小基線集技術(shù)監(jiān)測(cè)北京沉降分解

LandsubsidenceMonitoringinBeijingbasedonSBASmethodJuneXXXX第一章緒論問(wèn)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(dá)到有效預(yù)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(zhì)資料數(shù)據(jù)的目的，必須建立長(zhǎng)期有效的地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)機(jī)制并制訂合理措施對(duì)沉降災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防與治理。常規(guī)的地面沉降監(jiān)測(cè)一般包括高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量、地下精細(xì)觀測(cè)方法(基巖標(biāo)、分層標(biāo)等)和GPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)監(jiān)測(cè)等方法，(每次)高高低(mm)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面的沉降對(duì)于維護(hù)人民的生命安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有很高的SARAR近二十多年來(lái)，空間對(duì)地遙感觀測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InterferometricSyntheticApertureRadar，SAR)作為一種新興的衛(wèi)星微波遙感R同時(shí)達(dá)到高分辨率(水平方向米級(jí))、大范圍(100*100km2以上)的探測(cè)雷達(dá)視M(M=7．3)的同震形變場(chǎng)，與測(cè)量數(shù)據(jù)及彈性形變模型獲得的結(jié)果吻合很好，這研究比較明顯的地震、火山等活動(dòng)的形變，隨著理論和技術(shù)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(jìn)，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(shí)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(cè)結(jié)。果MoraPSSBAS方法的特點(diǎn)，進(jìn)一步提出了進(jìn)行形變分析D-InSAR技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究方面，國(guó)內(nèi)還處在探索研路旭和LiTao等利用ERS數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)差分干涉測(cè)量處理提取了天津地區(qū)不同時(shí)間軟軟件名稱軟件開發(fā)者運(yùn)行平臺(tái)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(jìn)器實(shí)驗(yàn)室(JPL)IDIIDIOT柏林理工大學(xué)ROI斯坦福大學(xué)Unix源代碼開放RAT柏林理工大學(xué)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(chǔ)2.1雷達(dá)基本原理雷達(dá)(Radar)意即無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距，最早由軍方研制使用，用來(lái)探測(cè)硬目標(biāo)(一般為金屬點(diǎn)目標(biāo))及測(cè)距，這些雷達(dá)系統(tǒng)并不產(chǎn)生圖像。后期發(fā)展的雷信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)(SAR)開始出現(xiàn)，并逐步取代雷達(dá)波的發(fā)射和接收均是以其自身實(shí)際有效長(zhǎng)度的效率直接體現(xiàn)在顯示記錄中。相對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)(RAR)，為了得到方位分辨率較高的雷達(dá)圖像，科學(xué)家們根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，于20世紀(jì)50年代初期由美國(guó)科學(xué)家最先提出了2.2InSAR的基本原理2.2.1InSAR干涉測(cè)量工作方式SAR干涉測(cè)量的工作模式分為：?jiǎn)诬夒p天線橫向模式(XTI)、單軌雙天線縱向模式(ATI)、重復(fù)軌道單天線模式(RTI)。下面將詳細(xì)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(jì)的，因此測(cè)量到的相位差反映的是地面點(diǎn)的高程變化信息。這項(xiàng)技術(shù)被稱為兩配。(3)重復(fù)軌道單天線(Repeat-trackInterferometry，RTI)模式有準(zhǔn)確并且穩(wěn)定的運(yùn)行軌道，因此星載系統(tǒng)比機(jī)載系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。號(hào)還包括視線向位移信息和地形信息。差分干涉測(cè)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(fù)軌道于涉測(cè)量得到的SAR數(shù)據(jù)，因此下面將以重復(fù)軌道向的夾角，衛(wèi)星傳感器高度為h，地面點(diǎn)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(yīng)該為1，在干涉圖中只反映單程的相位獻(xiàn)基本相同，則干涉圖的相位就只與雷達(dá)信號(hào)傳播的路徑差有關(guān)，有?=?1?2=?Δ??∥=Bsin(?α)=?1?2=ΔR基線?∥的關(guān)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(chǔ)flattopodefoatmnoiΦ=Φ+Φ+flattopodefoatmnoi；Φatm為兩次成像時(shí)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(gè)點(diǎn)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(shè)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(zhǔn)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(shí)序形變。為保證組合影像的相干性，一般要求時(shí)間和空間基線?(x)=??(?)??+????可以推出M滿足下列不等式(假設(shè)N為奇數(shù))：考慮位于方位-距離坐標(biāo)系(x，r)處的第j幅干涉圖，假定分別是在tA，tB時(shí)刻1N將從差分干涉圖上計(jì)算的M個(gè)值表示為向量，即：M1M1MIEjjjIEjj]式(8)表明A是一個(gè)近似關(guān)聯(lián)矩陣，它直接取決于從可用數(shù)據(jù)中生成的一系列干涉圖。由于該特點(diǎn)，如果所有數(shù)據(jù)都屬于一個(gè)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(méi)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(cè)如果所有影像都屬于一個(gè)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(jù)處理合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)中用來(lái)提取相位信息的信息源是合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)，而精確測(cè)量出雷達(dá)圖像上各點(diǎn)的三維位置和變化信息的數(shù)據(jù)依據(jù)則是根據(jù)雷達(dá)傳感器高度、雷達(dá)波長(zhǎng)、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系。而D-InSAR技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)及依據(jù)則是InSAR技術(shù)，其工作過(guò)程則是通過(guò)對(duì)地目標(biāo)的位移。3.1影像配準(zhǔn)處理過(guò)程中配準(zhǔn)的質(zhì)量結(jié)果將直接影響獲取地面DEM的精度。對(duì)于精度至少達(dá)到對(duì)于未采取任何輻射分辨率改善、紋理模糊、具有嚴(yán)重的斑點(diǎn)噪聲等InSAR影像來(lái)說(shuō)，高精度自動(dòng)干涉復(fù)圖像對(duì)的粗配準(zhǔn)是根據(jù)SAR數(shù)據(jù)獲取時(shí)的衛(wèi)星軌道參數(shù)所計(jì)算出主圖像和輔圖像中心的位置，然后為在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下計(jì)算出輔圖像相對(duì)于主圖mm 橢球方程：x2+y2+z2一1=0a2b2c2偏導(dǎo)利用多次迭代設(shè)置收斂閾值；像元級(jí)配準(zhǔn)其精度大約為1個(gè)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(fù)圖像最大頻率為基準(zhǔn)、以相干班的稀少分布為前2.平均波動(dòng)函數(shù)法：以尋求兩幅復(fù)圖像相位差后的某點(diǎn)與在兩個(gè)方向相鄰點(diǎn)的4.最小二乘法：以相位差平方和最小為基準(zhǔn)，同時(shí)要考慮幾何畸變，以相位畸配準(zhǔn)個(gè)像oversample理，然后再利用插值方法對(duì)圖像對(duì)小，RSAR重采樣3.3干涉圖生成、去平地效應(yīng)和相干圖生成3.3.1干涉圖生成3.3.2去平地效應(yīng)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(jù)斑點(diǎn)噪聲和信號(hào)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(dá)陰影、透視收縮、疊掩)；干涉相位信號(hào)的信噪比太低；地表不連續(xù)導(dǎo)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(shí)質(zhì)思想就是利用干涉條紋線，從某一參考點(diǎn)對(duì)每一個(gè)積分路徑上的相位纏繞點(diǎn)進(jìn)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(guò)100mm/a，部分地面沉降快速發(fā)展區(qū)內(nèi)的最大沉降速率均超過(guò)128.2根據(jù)北京市地面沉降危害分區(qū)參考標(biāo)準(zhǔn)，城市建設(shè)發(fā)展相對(duì)較緩的郊區(qū)縣，區(qū)；大于50mm/a或1000mm區(qū)域?yàn)閲?yán)重區(qū)。市區(qū)內(nèi)及重點(diǎn)城鎮(zhèn)區(qū)，年沉降10~30mm/a或累計(jì)沉降量300~500mm區(qū)域?yàn)榈孛娉两蛋l(fā)育較嚴(yán)重區(qū)；大于m4.2實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)介紹4.2.1SRTMDEM數(shù)據(jù)在差分干涉測(cè)量中，一般需要用到高精度的DEM，如果無(wú)法獲取高精度2000年2月11日，由美國(guó)宇航局(NASA)、美國(guó)國(guó)家影像與測(cè)繪署 (NIMA)、德國(guó)空間局等單位聯(lián)合進(jìn)行了第一次載人航天飛行的雷達(dá)地形測(cè)三維地形測(cè)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(cè)量模式簡(jiǎn)介模式(WideSwathMode)、全球監(jiān)測(cè)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(jù)特點(diǎn)簡(jiǎn)介ASAR工作在C波段，可為每個(gè)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(jù)是基于CEOS(CornmiteeforEarthObservationSatelli