基于現(xiàn)代測量平差的InSAR三維形變估計理論與方法.pdf

1、合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是二十世紀六十年代發(fā)展起來一項空間大地測量與現(xiàn)代遙感技術(shù)，可以大范圍、高精度和空間連續(xù)地監(jiān)測地球表面發(fā)生的形變，為人類了解地球運動機制、防御自然及人為地質(zhì)災(zāi)害等提供了重要的手段。然而，傳統(tǒng)的單軌InSAR形變測量結(jié)果只能反映真實的三維地表形變在雷達視線方向(LOS)上的一維投影，容易引起對地表形變監(jiān)測信息的誤判或漏判，使得該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到了極大的阻礙。通過融合多顆SAR衛(wèi)星平臺獲取的多個軌道數(shù)據(jù)，

2、可以將InSAR一維形變測量拓展至三維。但是現(xiàn)有方法普遍缺乏嚴密的數(shù)據(jù)處理理論，在處理多平臺、多軌道和多時域InSAR測量值時，無法充分考慮這些多源異質(zhì)數(shù)據(jù)在時間尺度和測量精度上的差異，而且不能很好地顧及InSAR多源誤差的影響，從而極大的限制了三維形變測量的精度和時間分辨率。
　　現(xiàn)代測量平差是一種以誤差理論和經(jīng)典測量平差為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并在不同層面上擴充、發(fā)展形成新理論和新方法，目前已被廣泛應(yīng)用于“3S”及其集成的數(shù)據(jù)處

3、理中。InSAR三維形變測量本質(zhì)上可以視為一個平差問題，因此現(xiàn)代測量平差理論和方法在該領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用潛力。本文以InSAR三維形變估計的函數(shù)模型、隨機模型和估計準則為核心研究內(nèi)容。針對InSAR三維形變估計理論中的關(guān)鍵技術(shù)問題，借鑒和研究了濾波、插值、最小二乘、方差分量估計、卡爾曼濾波和總體最小二乘等現(xiàn)代測量平差方法的原理和思想，系統(tǒng)性地研究了基于現(xiàn)代測量平差的InSAR三維形變估計理論與方法，為高精度三維地表形變的獲取提供了新的

4、途徑。本文的主要貢獻和創(chuàng)新之處在于:
　　(1)建立了基于最小二乘的InSAR三維地表形變估計的函數(shù)模型，并針對模型的觀測值設(shè)計了InSAR趨勢誤差改正算法，顯著改善了InSAR三維形變估計結(jié)果的精度。本文深入分析了從InSAR的LOS方向一維測量值求解三維地表形變的可能性和精度，系統(tǒng)地研究了多源異質(zhì)InSAR（包括D-InSAR、Offset-Tracking和MAI）測量值與三維地表形變之間的函數(shù)關(guān)系，并通過理論推導(dǎo)將其擴展為

5、適用于融合多源異質(zhì)InSAR測量值和GPS測量值估計三維地表形變的函數(shù)模型。同時，為了進一步提高MAI技術(shù)獲取的方位向形變測量值的精度，本文通過研究電離層誤差和形變信號在空間上的不同分布規(guī)律，發(fā)展了基于方向性濾波和插值的MAI電離層趨勢誤差改正方法;而針對D-InSAR技術(shù)在毗鄰軌道獲取的形變結(jié)果的不一致問題，本文利用在毗鄰軌道的公共區(qū)域提取的連接點作為附加約束，發(fā)展了基于整體同步最小二乘的多軌道D-InSAR軌道趨勢誤差改正模型。在此

6、基礎(chǔ)上，本文分別精確獲取了2010年新西蘭Darfield地震和2011年日本Tohoku-Oki地震的第一個同震三維地表形變場，精度可達到cm級。
　　(2)提出了基于方差分量估計的InSAR三維地表形變速率估計算法，實現(xiàn)了InSAR測量值隨機模型的后驗估計，顯著改善了InSAR三維形變速率估計結(jié)果的精度。在融合多源異質(zhì)InSAR及GPS測量值估計三維地表形變速率時，除了需要建立精確的觀測函數(shù)模型之外，還需要獲取InSAR及GP

7、S測量值的隨機模型（即方差），然而目前沒有一個公認的可以精確確定多源異質(zhì)InSAR測量值先驗方差的方法。針對這一難題，本文首先根據(jù)多源異質(zhì)InSAR及GPS測量噪聲的統(tǒng)計特性實現(xiàn)了多源異質(zhì)InSAR和GPS測量值的最優(yōu)分組;然后基于線性模型思想建立了最小二乘殘差和多源異質(zhì)InSAR及GPS測量值的單位權(quán)中誤差之間的函數(shù)模型，通過迭代運算得到了多源異質(zhì)InSAR和GPS測量值的后驗方差（或權(quán)重）。此外，考慮到在實際中InSAR多余觀測量較

8、少，本文在顧及三維形變速率估計精度和計算量的前提下，通過大量實驗研究得到了方差分量估計中InSAR測量值的最優(yōu)配置。模擬和美國南加州地區(qū)的真實數(shù)據(jù)實驗結(jié)果表明，本文方法的三維形變速率估計精度比現(xiàn)有方法有了明顯改善。隨后，將該方法應(yīng)用于青藏高原冬克瑪?shù)妆ǖ谋O(jiān)測中，揭示了青藏高原山岳冰川的第一個三維運動速率場，為研究青藏高原的冰水質(zhì)量遷移和轉(zhuǎn)換提供了一個新的視角。
　　(3)提出了基于卡爾曼濾波的InSAR三維地表形變序列動態(tài)估計函

9、數(shù)模型，顯著提高了InSAR三維地表形變測量結(jié)果的時間分辨率和精度。傳統(tǒng)的InSAR三維形變測量方法受限于不同平臺、不同軌道SAR數(shù)據(jù)的時態(tài)差異，只能對多源異質(zhì)InSAR測量值進行靜態(tài)平差求解，獲取地表的瞬時三維形變或三維形變速率，而無法估計三維形變序列。本文首先深入分析了融合多平臺、多軌道和多時域InSAR測量值求解三維地表形變序列的局限性;然后通過聯(lián)合時序InSAR測量值的成像幾何建立空間聯(lián)系和引入三維形變速率矢量作為時態(tài)約束，建立

10、了三維地表形變的觀測方程和狀態(tài)方程，從而實現(xiàn)了三維形變序列的動態(tài)估計。為了提高三維形變序列的估計精度，本文引入方差擴大模型來抑制InSAR測量值中解纏誤差等粗差的影響。而在實際數(shù)據(jù)處理中，利用基于最小二乘的InSAR時序測量值處理方法得到的三維低頻形變和地形殘差來確定濾波初始狀態(tài)矢量和協(xié)助InSAR干涉相位解纏，從而進一步提高了卡爾曼濾波方程組的解算精度。模擬和美國南加州地區(qū)的真實數(shù)據(jù)實驗結(jié)果表明，本文方法適用于線性或非線性形變監(jiān)測，實

11、現(xiàn)了三維地表形變序列的準實時估計，提高了計算效率的同時降低了數(shù)據(jù)的存儲量，可以得到時間分辨率和精度明顯優(yōu)于現(xiàn)有方法的三維形變序列結(jié)果。
　　(4)提出了基于總體最小二乘的InSAR三維地表形變估計方法，解決了傳統(tǒng)的基于高斯-馬爾可夫(GM)模型的估計準則無法考慮DEM誤差影響的問題，提高了InSAR三維形變估計結(jié)果的精度。在利用InSAR技術(shù)監(jiān)測地表平行位移的三維形變時，通常都借助于DEM數(shù)據(jù)提供的坡度角信息來降低對InSAR觀測

12、量的要求，這使得InSAR三維形變監(jiān)測模型的系數(shù)矩陣被DEM誤差所污染。傳統(tǒng)的基于GM模型的估計方法（如最小二乘）只能考慮觀測值含誤差的情況，本文方法則以變量含誤差(EIV)模型為核心，在滿足觀測值誤差平方和最小的同時，使得系數(shù)矩陣誤差平方和也達到最小，因此可以得到更加優(yōu)化的三維地表形變估值。針對InSAR測量最為常見的配置情況，本文首先設(shè)計了兩種地表平行位移的InSAR三維形變監(jiān)測模型，一種是基于升降軌InSAR的LOS向測量值，另一