基于TerraSAR-X和Beijing-2数据的城市地表形变和建设用地变化遥感检测方法研究——以南京市为例

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土地利用/土地覆盖是全球气候和环境变化研究的重要内容;建设用地的快速扩张对城市基础地理信息数据的更新提出了新的要求。建设用地的变化、重大工程建筑物对地基的静荷载导致地基土体发生变形从而引起地面沉降。综合利用TerraSAR-X微波遥感和“北京二号”光学遥感数据,论文突破光学遥感在多云多雨地区数据获取的瓶颈问题,开展城市建设用地变化检测和地表形变监测的关键技术和方法研究,从而有效地指导南京市基础地理信息数据的更新;利用雷达干涉测量技术对城市地表沉降现状、发生规律和沉降原因进行研究,为城市规划建设和潜在地质灾害的防治提供决策支持。主要研究内容和结论如下:  (1)基于TerraSAR-X遥感影像的建设用地变化提取。利用地表变化去相干机理,开展基于差分相干系数的地表图斑动态监测方法研究,该方法能较好抑制SAR相干斑点噪声影响;借助引入的FaSHPS时序滤波技术,能有效提升前后时序相干图的质量,从而提高了变化检测提取结果的置信度。在建设用地类型动态监测中,能获得85%以上的查准率。  (2)基于TerraSAR-X时序雷达干涉的高密度新城微形变精细估计。利用长时间序列高分辨率TerraSAR-X数据,研究了趋势性形变、热胀冷缩和高程误差参数一体化估计的增强型MTInSAR方法,实现了河西新城毫米级(验证精度达3-4毫米)形变估计。开展了城市建设用地变化和地表沉降时空耦合与驱动机制研究,发现地表沉降与地表用地类型变化在空间上具有重叠性,而在时间上具有迟滞性。  (3)基于“北京二号”遥感数据的区域建设用地变化的快速检测。利用2016年11月和2017年7月的影像,分析了图像的统计特征,对比不同规则的不变地物提取结果,实现了基于不变地物的辐射校正。研究建立新的变化阈值确定方法,集成不同方法能够获得稳健的检测精度,典型区的变化检测获得的方法和参数能够用于更大的区域进行快速的变化检测。监督方式的变化检测能够获得不低于85%的查准率;单个方法的非监督方式的变化检测精度差异较大,非监督的集成学习可以获得更稳健的结果。基于局部典型区获得的方法和参数对研究区进行变化检测,其查准率不低于80%,表明论文的流程和方法具有可用性。  论文在以下方面具有创新性:  (1)研发了基于时序InSAR的城市地表建设用地变化检测方法。FaSHPS滤波技术及一体化增强型MTInSAR的提出,增强了微波遥感在城市用地类型变更信息提取及毫米级微形变反演中的性能,弥补了光学遥感在南京雨季动态监测中的数据获取瓶颈问题。  (2)在南京首次开展了城市建设用地类型变化与地表沉降时空耦合机制研究,发现了两者在时间上的相关性与时间上的迟滞性;为城市地表沉降地质灾害防治提供了科学数据与预测手段。  (3)比较系统地分析研究了“北京二号”多光谱遥感数据在区域建设用地年内变化检测中的方法。针对变化检测的要求,提出了一个新的自动化阈值化方法,通过耦合截断中值滤波与OTSU阈值,改进了变化检测的精度。基于集成学习进行了监督和非监督的变化检测,避免了单一方法变化检测的偏向。
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