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基于TerraSAR-X影像的InSAR地表高程重建及区域形变监测关键技术研究

曲菲霏  
【摘要】:20世纪90年代末,合成孔径雷达干涉测量(InSAR,Interferometric Synthetic ApertureRadar)作为一种新型空间对地观测技术逐渐发展起来,它利用SAR的相位信息获取高精度的地形信息以及形变信息,具有全天候、全天时、覆盖面广和高精度的特点,已经成为地质灾害监测领域一项极具潜力的技术。随着欧空局、日本空间局SAR卫星相继停止运行,地质灾害监测精度和可靠性要求的不断提高,以及监测对象越来越精细,高分辨率雷达卫星成为了InSAR技术不断推进和发展的必然趋势。2007年德国TerraSAR-X高分辨率雷达卫星发射成功标志着星载SAR进入了一个全新时代,它具有重访周期短、空间分辨率高、波长短、多极化、多模式、高精度监测地表微小形变等优势。因此研究如何更好的利用高分辨率TerraSAR-X数据建立高精度、高分辨率的数字地面高程模型(DEM),获取高精度的地表形变信息,特别是复杂地质灾害的形变监测将具有很强的现实意义和科学价值。 由于TerraSAR-X数据的波长更短、分辨率更高,因此在InSAR数据处理中除了会面临共性的轨道误差、外部DEM误差和大气误差外,还会面临更为严重的时间和基线失相干,同时大形变梯度灾害的准确相位解缠问题、城市环境下高层建筑带来的DEM误差问题以及大气延迟等误差也更为严重,这些误差极大地限制了TerraSAR-X监测结果的精度和可靠性。 基于以上面临的问题,本文根据TerraSAR-X影像数据本身特点,从TerraSAR-X数据处理中的主要误差入手,综合研究了高分辨率DEM重建和高精度形变时间序列的监测问题。主要研究内容和成果如下: 1、分析了TerraSAR-X DEM重建中的主要误差及其减弱措施,详细讨论了基线误差、形变相位误差、解缠误差的影响,发现在高程变化梯度较大处易出现解缠误差,使高程结果不正确,同时影像获取期间地表形变也会引起较大的高程偏差,其偏差随着形变量增大而增大,另外大气等随机误差也是制约DEM成果精度的主要因素,基于此,本文研究了6项InSAR DEM重建中的关键技术步骤:①采用精密轨道数据结合基于地面控制点(GCP)的最小二乘的基线估计方法对基线进行精化,修正了基线误差项的系统性偏差;②针对形变相位误差建立了形变随时间变化模型,剔除了由于影像获取期间地表形变相位而引起的高程偏差;③提出了基于外部粗精度DEM的“移去恢复”相位解缠方法,减弱了陡峭区域相位解缠误差造成的相位不连续,保证了高程结果的准确性;④详细讨论了多干涉图组合重建DEM技术中的权重因子选择方法,推导并实现了基于基线信息和相干值的定权方法以及考虑大气因素的基于小波分析技术的定权方法,采用多干涉图组合重建DEM技术有效地削弱了大气延迟相位及噪声相位的影响,提高了InSAR DEM的精度;⑤针对InSAR DEM中大量的低相干空值区域,实现了顾及SRTM DEM的克里格插值方法,该方法通过已知点结构分析结果调整水平和垂直变异函数,有效地填补了InSARDEM中的空值区域;⑥提出了以GPS高程数据作为高程基准,通过CR技术将GPS点在SAR影像坐标系下准确定位,使用最小二乘拟合对InSAR高程进行绝对定标的方法。建立了一套在复杂环境下获取高分辨率DEM的数据处理流程,通过西安地区6景TerraSAR数据试验最终获取了WGS84基准下6m分辨率的DEM,通过与1:5万地形数据比较,其高程精度为4m; 2、讨论了高分辨率InSAR形变监测数据处理中的DEM误差,介绍了多种DEM数据特征,给出了高分辨率数据处理使用外部DEM的选择依据。西安市区形变监测结果分析表明,采用本文建立的TerraSAR DEM有效降低了DEM误差对形变监测结果的影响; 3、针对TerraSAR-X形变监测中的各种误差源,研究采用高相干点目标分析技术监测了西安市和山西省清徐县的地面沉降地裂缝灾害。通过幅度离散指数阈值法和干涉相位分析方法选取了具有稳定散射特性、高信噪比的高相干点,确保了相位信息的可靠性;根据相位信号的时空相关特性,通过对相位进行时域高通滤波及空域低通滤波,评估并移除地形误差、大气延迟及轨道误差,保证了相位解缠的准确性;研究采用了三维相位解缠方法修复真实相位值,并最终获取了西安地区地面沉降年平均速率和时间序列结果,通过与Envisat监测结果和GPS监测结果对比验证,该形变年速率精度达毫米级。在农田覆盖的清徐地裂缝监测中,通过干涉相位空间相关迭代分析方法选取了足够数量的高相干点,分别采用永久散射体和小基线集技术获取了地表形变平均速率成果,并通过剖线分析了该地裂缝区内的地面沉降空间分布规律,两监测结果具有很好的一致性。


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