GPS与InSAR数据融合的研究现状与展望

GPS与InSAR数据融合研究是一个极具潜力的研究方向。本文在详细论述其研究现状的基础上，探讨了它的研究特点、应用优势。针对其研究现状，讨论了其在基本概念、相位解缠算法、水汽模型和大气层延迟改正模型、时间域与空间域的融合模型和算法、精度评定和质量控制等研究方面的问题．为GPS与InSAR数据融合提出了基本的研究框架。     

四向加权最小二乘法相位解缠研究

相位解缠是干涉合成孔径雷达(InSAR)成像的关键步骤之一.首先采用正余弦均值滤波法去除InSAR图像噪声,然后提出一种改进的最小二乘法,即四向加权最小二乘法,应用该算法进行相位解缠实验.实验结果表明, 正余弦均值滤波法不仅对去除噪声非常有效,而且很好的保持了图像边缘信息;四向加权最小二乘法比现有的两向最小二乘法相位解缠更接近真实解缠相位.     

能量方程在InSAR相位解缠中的应用研究

将能量方程应用于InSAR二维相位解缠中,阐述了它的基本原理。通过对干涉图进行均值滤波处理,使同一条纹内的相位得到平滑,相邻条纹间的相位得到增强,避免了相位解缠产生的拉线现象。在相位解缠过程中,对每一像素点进行相位梯度估计,减少了误差的传播。该方法有效地解决了原能量方程算法在干涉条纹较多情况下,相位解缠不收敛的问题,提高了相位解缠的精度。仿真数据和真实InSAR数据的实验结果验证了该方法的有效性。     

差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的实验研究

通过ALOS卫星PALSAR传感器获得的三景合成孔径雷达(SAR)数据,利用合成孔径雷达差分干涉(D-InSAR)技术对金沙江下游乌东德水电站库区内的滑坡活动进行了详细的研究,获得研究区域内地表高精度形变位移值.将其按滑动速率及位移大小进行分级显示,清晰地表明了研究区内不同区域的地面活动位移状态,辨识出研究区内可能发生滑动和发生滑动较大的区域,从而确定了滑坡活动的风险区.对库区内正处活动状态的L1R--6号滑坡进行了详细的研究.结果表明:D-InSAR技术与全球定位系统GPS在监测整体形变和运动趋势上基本一致.对D-InSAR结果存在的单点误差进行了分析,提出了D-InSAR与GPS相融合的栅格函数误差插值消减法,提高了D-InSAR技术的监测精度.     

融合梯度向量流条纹探测与图切法相位解缠

为解决GVF-Snake(gradient vector flow snake)条纹探测相位解缠时,内部条纹线探测偏离条纹边界的问题,提出了一种融合GVF-Snake条纹探测与马尔科夫随机场(Markov random field,MRF)图切法相位解缠方法.通过判断出条纹探测线不是真实条纹边界的情况,对该条纹探测线上一步探测条纹的内部块用MRF图切法进行分割解缠,按照相应解缠准则将两种解缠结果进行融合,形成含有边界跳跃点的粗解缠结果,并用高通滤波插值法消除粗解缠结果的边界孤立点的方法研究了矿区梯度较大地区的相位解缠.结果表明:以巨野矿区某工作面为实验区,用两景sentinel-1A的单视复数图像进行两轨法干涉处理的真实相位来验证算法的有效性.在面分析上,以自适应局部平滑相位评估(phase estimation using adaptive regulation based on local smoothing,PEARLS)为评价标准,将本文方法与最小费用流等5种相位解缠算法进行比较.对比结果显示,本文方法的平方根误差、平均绝对误差分别是±0.0791、±0.0090、±2.3173 rad.在线分析上,对只含有变形相位的绝对相位,提取各解缠绝对相位工作面走向线、倾向线的变形.以实际水准观测值为标准,本文方法的平方根误差、平均绝对误差、绝对值最大误差分别是±0.17748、±0.14107、±0.40529 cm.面分析中以PEARLS相位重构为基准,可见本文方法要优于其他常规的解缠方法;同理,线分析中以水准数据作为依据其各项指标亦为最优.     

DEM辅助的零中频多基线InSAR干涉处理

借鉴DEM辅助的思想,提出了DEM辅助的零中频多基线InSAR干涉处理方法.该方法利用外部粗DEM模拟的干涉图与多基线干涉图组中的最低频原始干涉图做差分处理,得到零中频干涉图;再对零中频干涉图进行滤波和相位解缠处理后重新加回模拟相位,构建为原始基准干涉图.利用该基准干涉图逐步指导较高频干涉图由粗到精地进行相位解缠,进而高精度地反演DEM.充分利用了零中频干涉图的易解性和高频干涉图的高精度性,解决了高频干涉图频谱混叠、相位欠采样处的解缠难题.采用邯郸地区6景ENVISAT ASAR数据进行了干涉处理实验,实验结果验证了所提方法的有效性.     

基于误差迭代补偿的InSAR四向加权最小二乘相位解缠法

相位解缠是干涉合成孔径雷达(InSAR)高程地形测量中的关键步骤之一。四向最小二乘法相比传统的两向最小二乘法,充分考虑了对角方向的相位信息,其解缠结果更接近真实值,但还是存在一定的误差。为了进一步提高解缠精度,提出了一种基于误差迭代补偿的四向加权最小二乘相位解缠法。通过利用缠绕相位二阶差分和梯度相关质量图的双重特性,来构建新的权重,能更好地修正坡度变化大的相位区域,抵消平滑作用,再采用误差迭代补偿机制,进一步提高解缠精度。实验结果表明,该方法有一定的优越性和可行性。     

融合梯度向量流条纹探测与图切法相位解缠

为解决GVF-Snake(gradient vector flow snake)条纹探测相位解缠时,内部条纹线探测偏离条纹边界的问题,提出了一种融合GVF-Snake条纹探测与马尔科夫随机场(Markov random field, MRF)图切法相位解缠方法。通过判断出条纹探测线不是真实条纹边界的情况,对该条纹探测线上一步探测条纹的内部块用MRF图切法进行分割解缠,按照相应解缠准则将两种解缠结果进行融合,形成含有边界跳跃点的粗解缠结果,并用高通滤波插值法消除粗解缠结果的边界孤立点的方法研究了矿区梯度较大地区的相位解缠。结果表明:以巨野矿区某工作面为实验区,用两景sentinel-1A的单视复数图像进行两轨法干涉处理的真实相位来验证算法的有效性。在面分析上,以自适应局部平滑相位评估(phase estimation using adaptive regulation based on local smoothing, PEARLS)为评价标准,将本文方法与最小费用流等5种相位解缠算法进行比较。对比结果显示,本文方法的平方根误差、平均绝对误差分别是±0.079 1、±0.009 0、±2.317 3 rad。在线分析上,对只含有变形相位的绝对相位,提取各解缠绝对相位工作面走向线、倾向线的变形。以实际水准观测值为标准,本文方法的平方根误差、平均绝对误差、绝对值最大误差分别是±0.177 48、±0.141 07、±0.405 29 cm。面分析中以PEARLS相位重构为基准,可见本文方法要优于其他常规的解缠方法;同理,线分析中以水准数据作为依据其各项指标亦为最优。     

InSAR／GPS集成技术在常州-无锡地面沉降监测中的应用研究

精确监测地表形变是地面沉降防控工作中的重要内容,也是多年来该研究领域面临的难题．GPS和InSAR是近年来迅速发展起来的两种空间大地测量监测手段,在区域地表形变监测方面都显示出了各自的优势及良好的应用前景．文中根据二者技术特点,分析了InSAR／GPS集成技术监测地面沉降的方案可行性,并以常州-无锡地区为例开展了同步观测试验,利用GPS数据来建立大气改正模型,从而削弱InSAR干涉图像中大气影响,提高了InSAR形变量监测精度．     

基于双频载波相位组合的变形信息逐步精化方法

针对GPS动态变形监测,利用监测点位置精确已知的条件,提出了一种新的单历元变形信息解算算法,避开了整周模糊度的求解和周跳的探测与修复,极大简化了数据处理过程.针对较大的瞬时变形量,首先采用长波长的双频载波相位组合观测量进行求解,然后利用宽巷和L1载波相位观测量进行逐步精化处理,从而可以精确求解高达0.8 m的瞬时变形量.静态和动态实验结果表明,该方法可以达到±5 mm的精度,能够有效应用于快速变形监测.     

工矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究

基于差分合成孔径雷达干涉测量(D-InSAR)中相位构成因素的分析,选择中国东部典型工矿区(唐山市及开滦矿区)为试验区进行了矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究.利用该地区1997-1998年两个时相获取的5景ERS1/2卫星SAR单视复数据(SLC),分别采用“2轨法”和“3轨法”进行差分干涉处理,得到了间隔时间超过半年的地下采矿及采水引起的雷达视线向(LOS)形变图.通过将LOS形变图转换成地表下沉分量,分析了试验区沉陷的扩展及演变过程.在此基础上,对D-InSAR技术中存在的时间去相干、空间去相干等误差因素进行了分析和讨论.试验表明:作为数字矿山的关键技术之一,可以利用多时相D-InS...     

基于合成孔径雷达干涉测量的高速铁路下伏老采空区稳定性监测分析

揭示老采空区现有变形规律是老采空区的稳定性分析的关键,而合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术对于广域地表变形监测有着传统测量技术无法比拟的优势.针对贵南高铁穿越大盘井采煤沉陷区的地表监测,采用最新的永久散射体对合成孔径雷达干涉测量(pe...     

D-InSAR技术地表沉降监测概述

传统的地表沉降监测技术,如全球定位系统、精密水准测量和土工测量等,存在空间分辨率低、监测范围小和费用高的局限性。本文介绍了近几年迅速发展的监测地表沉降的合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术,主要对合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术的原理、D-InSAR技术的原理和处理流程做了详细的阐述,并对D-InSAR技术中的不足作了说明。     

巴姆地震三维形变场获取

基于覆盖巴姆地震的先进合成孔径雷达(advanced synthetic aperture radar,ASAR)数据,使用差分干涉测量(differenti-al interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)方法获取卫星视线向(line of sight,LOS)向同震形变场,针对形变场中存在的失相干和地形误差等问题,分别使用非线性支持向量机方法(support vector regression,SVR)进行失相干恢复;并基于形变场经纬度与数字地形高程模型(digital elevation model,DEM)建立函数模型,去除残余的地形误差,从而获取完整的形变场.使用多种干涉雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术联合的方法获取巴姆地震的三维形变场.结果表明:SVR方法可以较好地恢复失相干区域,而且巴姆地震发震构造是近南北向断层,主要以右旋走滑运动为主.     

D-InSAR与PS-InSAR的理论模型、技术特点及应用领域

合成孔径雷达干涉测量InSAR（synthetic aperture radar interferometry）是空间对地观测技术的一次革命性飞跃,特别是D-InSAR和PS-InSAR技术在对地表沉降监测中的应用,受到了越来越多的关注．介绍了D-InSAR和PS-InSAR技术的理论模型,在分析理论模型的基础上,归纳出这2种技术的不同特点,系统地总结了它们各自适合的应用领域以及暂时难以应用的情况．     

基于差分干涉合成孔径雷达技术的米林滑坡形变监测

滑坡灾害在中国具有多发特征,能有效的对滑坡灾害进行监测预警是减少危害的主要手段之一。合成孔径雷达差分干涉测量技术与传统的监测方法相比,具有全天时、全天候,能够获得面式数据、成本低等优势。在空间和时间上都能满足滑坡早期识别及动态监测的目的。以3景ALOS-2卫星PALSAR-2数据为数据源,采用二轨D-InSAR技术对米林滑坡进行形变监测,获得滑坡形变值。并最终得到米林滑坡灾前形变趋势,达到了发现变动,监测趋势的目的,形变趋势与实际结果一致,证明了D-InSAR技术用于滑坡早期识别与动态监测的可行性,在广域地质灾害监测中具有较大的应用前景。     

高速公路连接线通过某煤矿安全评价

为了对高速公路连接线经过煤矿采空区的稳定性和危害性作出评价,运用概率积分法预计了地表移动和变形,结果表明,该高速公路连接线地表最大下沉值、地表最大倾斜值、地表最大曲率值、地表最大水平移动值和地表最大水平变形值均不能满足地表建筑物不产生破坏的标准,因而在在该采空区附近修建高速公路连接北线不能保证公路工程的安全,必须进行工程治理。     

高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析

为研究高铁隧道过采空区段的围岩变形规律,本文以太焦高铁皇后岭隧道典型过采空区段工程为背景,通过对典型断面进行隧道围岩变形和拱架内力的持续监测,对比分析不同施工阶段下高铁隧道围岩变形受力规律。分析结果表明：上台阶开挖时是围岩变形发生的主要阶段,隧道最大沉降变形发生于拱顶,占总变形比值的50%以上,且隧道距离采空区底板距离越近,围岩受开挖和采空区扰动影响越大;钢拱架受力为全环压应力,整体分布呈现“上大下小”、“不均匀对称”的特点,受力最大位置出现在拱顶和右拱肩位置,并且拱架受力随着掌子面的远离,其轴力变化速率呈现出逐步减少的趋势。结合位移和应力监测数据分析结果,采空区对隧道的影响高度约为25.7m。研究成果可为类似隧道过采空区工程的设计、施工提供借鉴和参考。     

融合多种差分干涉测量的矿区地表形变监测

为解决时序短基线集差分干涉测量技术(SmallBaseline Subset-InSAR,SBAS-InSAR)无法准确估计煤矿沉降中心形变值的问题,通过融合合成孔径雷达差分干涉测量(Differential InSAR,D-InSAR)和SBAS-InSAR技术研究了测量矿区地表形变的监测方法。利用25景Sentinel-1数据,根据基于相干性系数的D-InSAR方法和结合永久散射体合成孔径雷达干涉测量(Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar,PS-InSAR)的SBAS-InSAR方法分别生成研究区域的形变图,并借助Kriging插值法,将前者方法所得结果填补于后者方法所获形变结果,完善矿区形变中出现的空缺值,从而更为准确地估算矿区地表形变结果。此外,沿着开采面的横纵剖面详细分析典型矿区的形变结果,并绘制地表形变剖面曲线,以此剖析矿区沉降漏斗的演化过程。最后,为了定量说明该方法的可靠性,将矿区形变结果和水准测量数据进行误差对比,并将标准差和均方根差作为矿区形变结果精度的评定指标。结果表明：相干性系数图整体质量较优,研究区域中最大累积沉降量可达176.39mm,年均沉降速率最大可达-103.82 mm/y。通过本文方法得到的形变结果和水准处理数据基本一致,且误差均小于13 cm,监测精度满足煤矿开采相关测量技术要求。     

交通荷载作用下隧道下伏采空区稳定性分析的实验研究

以离石—军渡高速公路师婆沟隧道下伏同德煤矿采空区为地质原型,采用相似材料模拟实验方法,研究了交通荷载作用下采空区覆岩移动及地表残余变形特征,依据有关标准评价了采空区的稳定性。实验结果表明:随着交通荷载的增加,采空区冒落带、裂隙带、弯沉带的残余下沉量和地表残余变形都呈不同程度地增大;交通荷载作用下的采空区岩体重新"活化",采空区处于不稳定状态,必须采取措施对采空区进行工程治理。该项研究为采空区地基处理、采空区上方构筑物布置及其抗变形结构设计提供了科学依据。