基于差分干涉测量与像素偏移量跟踪算法的船载SAR形变监测研究

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差分干涉测量技术(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry,D-InSAR)是一种利用不同时相SAR(Synthetic Aperture Radar,SAR)数据获取形变信息的技术,已经广泛应用于地表形变监测。目前河流边坡的形变监测主要使用固定式地基InSAR(Ground-Based InSAR,GB-InSAR),虽然GB-InSAR能够实现对单个目标区域进行高精度持续观测,但是针对多个局部小范围河流边坡的形变监测,固定式GB-InSAR布设成本高,且在地形地貌复杂的区域布设难度较大。本文使用一种移动式边坡形变监测技术——船载InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry,InSAR)技术,实现河流边坡小范围重点区域快速形变监测。船载InSAR系统航线设计灵活、数据采集快速,适用于河流边坡复杂的地理环境。船载InSAR技术为河流边坡的滑坡监测预警提供一种灵活、高效的监测技术,在滑坡监测领域具有极大的应用价值,对水利设施的灾害监测和预警具有重要意义。InSAR技术能够获取高精度的形变信息,但是在植被覆盖和形变剧烈区域却因数据失相干严重而无法获取有效的形变数据,且InSAR技术仅能够获取LOS(Line of Sight,LOS)方向形变,在形变情况复杂的滑坡监测领域往往不能反映地表真实形变信息。像素偏移量跟踪(Pixel Offset Tracking,POT)算法利用两幅影像配准得到的像素偏移量获取形变信息,且能够同时获取方位向和距离向形变数据,不依赖于SAR数据的相干性,能够有效克服InSAR技术的缺陷。但是POT算法形变测量精度严格依赖于SAR数据的空间分辨率,其精度低于InSAR技术。本文针对河流边坡小范围重点区域形变监测设计了船载双天线InSAR系统,并根据船载InSAR系统低轨道运行、近距离成像等几何特征,构建船载InSAR形变监测模型。在云南省澜沧江流域使用船载双天线InSAR系统获取高空间分辨率的SAR影像数据,并分别利用InSAR和POT算法进行形变解算,获取高精度全方位的河流边坡形变信息。在研究区布设三面角反射器(Triangle Corner Reflector,TCR)模拟真实形变,并通过比较解算得到的形变值与真实形变值评估形变监测精度,验证了船载InSAR系统进行边坡形变监测的可行性。本文主要贡献和创新点如下:(1)船载InSAR系统及数据采集方案设计。设计了船载双天线InSAR系统和数据采集实验,包括空间基线设计、天线倾角设计、航线设计、TCR布设方案设计等。在云南省澜沧江流域进行了数据采集实验,获取了高分辨率的船载SAR影像。(2)基于船载SAR成像几何设计InSAR形变监测模型。根据船载InSAR系统低轨道运行、近距离成像的几何特性,设计适应于船载SAR成像几何的InSAR形变监测模型,在不满足(?)h,斜距(?)h的条件,使得关键假设条件δθ=θ-θ0依然成立。(3)提出基于InSAR与POT算法的船载SAR形变解算方法。充分利用两种算法的优势,使用InSAR算法获取高精度的形变数据,在植被覆盖和形变剧烈等无法应用InSAR的区域使用POT算法获取有效的形变数据,实现研究区全方位高精度形变监测。(4)提出一种沿方位向进行分块轨道偏移量计算方法,通过将整个研究区沿着方位向分成不同的模块,并在每个模块内部沿距离向选取PS点作为控制点,实现每个模块独立计算该区域的轨道偏移量。将研究区进行分块,能够有效解决整体拟合与轨道偏移量不一致的问题,提高轨道偏移量计算精度。
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