基于TerraSAR-X影像的InSAR地表高程重建及區(qū)域形變監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、20世紀90年代末,合成孔徑雷達干涉測量(InSAR,InterferometricSyntheticApertureRadar)作為一種新型空間對地觀測技術(shù)逐漸發(fā)展起來,它利用SAR的相位信息獲取高精度的地形信息以及形變信息,具有全天候、全天時、覆蓋面廣和高精度的特點,已經(jīng)成為地質(zhì)災害監(jiān)測領(lǐng)域一項極具潛力的技術(shù)。隨著歐空局、日本空間局SAR衛(wèi)星相繼停止運行,地質(zhì)災害監(jiān)測精度和可靠性要求的不斷提高,以及監(jiān)測對象越來越精細,高分辨率雷達衛(wèi)

2、星成為了InSAR技術(shù)不斷推進和發(fā)展的必然趨勢。2007年德國TerraSAR-X高分辨率雷達衛(wèi)星發(fā)射成功標志著星載SAR進入了一個全新時代,它具有重訪周期短、空間分辨率高、波長短、多極化、多模式、高精度監(jiān)測地表微小形變等優(yōu)勢。因此研究如何更好的利用高分辨率TerraSAR-X數(shù)據(jù)建立高精度、高分辨率的數(shù)字地面高程模型(DEM),獲取高精度的地表形變信息,特別是復雜地質(zhì)災害的形變監(jiān)測將具有很強的現(xiàn)實意義和科學價值。
　　由于Ter

3、raSAR-X數(shù)據(jù)的波長更短、分辨率更高,因此在InSAR數(shù)據(jù)處理中除了會面臨共性的軌道誤差、外部DEM誤差和大氣誤差外,還會面臨更為嚴重的時間和基線失相干,同時大形變梯度災害的準確相位解纏問題、城市環(huán)境下高層建筑帶來的DEM誤差問題以及大氣延遲等誤差也更為嚴重,這些誤差極大地限制了TerraSAR-X監(jiān)測結(jié)果的精度和可靠性。
　　基于以上面臨的問題,本文根據(jù)TerraSAR-X影像數(shù)據(jù)本身特點,從TerraSAR-X數(shù)據(jù)處理中的

4、主要誤差入手,綜合研究了高分辨率DEM重建和高精度形變時間序列的監(jiān)測問題。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1、分析了TerraSAR-XDEM重建中的主要誤差及其減弱措施,詳細討論了基線誤差、形變相位誤差、解纏誤差的影響,發(fā)現(xiàn)在高程變化梯度較大處易出現(xiàn)解纏誤差,使高程結(jié)果不正確,同時影像獲取期間地表形變也會引起較大的高程偏差,其偏差隨著形變量增大而增大,另外大氣等隨機誤差也是制約DEM成果精度的主要因素,基于此,本文研究了6項InS

5、ARDEM重建中的關(guān)鍵技術(shù)步驟:①采用精密軌道數(shù)據(jù)結(jié)合基于地面控制點(GCP)的最小二乘的基線估計方法對基線進行精化,修正了基線誤差項的系統(tǒng)性偏差;②針對形變相位誤差建立了形變隨時間變化模型,剔除了由于影像獲取期間地表形變相位而引起的高程偏差;③提出了基于外部粗精度DEM的“移去恢復”相位解纏方法,減弱了陡峭區(qū)域相位解纏誤差造成的相位不連續(xù),保證了高程結(jié)果的準確性;④詳細討論了多干涉圖組合重建DEM技術(shù)中的權(quán)重因子選擇方法,推導并實現(xiàn)了

6、基于基線信息和相干值的定權(quán)方法以及考慮大氣因素的基于小波分析技術(shù)的定權(quán)方法,采用多干涉圖組合重建DEM技術(shù)有效地削弱了大氣延遲相位及噪聲相位的影響,提高了InSARDEM的精度;⑤針對InSARDEM中大量的低相干空值區(qū)域,實現(xiàn)了顧及SRTMDEM的克里格插值方法,該方法通過已知點結(jié)構(gòu)分析結(jié)果調(diào)整水平和垂直變異函數(shù),有效地填補了InSARDEM中的空值區(qū)域;⑥提出了以GPS高程數(shù)據(jù)作為高程基準,通過CR技術(shù)將GPS點在SAR影像坐標系下

7、準確定位,使用最小二乘擬合對InSAR高程進行絕對定標的方法。建立了一套在復雜環(huán)境下獲取高分辨率DEM的數(shù)據(jù)處理流程,通過西安地區(qū)6景TerraSAR數(shù)據(jù)試驗最終獲取了WGS84基準下6m分辨率的DEM,通過與1:5萬地形數(shù)據(jù)比較,其高程精度為4m;
　　2、討論了高分辨率InSAR形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中的DEM誤差,介紹了多種DEM數(shù)據(jù)特征,給出了高分辨率數(shù)據(jù)處理使用外部DEM的選擇依據(jù)。西安市區(qū)形變監(jiān)測結(jié)果分析表明,采用本文建立的

8、TerraSARDEM有效降低了DEM誤差對形變監(jiān)測結(jié)果的影響;
　　3、針對TerraSAR-X形變監(jiān)測中的各種誤差源,研究采用高相干點目標分析技術(shù)監(jiān)測了西安市和山西省清徐縣的地面沉降地裂縫災害。通過幅度離散指數(shù)閾值法和干涉相位分析方法選取了具有穩(wěn)定散射特性、高信噪比的高相干點,確保了相位信息的可靠性;根據(jù)相位信號的時空相關(guān)特性,通過對相位進行時域高通濾波及空域低通濾波,評估并移除地形誤差、大氣延遲及軌道誤差,保證了相位解纏的準