基于分布式目标的PSI技术及其在滑坡监测中的应用

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我国是一个滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生十分频繁且损失极为严重的国家。近年来,随着地震活动的日益频发、持续降雨与极端降雨增加、人类活动加剧,导致了全国各地地质灾害频发,严重的威胁着国家和人民的生命财产安全,使得地质灾害预警成为非常重要的研究方向。能够事先准确监测到地表形变,探测到地质灾害体并了解其所处的演化阶段,是预报地质灾害发生的时间、地点和强度的关键所在。以合成孔径雷达干涉技术为基础的永久散射体干涉技术(Persistent Scatterers Interferometry,PSI)的提出和发展为实现区域性大范围慢性地表形变高精度、快速监测提供了有效的理论基础和技术手段,该技术在差分干涉测量技术的基础上引入时间维度信息,能够成功避免传统差分干涉测量技术中存在的严重大气效应和时间、空间失相关现象的影响,监测到地表毫米级精度的形变特征以及亚米级精度的地形特征,然而目前该技术的研究主要集中在人工地物分布密集的城区,将其应用于解决位于自然地表覆盖区域的地表形变监测时,仍存在许多困难。如何提取到更多的地面稳定散射点,降低对数据量的依赖,如何有效的进行相位信息的分离,如何有效地提取地表特征复杂的滑坡体的形变信息等,都面临诸多技术难题。  本文以解决基于分布式目标的PSI技术及其在滑坡监测应用中的关键技术问题为研究目标,选择慢速形变的地质灾害体与潜在形变区作为研究对象,展开了以下几个方面的研究工作:  (1)滑坡是一种特征复杂的灾害现象,本文从物理机制上研究构成滑坡体的不同地物在SAR影像上表现出的各异的后向散射特征,最终选取具有分布式散射特征的目标,将其作为时间序列干涉计算的研究对象,分析这些地物的散射特性与在影像上的时空分布特征;  (2)通过对分布式目标的深入研究,提出了如何从SAR影像中有效的识别分布式目标的方法流程,确定分布式目标所属的同质区范围,提高其相干信息特征与信噪比,显著提高了时序干涉测量技术在自然地表覆盖区域的监测对象的密度;  (3)提出了分布式散射目标与点散射目标相结合的方法流程,提高PSI技术在自然地表覆盖区域进行形变监测应用的有效性,该方法能够识别出稳定的散射体,分别利用符合点散射与分布式散射目标历史形变恢复的方法计算出各个稳定散射体的形变特征,运用符合地表形变特征的PSI技术进行不同因素对干涉相位值的分离,得到高精度的形变信息;  (4)对“川藏线路联网”项目中位于西藏察雅县香堆镇周边地质灾害频发区域的重点路段进行地形测量和地表形变监测等示范应用,由于试验区域内永久散射点稀少,分布式目标散布,因此与传统PSI技术相比,本文的方法能够提取到更多的稳定散射目标,这也是基于分布式目标的PSI技术在对自然地表覆盖区域地表慢速形变监测中所特有的优势。通过分析电网建设及运营初期沿线塔位的稳定性及其周边区域的形变规律,我们发现了在数据获取期间,研究区域地表形变呈现出显著的季节性特征,灾害点的形变曲线受强降雨及冻胀这两个因素的影响较大,试验结果为经过该地区的电网线路受地质灾害威胁的程度给出及时可靠及有效的评估。
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