基于时序InSAR方法的莫喀高铁沿线冻土形变监测

摘要

冻土是对温度特别敏感的土体类型，地下冰资源充足。地下冰的状态随温度的变化而改变，春、夏季温度上升，冰融化成水，体积减小使得土体下陷；秋、冬季温度下降，水冻结成冰，体积增加使得土体抬升。因此冻土区的工程建设就面临两大风险：冻胀于融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。为了减少冻土地表沉降给工程构筑物及人们生活造成的危害，对冻土区域进行地表沉降监测十分必要。目前，合成孔径雷达干涉测量技术具有全天时、全天候、高分辨率、高精度、高效率、监测范围广等优势，已经被广泛应用于地表沉降监测工作中，在大范围地表沉降监测工作中具有无可比拟的优势。　　随着“一带一路”战略的推进，中国高铁发扬海外。2015年，“莫斯科-喀山-叶卡捷琳堡高速铁路”项目开始进行。此工程有助于欧亚高速运输通道的建设，对加快“丝绸之路经济带”的建设有重要的意义。而在总长770km的高铁路线中分布着大量季节性冻土。沿线冻土的融化与冻结的反复交替活动会使铁路路基产生不均匀变形，严重影响铁路运营。所以，基于一定监测手段获取该冻土区的冻土分布信息，并对沿线季节性冻土进行地表形变反演，进而揭示其形变规律及发展趋势具有极其重要的意义。本文以莫喀高铁中“莫斯科-弗拉基米尔”段作为研究区域，采用热红外遥感方法反演地表温度，对研究区域冻土分布进行研究；分别使用DInSAR和StaMPS时序InSAR技术对研究区进行地表沉降监测，研究铁路沿线地表形变特征；进而探讨区域的冻土分布、冻土发育与地表形变的关系。本论文的具体工作内容和结果如下：　　1.基于大气校正法对研究区域Lansat8影像数据进行地表温度反演。使用阈值法对温度数据中有云的地方进行了去云计算。接着通过计算地表比辐射率，结合NASA官方提供的卫星过境时刻的大气参数计算地表辐射强度以及普朗克公式的反函数得到地表温度数据。　　2.通过计算地表平均温度及低温区影像序列，制定冻土判定准则，并完成莫斯科-弗拉基米尔段区域内冻土的划分。在莫斯科-弗拉基米尔段高铁沿线的五个站点中，铁路沿线前半程库尔斯克站至诺金斯克站冻土分布较零散，后半程奥列霍沃-祖耶沃站至弗拉基米尔站间存在大面积的季节性冻土。　　3.针对存在大量季节性冻土的莫斯科-弗拉基米尔地区。通过DInSAR构建春-夏、秋-冬干涉对，发现了研究区地表存在一定季节性形变。且研究区地表形变分布都位于反演得到的冻土区域，说明该地区地表形变主要是由冻土的季节性变化导致。　　4.使用StaMPS时序InSAR技术对研究区进一步进行地表形变监测，根据时序形变结果与气温数据，对研究区两处沉降区域做出分析。切尔诺戈洛夫卡地区冻土地表最大沉降速率为-76.3mm/yr，冻结期起于十月下旬，融化期起于2月中旬；丹尼洛夫卡地区冻土地表最大沉降速率为-58.4mm/yr，冻结期起于十二月中旬，融化期起于2月下旬。同时发现冻土的冻融与地表水资源密切相关，水资源丰富的地区，冻土地表更容易发生变化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 InSAR形变监测研究现状

1.2.2 冻土区域研究现状

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文组织结构

第2章 InSAR形变监测原理

2.1.1 合成孔径雷达成像几何

2.1.2 合成孔径雷达干涉原理

2.2.1 DInSAR基本原理

2.2.2 DInSAR提取地表形变流程

2.2.3 DInSAR局限性分析

2.3 基于相位空间相关性和稳定性分析的PSI原理

2.2.1 点目标的探测

2.3.2 三维相位解缠

2.3.3 形变量恢复

2.4 本章小结

第3章 热红外遥感地温反演理论介绍

3.1 热红外遥感反演地表温度原理

3.1.1 黑体辐射和普朗克函数

3.1.2 比辐射率

3.1.3 辐射温度和亮度温度

3.1.4 热红外辐射传输方程

3.2 热红外遥感反演地表温度方法

3.2.1 大气校正法

3.2.2 单窗算法

3.2.3 劈窗算法

3.3 本章小结

第4章 利用Landsat8地表温度反演莫喀高铁“莫-弗”段沿线冻土分布

4.1 研究区域概况

4.2.1 多光谱数据

4.2.2 地表温度反演与去云

4.2.3 地温反演结果的验证

4.2 冻土区域划分

4.2.1 冻土区域划分法则

4.2.2 研究区冻土分布图

4.3 本章小结

第5章 莫喀高铁“莫-弗”段冻土形变监测与分析

5.1 数据源

5.2 DInSAR沉降监测及分析

5.3 时序DInSAR沉降监测及分析

5.3.1 2018年2月至2019年11月沉降监测结果

5.3.2 切尔诺戈洛夫卡区域沉降分析

5.3.3 丹尼洛夫卡区域沉降分析

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献