InSAR技术在地面沉降监测中的应用研究

摘要

近年来，随着现代化进程的加速，世界性的地面沉降问题日益凸显，给人们的生产和生活带来巨大损失，严重制约了社会经济的可持续发展。合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）技术凭借其全天候、监测范围广、获取精度高等优势崭露头角，成为地面沉降监测、灾害预测等领域的一种空间对地观测新方法。本文在分析地下水和煤炭资源开采引起的地面沉降的危害以及InSAR相关技术理论模型的基础上，深入系统的研究了外部参考数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）误差对InSAR地面沉降监测精度的影响、时序差分干涉序列的优化选取方法、合成孔径雷达差分干涉测量（Differential InSAR,D-InSAR）及短基线集InSAR（Small Baseline Subset InSAR,SBAS-InSAR）在济宁矿区地面沉降监测中的应用等。主要内容包括：　　（1）系统分析了地面沉降监测的必要性和InSAR技术地面沉降监测的国内外研究现状，指出InSAR技术在开采地下水和煤矿区引起的地面沉降监测方面具有显著的优势；详细阐述了SAR成像原理和成像特点，研究和分析了InSAR、D-InSAR和SBAS-InSAR技术的基本原理、实用数据处理流程等。　　（2）探讨与研究InSAR在监测地面沉降方面的部分误差源，从理论和应用两个方面全面系统的研究外部DEM误差对D-InSAR技术监测地面沉降的影响。详细对比分析1∶5万、ASTER GDEM V2、SRTM三种常用DEM的精度及其差异；结合山东省济宁某矿区D-InSAR地面沉降监测试验分析三种不同精度的DEM对双轨D-InSAR的影响。为有效去除DEM误差，提高InSAR监测精度提供帮助。　　（3）分析和研究了SBAS-InSAR技术中时序差分干涉序列的优化选取方法及其应用效果。在全面系统研究SBAS-InSAR的形变模型及其解算方法的基础上，利用总相关性和时空基线阈值条件优化选取了5种不同数量和质量的时序差分干涉序列，对北京市区2007-01-22~2010-10-18期间的地面沉降进行监测，得到北京市区同一研究区同一时间段内不同时序差分干涉序列监测得到的沉降分布和沉降速率，并与水准和GPS监测结果进行了对比。　　（4）针对山东省济宁地区由于煤矿开采引起的地面沉降状况，利用不同的数据源（TerraSAR-X数据和ENVISAT ASAR数据），分别基于D-InSAR和SBAS-InSAR技术，对济宁地区不同时期内由于煤矿开采引起的地面沉降进行监测和调研，并分别与水准数据进行精度对比验证，进而为济宁煤矿区的综合治理和可持续发展提供一定的理论支撑和技术支持。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 选题依据和研究意义

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 InSAR技术的应用及发展趋势

1.3 论文组织结构

2 SAR干涉测量理论基础

2.1 SAR成像原理和成像特点

2.1.1 SAR成像原理

2.1.2 SAR成像特点

2.2 InSAR、D-InSAR基本原理及数据处理流程

2.2.1 干涉相位组成

2.2.2 InSAR基本原理

2.2.3 D-InSAR基本原理

2.3 SBAS-InSAR技术基本原理及数据处理流程

2.3.1 SBAS-InSAR技术形变模型及其解算

2.3.2 SBAS-InSAR技术地面沉降监测的数据处理流程

3 外部参考DEM对双轨D-InSAR矿区地面沉降监测精度的影响

3.1 D-InSAR误差影响因素

3.2 外部参考DEM误差影响原理

3.3 外部参考DEM误差影响试验分析

3.3.1 研究区及数据源介绍

3.3.2 数据处理过程

3.3.3 试验结果整理与分析

3.4 地面沉降监测结果的精度验证与分析

3.4.1 第一矿区监测结果的精度验证与分析

3.4.2 第二矿区监测结果的精度验证与分析

4 SBAS-InSAR时序差分干涉序列的优化选取与应用

4.1 时序差分干涉序列的组成与优化选取原理

4.2 时序差分干涉序列优化选取试验过程与结果分析

4.2.1 研究区试验数据简介

4.2.2 数据处理过程

4.2.3 试验结果整理与分析

4.3 地面沉降监测结果的精度验证与分析

4.3.1 LOS向年平均沉降速率的方差统计

4.3.2 与水准数据进行精度验证

4.3.3 与GPS数据进行精度验证

5 D-InSAR技术在济宁矿区地面沉降监测中的应用

5.1 研究区地面沉降基本状况及数据源介绍

5.1.1 研究区地面沉降基本状况

5.1.2 研究区数据源介绍

5.2 D-InSAR数据处理过程

5.3 D-InSAR地面沉降监测结果整理与分析

5.3.1 宏观显示区域性地面沉降的空间分布

5.3.2 区域性地面沉降量与沉降影响面积统计

5.3.3 区域性地面沉降的精细化分析

5.3.4 D-InSAR技术获取的地面沉降结果的精度验证

5.3.5 典型研究区地面沉降监测

6 SBAS-InSAR技术在济宁矿区地面沉降监测中的应用

6.1 研究区数据源介绍

6.2 SBAS-InSAR技术的数据处理过程

6.2.1 公共主影像的优化选取

6.2.2 SAR图像配准及干涉图的生成

6.2.3 小基线数据干涉对的组合

6.2.4 SDFP的选取

6.2.5 大气效应的消除

6.3 SBAS-InSAR监测成果整理分析

6.3.1 研究区地面沉降速率的获取

6.3.2 研究区开采沉陷时序InSAR动态监测

6.3.3 SBAS-InSAR技术获取的地面沉降监测成果的精度验证

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士期间的主要成果

致 谢