小基线集技术监测北京沉降分解

LandsubsidenceMonitoringinBeijingbasedonSBASmethodJuneXXXX第一章绪论问题提出及研究意义，其形成和发展速度令世界震惊[2]。境为了达到有效预防地面沉降以保证城市可持续发展和为城市发展规划提供可靠地质资料数据的目的，必须建立长期有效的地面沉降调查与监测机制并制订合理措施对沉降灾害进行预防与治理。常规的地面沉降监测一般包括高等级水准测量、地下精细观测方法(基岩标、分层标等)和GPS网络技术监测等方法，(每次)高高低(mm)实时监测地面的沉降对于维护人民的生命安全和经济的可持续发展具有很高的SARAR近二十多年来，空间对地遥感观测技术发展迅速，合成孔径雷达干涉测量(InterferometricSyntheticApertureRadar，SAR)作为一种新兴的卫星微波遥感R同时达到高分辨率(水平方向米级)、大范围(100*100km2以上)的探测雷达视M(M=7．3)的同震形变场，与测量数据及弹性形变模型获得的结果吻合很好，这研究比较明显的地震、火山等活动的形变，随着理论和技术的发展，D-InSAR率先提出了基于多干涉图堆积(Stacking)平滑的方法。为了削弱大气延迟的影行改进，提出了小基线集(SmallBaselineSubsets，SBAS)方法，并将其用于研了意大利南部的CampiFlegrei火山和Naples市区在空间低分辨率下(约100m*100m)的时间序列形变，利用奇异值分解法的原则获得了很好的监测结。果MoraPSSBAS方法的特点，进一步提出了进行形变分析D-InSAR技术进行地表形变监测应用研究方面，国内还处在探索研路旭和LiTao等利用ERS数据经过差分干涉测量处理提取了天津地区不同时间软软件名称软件开发者运行平台注GAMMAEarthview加拿大Atlantis公司SARscapeISAR利Doris荷兰代尔夫特理工源代码开放推进器实验室(JPL)IDIIDIOT柏林理工大学ROI斯坦福大学Unix源代码开放RAT柏林理工大学Windows+IDLPolSARpro欧洲空间局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基础2.1雷达基本原理雷达(Radar)意即无线电探测与测距，最早由军方研制使用，用来探测硬目标(一般为金属点目标)及测距，这些雷达系统并不产生图像。后期发展的雷信号处理及计算机软硬件的发展，合成孔径雷达(SAR)开始出现，并逐步取代雷达波的发射和接收均是以其自身实际有效长度的效率直接体现在显示记录中。相对于真实孔径雷达(RAR)，为了得到方位分辨率较高的雷达图像，科学家们根据多普勒效应原理，于20世纪50年代初期由美国科学家最先提出了2.2InSAR的基本原理2.2.1InSAR干涉测量工作方式SAR干涉测量的工作模式分为：单轨双天线横向模式(XTI)、单轨双天线纵向模式(ATI)、重复轨道单天线模式(RTI)。下面将详细介绍每种工作方式的成(1)单轨双天线横向(Cross–trackinterferometry，XTI)模式(2)单轨双天线纵向(Along-trackinterferometry，ATI)模式计的，因此测量到的相位差反映的是地面点的高程变化信息。这项技术被称为两配。(3)重复轨道单天线(Repeat-trackInterferometry，RTI)模式有准确并且稳定的运行轨道，因此星载系统比机载系统具有更大的优势。号还包括视线向位移信息和地形信息。差分干涉测量(D-InSAR)即是去除了地形。量精度高，但是地面覆盖能力有限。星载InSAR具有快速覆盖全球的能力，有2.2.2InSAR基本原理同位精本文采用的为重复轨道于涉测量得到的SAR数据，因此下面将以重复轨道向的夹角，卫星传感器高度为h，地面点P高程为z，此外，令ᵄ2=ᵄ1+Δᵄ条纹图(interferogram)，即有：ᵆ2=|ᵆ2|ᵅᵅᵱ2ᵆᵅᵅᵆ=|ᵆ1||ᵆ2|ᵅᵅ(ᵱ1ᵱ1=ᵰᵄ1+ᵄᵅᵅ{ᵰ1}ᵱ2=ᵰ(ᵄ1+Δᵄ)+ᵄᵅᵅ{ᵰ2}}表示由地面接收信息(双天线飞行模式)，则系数应该为1，在干涉图中只反映单程的相位献基本相同，则干涉图的相位就只与雷达信号传播的路径差有关，有ϕ=ᵱ1ᵱ2=ᵰΔᵄᵃ∥=Bsin(ᵰα)=ᵄ1ᵄ2=ΔR基线ᵃ∥的关系：ϕ=4ᵰᵃᵰ∥(ᵄ1+Δᵄ)2=ᵄ12+ᵃ2ᵰ2ᵄ1Bcos(2θ+α)ᵃ2Δᵰ2Δᵄ=Bsin(ᵰα)+2ᵄ12ᵄ1Δᵄ2ᵃ2ᵄ1=2(ᵃsin(ᵰᵯ)Δᵄ)由于ΔR≪ᵄ1，B≪ᵄ1，因而上式可以近似表示为：Δᵄ=Bsin(ᵰα)=4ᵰ4ᵰϕ=Δᵄ=−ᵃᵰᵰ∥z=h−ᵄ1cosᵰ−−B−−B24π2.3D-InSAR基础flattopodefoatmnoiΦ=Φ+Φ+flattopodefoatmnoi；Φatm为两次成像时大气状态不一致ourPasss形变信息。一般公式可表示如下：4ᵰᵅdemΔR=ᵰ(ᵱ−4ᵰᵅdemMreePassairographicpairᵆ1=|ᵆ1|exp−ᵅᵰᵄ1ᵆ2=|ᵆ2|exp−ᵅᵰᵄ2+Δrᵱ1=−4ᵰᵰ2+Δrsin+Δrᵆ3=|ᵆ3|exp−ᵅᵰᵄ34ᵰᵱ2=−ᵰᵃ=−ᵰᵃ13sinᵰ1−ᵯ1ᵃ124ᵰᵱᵅefo=ᵱ1−ᵃᵱ2=−ᵰΔr∥是视角θ的函数，它取决于成像参数和每个点的地形。为了解求出干涉相位4ᵰ4ᵰᵱᵅ2=−ᵰᵃ12sin(+Δᵰᵆ2−ᵯ2)−sin(ᵰᵰ2−ᵯ2)−ᵰΔr4ᵰ4ᵰ假设Δᵰᵆ1=Δᵰᵆ2，用去平地相位重新表示式可得：ᵱᵅefo=ᵱᵅ1−ᵱᵅ2=−ΔrSARDEMSAR涉图间的MDEMSAR数就较一致，则配准AR.4SBAS方法2.4.1基于最小二乘法(LS)的D-InSAR方法Usai(2001，2003)提出的多基线距D-InSAR方法是利用最小二乘方法求解SAR影像集的时序形变。为保证组合影像的相干性，一般要求时间和空间基线ϕ(x)=⋅ᵆ(ᵆ)⋅ᵄ+ᵱᵰᵅᵅ可以推出M满足下列不等式(假设N为奇数)：考虑位于方位-距离坐标系(x，r)处的第j幅干涉图，假定分别是在tA，tB时刻1N将从差分干涉图上计算的M个值表示为向量，即：M1M1MIEjjjIEjj]式(8)表明A是一个近似关联矩阵，它直接取决于从可用数据中生成的一系列干涉图。由于该特点，如果所有数据都属于一个单一的小基线集，那么≥N，于各层大气折射率变化引起的变化和由于没有精确去除地形相位部分而可能包Bernardino等(2002)和Lanari等(2004)提出了利用小基线集(SBAS)方法探测如果所有影像都属于一个小基线集，则可以利用最小二乘法得到形变相位，1NL+1.在最小二乘约束下求Φ，可以表示如下：求ikk-1kj示，可得下式。变化速率v满足如下线性模型：MMp最ii02i06i0其中v，a，编a分别表示形变的平均速度，平均加速度以及平均加速度变化率，则式(6)中的p和M可以表示成： 102 102 2|||||||||||| 00010 0101||||||||DEMA 第三章InSAR数据处理合成孔径雷达干涉测量技术中用来提取相位信息的信息源是合成孔径雷达复数据，而精确测量出雷达图像上各点的三维位置和变化信息的数据依据则是根据雷达传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系。而D-InSAR技术的发展基础及依据则是InSAR技术，其工作过程则是通过对地目标的位移。3.1影像配准处理过程中配准的质量结果将直接影响获取地面DEM的精度。对于精度至少达到对于未采取任何辐射分辨率改善、纹理模糊、具有严重的斑点噪声等InSAR影像来说，高精度自动干涉复图像对的粗配准是根据SAR数据获取时的卫星轨道参数所计算出主图像和辅图像中心的位置，然后为在统一的坐标系下计算出辅图像相对于主图mm 椭球方程：x2+y2+z2一1=0a2b2c2偏导利用多次迭代设置收敛阈值；像元级配准其精度大约为1个像元，在文中我们所采用的方法是基于窗口法有以下四种：1.频率极大法：以寻求两幅复图像最大频率为基准、以相干班的稀少分布为前2.平均波动函数法：以寻求两幅复图像相位差后的某点与在两个方向相邻点的4.最小二乘法：以相位差平方和最小为基准，同时要考虑几何畸变，以相位畸配准个像oversample理，然后再利用插值方法对图像对小，RSAR重采样3.3干涉图生成、去平地效应和相干图生成3.3.1干涉图生成3.3.2去平地效应3.3.3相干图生成一γ=ᵃ[ᵆ1ᵆ]√ᵃ[ᵆ1ᵆ]ᵃ[ᵆ2ᵆ]ᵅ，ᵅᵅ，ᵅᵅ，ᵅᵅ，ᵅ==1∑=1|ᵆ1γ=比越高。3.3.4干涉图滤波快速傅里叶变换(fastFouriertransform，FFT)，根据斑点噪声和信号的频谱特性不相干)3.3.5相位解缠R起的图像几何畸变(雷达阴影、透视收缩、叠掩)；干涉相位信号的信噪比太低；地表不连续导致干涉相位存在显著跳跃。ᵱ=ᵱ+2ᵰᵅi∈，0ᵄ−上式中ᵅᵅ，ᵅ是整数，且−π<ᵱᵅ，ᵅ<ᵰ，相位解缠的实质思想就是利用干涉条纹线，从某一参考点对每一个积分路径上的相位缠绕点进行加、减2π的整数倍，现有的相位解缠方法主要可分为两类，即路径跟踪类法(PathFollowing)和最geInjection3.6地理编码第四章D-InSAR方法处理北京地面沉降4.3北京地区沉降概况a速率超过100mm/a，部分地面沉降快速发展区内的最大沉降速率均超过128.2根据北京市地面沉降危害分区参考标准，城市建设发展相对较缓的郊区县，区；大于50mm/a或1000mm区域为严重区。市区内及重点城镇区，年沉降10~30mm/a或累计沉降量300~500mm区域为地面沉降发育较严重区；大于m4.2实验区数据介绍4.2.1SRTMDEM数据在差分干涉测量中，一般需要用到高精度的DEM，如果无法获取高精度2000年2月11日，由美国宇航局(NASA)、美国国家影像与测绘署 (NIMA)、德国空间局等单位联合进行了第一次载人航天飞行的雷达地形测三维地形测绘，生成了全球80%的陆地表面的数字高程模型(DEM)。目前ASAR(AdvancedSyntheticApertureRadar)传感器在交叉极化模式(AlternatingASAR测量模式简介模式(WideSwathMode)、全球监测模式(GlobalMonitoringMode)以及波模式模式模式ImageAlternatingWideswathGlobalMonitoringWave参数polarizationkm约400km约400km5km下行速率极化方式VV或HH0.9Mbit/s0.9Mbit/s分辨率ASAR数据特点简介ASAR工作在C波段，可为每个轨道连续地获取30min图像。它继承了I和水平极化方式成像。SLC数据是基于CEOS(CornmiteeforEarthObservationSatelli