博士学位论文

重复轨道星载SAR差分干涉监测地表形变研究

 
 

研究生姓名： 　李陶

指导教师： 　　刘经南 院士 　廖明生 教授

学科专业名称： 大地测量学与测量工程

研究方向：　　 星载合成孔径雷达干涉测量
 

　　　　　　　　　　　　　摘　要

　　

　　重复轨道差分干涉测量（D-InSAR）技术，是合成孔径雷达（SAR）卫星应用的一个拓展。雷达图像的差分干涉图可用于监测cm级或更微小的地球表面形变，以揭示许多地球物理现象，如地震形变、火山运动、大气变化、冰川漂移、地面沉降以及山体滑坡等。

　　自从上世纪90年代以来，D-InSAR技术得到了大地测量界广泛的关注和研究。相应的研究课题和项目多达上千项，取得了一系列重要的研究成果，如对近年来世界上多个地区震后形变场的反演，对活火山喷发和喷发前后运动规律的监测，对南极冰川流速的大面积测定，对山体滑坡等自然灾害的监测，对采矿区的地面塌陷、城市地面沉降等人为因素造成的自然灾害的监测等等。D-InSAR技术可以在大面积范围内（100km×100km）监测地面的微小形变，具有不需要人员进入灾害地区测量的特点，相对于GPS&GLONASS全球定位系统和经典的大地测量手段（高精度水准测量）而言，有着巨大的优势和广阔的应用潜力。另一方面，高精度水准和GPS技术只能监测有限的、离散的控制点，而D-InSAR一幅图像就可以控制1万平方公里的地表形变监测，其空间分辨率可达到5m×20m，这也是其它大地测量方法所不能比拟的。

　　然而，D-InSAR技术还远未完善，在具体的应用中还有很多瓶颈问题未得到很好的解决，如时间去相关问题，基线去相关问题，大气折射效应问题，以及相位解缠问题等。同时，如何建立一个完善的差分干涉数学模型和随机模型来估算各种误差的影响和评价最终结果的可靠性等也是迫切需要解决的问题。

　　针对以上所述的一些问题，本文对D-InSAR技术的关键步骤和算法进行了详细的理论分析、算法研究和实例计算，提出了一个较完善的差分干涉测量数学模型，建立了差分干涉测量的数据处理平台，并针对不同的差分干涉方法以及相应的形变灾害类型进行了相关的深入研究，研究内容主要包括以下几点：

一、深入地剖析了差分干涉测量的基本原理和数据处理方法，研究了相关参数在差分干涉过程中的作用和影响量级，提出了地形相位模糊度参数和形变相位模糊度参数，以及相应的解缠算子条件，建立了一个较完善的差分干涉测量数学模型，并在此基础上详细推导了两轨法，三轨法和四轨法差分干涉测量的参数方程。

二、对用于干涉成像的合成孔径雷达单视复数影像（SLC）数据格式以及相关的干涉参数进行了仔细地研究和分析，基于相关的开放源代码软件，提出了一个干涉测量数据处理的统一框架，并在linux环境下实现了一个干涉测量数据处理的基本平台，详细探讨了在这一平台下干涉数据处理的软件流程和算法结构，进而建立了一个差分干涉测量的处理平台，对差分干涉测量方法进行了分类总结，指出顾及大气折射的差分干涉方法是未来高精度形变监测的发展方向。

三、分析了相位解缠方法的数学模型，并根据LP范数框架对已有的相位解缠算法进行了分类总结。用实测的干涉条纹图和差分干涉条纹图，对开放源代码的各种相位解缠算法的性能进行了试验分析。结果表明，没有一种解缠算法能够解决相位解缠所碰到的所有问题，在遇到不同情况时，采用不同的解缠方法进行测试是一个有效的办法。

四、人工角反射器方法和永久散射体方法是差分干涉测量中两个独特的方法，这两种方法之间有着一定的相似性……都是利用地物的角反射特性来进行形变监测。同时，它们之间也存在着很大的差异。本文从原理上剖析了这两种方法的异同，研究了它们各自的优点，不足，适用范围和应用前景。

五、大气折射参数对差分干涉测量有很大影响，是高精度形变监测的瓶颈。本文从大气折射率的基本物理方程出发，分析得出InSAR大气折射影响主要是由大气对流层变化所导致的。同时，详细分析了用GPS进行大气对流层折射参数估计的方法。利用天津地区相隔一天雷达Tandem影像以及相隔一天GPS连续观测数据，本文对天津地区大气对流层导致的雷达微波延迟做了深入的比较分析，试验结果表明大气折射延迟在干涉图中是一个不可忽视的量。

六、本文对差分干涉测量能监测到的地表物理现象进行了分类总结。对天津地区因过量抽取地下水导致的地表缓慢沉降做了深入的研究，对已有的形变监测方法进行了仔细的评估，利用已有的24幅SAR图像做了大量差分干涉测量的试验分析。结果显示，虽然存在时间去相关的影响，相隔超过一天以上的干涉图相关性下降很多，D-InSAR已经能够很好的应用于城镇地区cm级的地面沉降监测，在特别的情况下可达到mm级的监测精度。在有些城镇地区从相隔三个多月到相隔三年的干涉图中，我们都提取到了地面沉降信息，这也显示了D-InSAR技术在地面沉降监测领域有着很好的应用前景。

七、本文利用最新的ENVISAT卫星SAR数据对伊朗Bam地区2003年12月发生的地震形变进行了计算和分析，得到的结果与世界一些著名研究机构的结果相一致，表明本文所构建的干涉测量软件平台完全可以用于新的ENVISAT卫星SAR数据处理。同时，本文利用ENVISAT卫星SAR图像进行差分干涉测量监测到Bam地区地震形变场的精度和可靠性是其它大地测量方法所不能替代的，可以预见D-InSAR方法和ENVISAT卫星SAR数据将为今后的地震和板块运动研究开辟新的研究手段并提供更加精确的结果。

八、通过对D-InSAR相关开放源代码软件的应用和分析，我们发现，研究者能够迅速地利用国际上这些开放资源，在灾害监测和预防上，从重复轨道SAR图像的干涉处理中得到他们所期望的结果。雷达干涉测量和差分干涉测量的应用将会随着开放源代码软件的发展与相关科学家的努力而不断迅速发展。

 

关键词：雷达干涉测量雷达差分干涉测量形变监测大气折射地面沉降