小基線集技術監(jiān)測北京沉降分解

LandsubsidenceMonitoringinBeijingbasedonSBASmethodJuneXXXX第一章緒論問題提出及研究意義，其形成和發(fā)展速度令世界震驚[2]。境為了達到有效預防地面沉降以保證城市可持續(xù)發(fā)展和為城市發(fā)展規(guī)劃提供可靠地質資料數(shù)據的目的，必須建立長期有效的地面沉降調查與監(jiān)測機制并制訂合理措施對沉降災害進行預防與治理。常規(guī)的地面沉降監(jiān)測一般包括高等級水準測量、地下精細觀測方法(基巖標、分層標等)和GPS網絡技術監(jiān)測等方法，(每次)高高低(mm)實時監(jiān)測地面的沉降對于維護人民的生命安全和經濟的可持續(xù)發(fā)展具有很高的SARAR近二十多年來，空間對地遙感觀測技術發(fā)展迅速，合成孔徑雷達干涉測量(InterferometricSyntheticApertureRadar，SAR)作為一種新興的衛(wèi)星微波遙感R同時達到高分辨率(水平方向米級)、大范圍(100*100km2以上)的探測雷達視M(M=7．3)的同震形變場，與測量數(shù)據及彈性形變模型獲得的結果吻合很好，這研究比較明顯的地震、火山等活動的形變，隨著理論和技術的發(fā)展，D-InSAR率先提出了基于多干涉圖堆積(Stacking)平滑的方法。為了削弱大氣延遲的影行改進，提出了小基線集(SmallBaselineSubsets，SBAS)方法，并將其用于研了意大利南部的CampiFlegrei火山和Naples市區(qū)在空間低分辨率下(約100m*100m)的時間序列形變，利用奇異值分解法的原則獲得了很好的監(jiān)測結。果MoraPSSBAS方法的特點，進一步提出了進行形變分析D-InSAR技術進行地表形變監(jiān)測應用研究方面，國內還處在探索研路旭和LiTao等利用ERS數(shù)據經過差分干涉測量處理提取了天津地區(qū)不同時間軟軟件名稱軟件開發(fā)者運行平臺注GAMMAEarthview加拿大Atlantis公司SARscapeISAR利Doris荷蘭代爾夫特理工源代碼開放推進器實驗室(JPL)IDIIDIOT柏林理工大學ROI斯坦福大學Unix源代碼開放RAT柏林理工大學Windows+IDLPolSARpro歐洲空間局WindowsDiapasonSARinfoRSWindowsGRACEWindowsIFSARWindows+ERDAS不能做差分ALMAZ-1ERS-1/2JERS-1RADARSAT-1ALOSATraSARXCOSMO-SkyMed(四星座)HJ-1C200672007~20102012(cm)C/5.6L/23.5C/5.6C/5.6L/23.5C/5.6(km)30~4550~50020~35025~50040~100率(m)5525~1003~1003~100度(km)499(度)21~65323~6520~4520~4520~6025~47期(天)4444644~16第二章InSAR基礎2.1雷達基本原理雷達(Radar)意即無線電探測與測距，最早由軍方研制使用，用來探測硬目標(一般為金屬點目標)及測距，這些雷達系統(tǒng)并不產生圖像。后期發(fā)展的雷信號處理及計算機軟硬件的發(fā)展，合成孔徑雷達(SAR)開始出現(xiàn)，并逐步取代雷達波的發(fā)射和接收均是以其自身實際有效長度的效率直接體現(xiàn)在顯示記錄中。相對于真實孔徑雷達(RAR)，為了得到方位分辨率較高的雷達圖像，科學家們根據多普勒效應原理，于20世紀50年代初期由美國科學家最先提出了2.2InSAR的基本原理2.2.1InSAR干涉測量工作方式SAR干涉測量的工作模式分為：單軌雙天線橫向模式(XTI)、單軌雙天線縱向模式(ATI)、重復軌道單天線模式(RTI)。下面將詳細介紹每種工作方式的成(1)單軌雙天線橫向(Cross–trackinterferometry，XTI)模式(2)單軌雙天線縱向(Along-trackinterferometry，ATI)模式計的，因此測量到的相位差反映的是地面點的高程變化信息。這項技術被稱為兩配。(3)重復軌道單天線(Repeat-trackInterferometry，RTI)模式有準確并且穩(wěn)定的運行軌道，因此星載系統(tǒng)比機載系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。號還包括視線向位移信息和地形信息。差分干涉測量(D-InSAR)即是去除了地形。量精度高，但是地面覆蓋能力有限。星載InSAR具有快速覆蓋全球的能力，有2.2.2InSAR基本原理同位精本文采用的為重復軌道于涉測量得到的SAR數(shù)據，因此下面將以重復軌道向的夾角，衛(wèi)星傳感器高度為h，地面點P高程為z，此外，令?2=?1+Δ?條紋圖(interferogram)，即有：?2=|?2|???2????=|?1||?2|??(?1?1=??1+???{?1}?2=?(?1+Δ?)+???{?2}}表示由地面接收信息(雙天線飛行模式)，則系數(shù)應該為1，在干涉圖中只反映單程的相位獻基本相同，則干涉圖的相位就只與雷達信號傳播的路徑差有關，有?=?1?2=?Δ??∥=Bsin(?α)=?1?2=ΔR基線?∥的關系：?=4???∥(?1+Δ?)2=?12+?2?2?1Bcos(2θ+α)?2Δ?2Δ?=Bsin(?α)+2?12?1Δ?2?2?1=2(?sin(??)Δ?)由于ΔR??1，B??1，因而上式可以近似表示為：Δ?=Bsin(?α)=4?4??=Δ?=????∥z=h??1cos???B??B24π2.3D-InSAR基礎flattopodefoatmnoiΦ=Φ+Φ+flattopodefoatmnoi；Φatm為兩次成像時大氣狀態(tài)不一致ourPasss形變信息。一般公式可表示如下：4??demΔR=?(??4??demMreePassairographicpair?1=|?1|exp????1?2=|?2|exp????2+Δr?1=?4??2+Δrsin+Δr?3=|?3|exp????34??2=???=???13sin?1??1?124???efo=?1???2=??Δr∥是視角θ的函數(shù)，它取決于成像參數(shù)和每個點的地形。為了解求出干涉相位4?4???2=???12sin(+Δ??2??2)?sin(??2??2)??Δr4?4?假設Δ??1=Δ??2，用去平地相位重新表示式可得：??efo=??1???2=?ΔrSARDEMSAR涉圖間的MDEMSAR數(shù)就較一致，則配準AR.4SBAS方法2.4.1基于最小二乘法(LS)的D-InSAR方法Usai(2001，2003)提出的多基線距D-InSAR方法是利用最小二乘方法求解SAR影像集的時序形變。為保證組合影像的相干性，一般要求時間和空間基線?(x)=??(?)??+????可以推出M滿足下列不等式(假設N為奇數(shù))：考慮位于方位-距離坐標系(x，r)處的第j幅干涉圖，假定分別是在tA，tB時刻1N將從差分干涉圖上計算的M個值表示為向量，即：M1M1MIEjjjIEjj]式(8)表明A是一個近似關聯(lián)矩陣，它直接取決于從可用數(shù)據中生成的一系列干涉圖。由于該特點，如果所有數(shù)據都屬于一個單一的小基線集，那么≥N，于各層大氣折射率變化引起的變化和由于沒有精確去除地形相位部分而可能包Bernardino等(2002)和Lanari等(2004)提出了利用小基線集(SBAS)方法探測如果所有影像都屬于一個小基線集，則可以利用最小二乘法得到形變相位，1NL+1.在最小二乘約束下求Φ，可以表示如下：求ikk-1kj示，可得下式。變化速率v滿足如下線性模型：MMp最ii02i06i0其中v，a，編a分別表示形變的平均速度，平均加速度以及平均加速度變化率，則式(6)中的p和M可以表示成： 102 102 2|||||||||||| 00010 0101||||||||DEMA 第三章InSAR數(shù)據處理合成孔徑雷達干涉測量技術中用來提取相位信息的信息源是合成孔徑雷達復數(shù)據，而精確測量出雷達圖像上各點的三維位置和變化信息的數(shù)據依據則是根據雷達傳感器高度、雷達波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關系。而D-InSAR技術的發(fā)展基礎及依據則是InSAR技術，其工作過程則是通過對地目標的位移。3.1影像配準處理過程中配準的質量結果將直接影響獲取地面DEM的精度。對于精度至少達到對于未采取任何輻射分辨率改善、紋理模糊、具有嚴重的斑點噪聲等InSAR影像來說，高精度自動干涉復圖像對的粗配準是根據SAR數(shù)據獲取時的衛(wèi)星軌道參數(shù)所計算出主圖像和輔圖像中心的位置，然后為在統(tǒng)一的坐標系下計算出輔圖像相對于主圖mm 橢球方程：x2+y2+z2一1=0a2b2c2偏導利用多次迭代設置收斂閾值；像元級配準其精度大約為1個像元，在文中我們所采用的方法是基于窗口法有以下四種：1.頻率極大法：以尋求兩幅復圖像最大頻率為基準、以相干班的稀少分布為前2.平均波動函數(shù)法：以尋求兩幅復圖像相位差后的某點與在兩個方向相鄰點的4.最小二乘法：以相位差平方和最小為基準，同時要考慮幾何畸變，以相位畸配準個像oversample理，然后再利用插值方法對圖像對小，RSAR重采樣3.3干涉圖生成、去平地效應和相干圖生成3.3.1干涉圖生成3.3.2去平地效應3.3.3相干圖生成一γ=?[?1?]√?[?1?]?[?2?]?，??，??，??，?==1∑=1|?1γ=比越高。3.3.4干涉圖濾波快速傅里葉變換(fastFouriertransform，F(xiàn)FT)，根據斑點噪聲和信號的頻譜特性不相干)3.3.5相位解纏R起的圖像幾何畸變(雷達陰影、透視收縮、疊掩)；干涉相位信號的信噪比太低；地表不連續(xù)導致干涉相位存在顯著跳躍。?=?+2??i∈，0??上式中??，?是整數(shù)，且?π<??，?<?，相位解纏的實質思想就是利用干涉條紋線，從某一參考點對每一個積分路徑上的相位纏繞點進行加、減2π的整數(shù)倍，現(xiàn)有的相位解纏方法主要可分為兩類，即路徑跟蹤類法(PathFollowing)和最geInjection3.6地理編碼第四章D-InSAR方法處理北京地面沉降4.3北京地區(qū)沉降概況a速率超過100mm/a，部分地面沉降快速發(fā)展區(qū)內的最大沉降速率均超過128.2根據北京市地面沉降危害分區(qū)參考標準，城市建設發(fā)展相對較緩的郊區(qū)縣，區(qū)；大于50mm/a或1000mm區(qū)域為嚴重區(qū)。市區(qū)內及重點城鎮(zhèn)區(qū)，年沉降10~30mm/a或累計沉降量300~500mm區(qū)域為地面沉降發(fā)育較嚴重區(qū)；大于m4.2實驗區(qū)數(shù)據介紹4.2.1SRTMDEM數(shù)據在差分干涉測量中，一般需要用到高精度的DEM，如果無法獲取高精度2000年2月11日，由美國宇航局(NASA)、美國國家影像與測繪署 (NIMA)、德國空間局等單位聯(lián)合進行了第一次載人航天飛行的雷達地形測三維地形測繪，生成了全球80%的陸地表面的數(shù)字高程模型(DEM)。目前ASAR(AdvancedSyntheticApertureRadar)傳感器在交叉極化模式(AlternatingASAR測量模式簡介模式(WideSwathMode)、全球監(jiān)測模式(GlobalMonitoringMode)以及波模式模式模式ImageAlternatingWideswathGlobalMonitoringWave參數(shù)polarizationkm約400km約400km5km下行速率極化方式VV或HH0.9Mbit/s0.9Mbit/s分辨率ASAR數(shù)據特點簡介ASAR工作在C波段，可為每個軌道連續(xù)地獲取30min圖像。它繼承了I和水平極化方式成像。SLC數(shù)據是基于CEOS(CornmiteeforEarthObservationSatelli