InSAR技术形变监测中的干涉条件研究

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自上世纪60年代以来,雷达干涉测量(InSAR)技术具有获取高精度空间三维信息的能力已经得到了证明,在其基础上发展而来的D-InSAR技术也逐渐成为了测量地形高程和地表形变的最有力手段之一。由于地表形变威胁着人类生存环境,对地表形变进行监测引起了各国政府的重视。InSAR/D-InSAR技术的出现,克服了人工水准测量、GPS技术和光学遥感等传统手段获取形变信息所受到的限制,实现了大面积、低成本、高效率地监测地面微小形变,监测精度可达厘米至毫米级。然而在D-InSAR处理过程中,该技术受到大气效应和失相关等因素的制约,大大影响了监测结果的精度和应用范围的推广。虽然随着D-InSAR技术的发展,在去除大气效应等领域取得了不少研究成果,但仍有一些因素制约了该技术的运用。因此,本文主要基于当前在D-InSAR约束条件分析方面的研究尚少的现状,深入地探讨影响D-InSAR形变监测的几个关键因素,结合模拟数据和真实数据论述D-InSAR技术的干涉条件,得到的结论将有助于建立更加完善的干涉限制数学模型和研究感兴趣区域时的数据选择及参数配置,并为未来研制新型SAR系统的干涉成像参数设计和干涉成像任务规划提供了科学依据。本文的研究内容主要分为以下几个方面:(1)量化分析了与SAR系统参数相关的几个分量(比如入射角、波长、影像分辨率、系统带宽)对实际观测的影响,并对不同SAR系统的形变监测能力进行了对比;明确给出了各个SAR系统的临界坡度范围及监测盲区;提出了新的形变梯度模型,引入了新参数入射角;证明了植被覆盖区,相干性分解需要考虑体散射分量;并对不同类型观测区适合的数据类型给出了具体的建议。(2)验证了本文分析的干涉约束条件。通过大量模拟数据和真实数据,有针对性的进行检验。其中,用模拟数据验证了形变梯度、SAR几何成像特性和实际应用中所受到的各种约束限制条件,用三峡地区的ENVISAT ASAR和TerraSAR-X数据分析了相干性。(3)提出了精确提取时间去相关分量的融合方法。即改进了自适应区域增长算法(IDAN)用于提取精确的相干系数;并利用最小二乘拟合去除估计量偏差,得到相干性的无偏估计;引入了相干性分解技术在最大程度上稳健地分解相干值,得到精确的时间去相关分量。(4)验证了本文提出的提取时间去相关分量融合算法的有效性。理论上来说,新方法能够更好地反映出时间与时间去相关分量之间的函数关系,可得到稳健可靠相干性估计结果,因此本文通过ENVISAT ASAR数据集对新方法和常规方法进行对比实验,证明了实际应用中新的融合算法可以更好地对InSAR相干性进行估计。(5)给出了一个根据D-InSAR干涉条件分析开展形变监测工作的实例。由于南极冰川对全球变化有着重要意义,冰流速提取是南极冰川监测的重要方向之一。而冰流场属于地表快速运动区域,针对这种类型的实验区,可采用L波段的数据进行监测。因此,本文选取了南极格罗夫山区的ALOS/PALSAR数据提取二维水平冰流速场。由于单轨SAR数据只能提供一个方向上的流速,因此我们采用D-InSAR技术探测地距向流速,Offset-tracking技术探测方位向流速,合成了该实验区的二维水平冰流速场,并与NASA/JPL发布的全南极冰流速和GPS实地测量结果进行交叉验证。该实验采用了D-InSAR干涉条件分析给出的数据选择建议,证明快速运动区域的形变监测使用L波段数据是非常有效的。
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