的极具潜力的遥感新技术，其差分干涉模式可应用于大范围区域地表形变探测，具有高精度和高空间分辨率等突出优势，可与具有高时间分辨率基于点特征的观测技术(如GPS、精密水准)形成优势互补，为地球物理研究和形变灾害监测提供一种经济的空间对地观测新途径。然而，目前它的应用却受到两大因素的严重制约，即时间、空间失相关引起的低相位信噪比和大气相位延迟影响。 近年发展起来的基于永久散射体(PS，具有稳定散射特性的自然或人工地物)的时序差分雷达干涉技术为间接克服相位失相关和大气延迟提供了可能。本文以永久散射体雷达差分干涉技术为研究对象，探索克服差分干涉应用中失相关和大气影响的关键理论和方法，旨在改善雷达干涉技术在区域形变测量中的精度和可靠性，为形变灾害监测提供经济而有效的遥感新途径。具体来说，本论文完成了如下研究内容并得到了相关结论。 第一，论文从理论和实际两方面深入分析了粗／精轨道状态矢量的不确定性对参考相位、形变提取及DEM重建的精度影响。结果表明DEOS精轨数据能够满足高精度干涉测量，而ESA粗轨数据精度约为1m左右，对形变探测和DEM重建会产生明显的线形系统偏差。 第二，基于时间基线、有效空间基线和Doppler质心频率差的最佳组合原则，本论文提出时序差分干涉公共主影像的优化选取算法，并给出具体的综合相关(JC)函数模型。实验采用不同的指数因子计算综合相关系数，结果表明指数因子的取值差异对综合相关系数不会产生显著摆动，JC模型及其求解方法用于PS-DInSAR公共主影像的优化选取是稳定和可靠的。 第三，为改进PS识别的准确与合理性，本论文提出并实现了双重阈值PS自动探测算法，即时序相关系数和振幅离差指数两道阈值串行结合。通过对上海中心城区共25个ERS干涉对的探测分析表明，双重阈值PS识别算法具有较高的准确性。 第四，本论文探索和发展了基于永久散射体观测网络的相位建模与参数估计算法，并开发了一套完整的计算程序，可达到分离和提取线性与非线性形变时间序列、地形数据误差与大气信号的目的。以上海市沉降场为对象，选取1992～2002年间ERS-1／2卫星所获取的26幅SAR影像为源数据，分别开展了模拟和真实数据的实验，证实了该算法和计算程序是有效而可靠的。 模拟实验表明：在高信噪比(相位噪声水平在±0.5rad以内)条件下，PS点形变速度测量精度可达到±2mm／a，高程测量精度优于±1m；而随着噪声增强，PS测量精度逐渐降低，当噪声水平达到±0．80rad时，形变速度测量精度降低为±1cm／a左右，高程测量精度为±3m左右。上海地区真实PS网络处理与分析表明：1992～2002年间上海市中心城区的地表沉降平均线性速度达到12mm／a；所得到的结果与地面精密水准测量成果具有较高的一致性，证实了本文所提出的雷达差分干涉永久散射体网络技术可有效地应用于地表形变探测。

目录

文摘

英文文摘

西南交通大学学位论文版权使用授权书及西南交通大学学位论文创新性声明

第1章 绪论

1.1论文的研究意义

1.2干涉失相关和大气效应问题

1.3 PS干涉测量技术与传统差分干涉的比较

1.4 PS-DInSAR技术的应用及国内外研究现状

1.5论文的主要研究内容

1.5.1课题来源、实验数据与基础软件

1.5.2研究目标

1.5.3研究内容

1.6论文的组织结构

第2章 常规InSAR技术及其应用

2.1引言

2.2干涉相位的形成

2.3干涉相位的噪声测度

2.4干涉相位成分分析

2.5 InSAR高程测量

2.5.1观测几何

2.5.2 InSAR对地形起伏的敏感度

2.6 DInSAR地表形变测量

2.6.1观测几何

2.6.2 DInSAR对地表形变的敏感度

2.7常规DInSAR技术的局限性

第3章 轨道状态矢量对干涉测量精度的影响分析

3.1引言

3.2卫星轨道状态矢量内插方法

3.3轨道数据误差对干涉精度的影响

3.4实验结果与分析

3.4.1粗/精轨道状态数据精度的比较

3.4.2粗/精轨参考面相位和干涉相位的精度比较

3.4.3粗/精轨道DEM的精度比较

3.5结论

第4章 时序差分干涉公共主影像的优化选取

4.1引言

4.2单像对干涉处理

4.2.1图像配准

4.2.2干涉图的生成与滤波

4.2.3参考面/地形影响去除

4.2.4相位解缠

4.2.5地理编码

4.3时序差分干涉处理流程

4.4公共主影像的优化选取

4.4.1优化模型及求解方法

4.4.2实验数据和结果

4.5结论

第5章 永久散射体的识别

5.1引言

5.2时序SAR影像的辐射校正

5.2.1辐射校正的必要性

5.2.2采用校正因子的辐射校正法

5.2.3相对辐射校正法

5.3双重阈值PS自动识别

5.3.1 PS粗略筛选：时序相关系数阈值法

5.3.2 PS精细筛选：振幅离差指数阈值法

5.4 PS自动识别实验与分析

5.4.1 SAR影像数据预处理

5.4.2 PS目标的识别

5.5结论

第6章 PS网络构建与参数求解

6.1引言

6.2相位一次差分模型

6.3相位二次差分模型

6.4 PS相位差分模型

6.5 PS基线参数估计

6.5.1相位差分方程组的组建

6.5.2差分模型与观测相位的匹配测度

6.5.3 VLT搜索法估计PS差分参数

6.6 PS网络的构建

6.7应用实例——上海地区PS网络的建立

6.8结论与讨论

第7章 PS网络平差与残留相位分解

7.1引言

7.2平差函数模型

7.3间接平差法求解PS参数

7.4差分相位残留分量求解

7.5 PS残留相位分解

7.5.1 PS残留相位提取

7.5.2 PS残留相位解析

7.6结论

第8章 PS雷达差分干涉实例研究——应用于上海市地面沉降探测

8.1引言

8.2模拟实验

8.2.1总体设计

8.2.2系统参数

8.2.3实验数据

8.2.4 PS网络基线解算与统计分析

8.2.5 PS形变和高程测量精度分析

8.2.6 PS测量精度与相位标准差的关系

8.2.7实验结论

8.3应用实例——上海市地面沉降场探测

8.3.1实验区域

8.3.2公共主影像的选取

8.3.3数字高程模型

8.3.4差分干涉

8.3.5 PS的识别及网络建立

8.3.6 PS区域网平差和信号提取

8.3.7外部监测数据及沉降解释

8.4结论

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和参与的主要科研项目