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中国是地质灾害多发的国家,地面沉降和滑坡是对国家和人民造成严重危害的、以地面形变为直接特征的典型地质灾害。从全国来看,传统的水准测量和GPS技术尚不能建立覆盖面广、运行高效的地面沉降和滑坡监测体系。应用高新技术降低监测成本、提高监测工作的自动化程度成为地壳形变监测的一种现实需求。
合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Synthetic Aperture RadarInterferometry,DInSAR)技术能以亚厘米级的精度获取地表形变信息,其得到的形变结果弥补了传统测量手段点位稀疏的缺点,具有大面积、快速、准确的优势,是一种有潜力的手段。因此,DInSAR技术在地面沉降、滑坡等地质灾害监测领域受到了广泛重视。
虽然目前常规DInSAR技术的主要技术流程已经基本成熟,但实际应用中的去相干因素和误差因素会降低常规DInSAR技术的监测精度乃至会使结果与实际情况有较大偏差。本文从DInSAR技术基本原理的相应公式出发,定量分析了相位误差、卫星轨道误差、高程误差和大气状态扰动对测量结果的影响。尤其从大气折射的原理出发,对大气延迟路径差进行了推导。针对常用的两轨法,综合分析了差分干涉相位的各个分量,说明了去相干因素和误差因素与各个相位分量之间的因果关系。在介绍了DInSAR技术的若干发展方向之后,本文将研究焦点汇聚在基于相干目标的DInSAR方法与应用研究上。
本文阐述了相干目标特性,指出基于相干目标的DInSAR技术的关键技术环节是SAR图像上相干目标的获取和相干目标差分相位分析。随后对基于人工角反射器(Corner Reflector,CR)的干涉测量技术--CRInSAR技术和基于自然相干目标的DInSAR技术进行了研究,并在滑坡和地面沉降试验区加以应用:
1)CRInSAR技术是对滑坡等低相干地区进行差分干涉测量的有效手段,本文系统阐述了该技术的整个技术流程,重点探讨了CR峰值信号的提取方法,对不同插值核的精度进行了深入的数值模拟实验研究。对实际布设在三峡地区树坪滑坡上的两种CR峰值信号的分析表明,与三角锥形反射器(PCR)比较,长方体锥形反射器(ACCR)能够在雷达波视角较大范围变化的情况下提供强反射信号,尤其适用于多角度观测的情况。在简单相位模型的基础上,采用最小二乘法对CR差分相位进行了分析,获得了SAR观测期间的累计形变量。采用实测气象参数和中性大气延迟路径经验模型,对CRInSAR测量中的大气误差获得了定量认识。
2)为了充分发掘自然相干目标的相位信息,本文针对天津地面沉降区研究了基于相干目标的干涉图叠加方法和永久散射体干涉测量(PSInSAR)技术。为了消除高程相位,本文使用了SRTM数据,讨论了该数据高程基准由EGM96重力模型转为WGS84椭球面的方法。在利用ASAR数据对PSInSAR技术进行研究时,重点探讨了使用定标后的ASAR数据辅助PSC点筛选的方法。以上两种基于自然相干目标的DInSAR技术都能刻画出天津地区的地面沉降场,并获得沉降场内不同位置上的相对形变量。