黄河流域刘家峡—兰州段滑坡灾害的InSAR识别及成因分析

我国滑坡灾害频发,尤其是西部地区,滑坡的隐蔽性强且危害巨大,对其灾害隐患进行早期识别对防灾减灾意义重大。传统的人工排查、大地测量等手段在山区难以开展且耗时耗力,合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)作为新兴的遥感测量手段,可以更精确、高效地进行大范围的滑坡灾害隐患识别。以黄河流域刘家峡-兰州段为研究区,采用永久散射体InSAR技术对覆盖该区域的111景Sentinel-1 C-SAR数据进行处理,并使用GPS数据进行趋势改正,获取研究区2014年10月—2019年12月间视距向形变场及形变特征,成功识别出1处位于永靖县的滑坡隐患区。该区的规模和量级均大于永靖县黑方台滑坡区,且未被前人提及,具有较大危险性。将InSAR结果与投影到视距向的GPS结果及前人结果进行比较,验证PS-InSAR方法的有效性;并结合历史强震资料、实地考察及时间序列对研究结果进行验证分析,结果表明该滑坡隐患区可能与1125年兰州M7.0地震和2017年九寨沟M_S7.0地震有关。本研究可为当地防灾减灾提供数据和技术支持。     

融合升降轨InSAR数据的东川区滑坡隐患识别

为解决常规In SAR技术仅能获取一维视线上的形变,导致升、降轨监测的模糊性和差异性,难以全面完整识别出区域内滑坡隐患问题．本文利用小基线数据集技术,以云南东川区为研究对象,获取该区域2018年至2020年升轨和降轨Sentinel-1A数据,采用融合升降轨数据的方法,反演研究区垂直向和东西向二维形变场进行滑坡隐患识别,并结合遥感影像对识别结果的可靠性进行验证．实验结果显示:(1)研究区在升轨和降轨雷达视线方向上的形变速率分别为-188.1～88.9 mm/a、-163.6～74.7 mm/a,融合升降轨数据反演出的东西向形变速率为-123.9～136.7 mm/a,垂直向为-206.5～58.5 mm/a,说明研究区地表形变在垂直方向变化较大,相对于其他方向,沉降中心更为明显．(2)在单一轨道雷达视线向的升降轨形变结果中,分别有15和12个滑坡隐患区被识别;而在融合后所提取的垂直向形变场中,则有25个滑坡隐患区被探测,除升降轨所识别的区域外,还新增6处滑坡隐患．表明垂直向形变结果具有较好的监测能力,能够有效识别区域内滑坡隐患,弥补单一轨道在复杂山区应用的不足．(3)通过对融合结果中典...     

InSAR可检测的最大最小变形梯度的函数模型研究

InSAR干涉图中的相位噪声是相干性和视数的函数.InSAR能检测的地表最大最小形变梯度,除了受到InSAR硬件的限制外,还直接受到InSAR干涉图中噪声强弱的影响.此外,由于多视处理会改变像元的大小,也会引起可检测的最大最小形变梯度显著变化.本文研究了InSAR可检测的地表最大最小形变梯度与相干性和视数的关系,并建立了视数为1、5和20时（ERS和ENVISAT常采用的多视数）InSAR可检测的最大最小形变梯度的经验函数模型.最后,本文用伊朗Bam地区的Enivsat ASAR数据进行了试验,结果表明该模型能够准确地判别不同视数和相干性情况下地表变形能否被InSAR技术所检测.与Baran只考虑了相干性的模型相比,本文的模型适用范围更广.     

时序InSAR技术及其在京西北试验区微小形变的应用研究

时序InSAR技术是近些年发展起来的一种新的InSAR测量技术.其中PS-InSAR技术是通过分析高相干的永久散射体相位变化信息提取形变,受时间和空间基线的限制小,该方法需要假设形变特征为匀速,同时需要大量的SAR数据（25景）来估算大气效应贡献值;短基线技术（SBAS）可以降低几何去相干的影响,同时较短基线使DEM误差的敏感性大大降低,但该方法通过一定大小的窗体计算相干性,并据此来选择时间序列稳定点,窗体操作降低了被选像元的分辨率,但抑制了噪声相位的影响;干涉图叠加方法（interferogram stacking）是将多幅差分干涉图进行叠加,提高结果中形变信息对大气干扰的相对精度,可以获取大区域的连续形变场;CR-InSAR技术将人工角反射器作为观测对象,通过建立CR点上的形变模型,实现对重点目标如滑坡、水库和断层的形变监测.     

InSAR技术在监测形变中的干涉条件分析

针对InSAR技术在形变监测领域中的应用,本文从分析D-InSAR的干涉机理对其约束条件出发,重点研究空间去相关和形变梯度这两个关键指标对形变信息提取的影响.研究针对不同系统参数的传感器来展开,并论证这两个因素对干涉测量的限制.本文的创新性工作主要集中在以下几个方面: (1)分析了各传感器参数下的临界坡度范围,进而确立了SAR传感器监测的无信息区域;(2)证明了在植被覆盖区,相干性分解必须考虑体散射分量,并依此对模型进行了修正;(3)明确了形变梯度与相位梯度的差异以及两者的函数关系,并将入射角引入形变梯度函数模型.(4)通过模拟数据和真实数据比较各传感器在不同条件下形变监测的优缺点,在统计分析的基础上进一步验证结论.本文的研究是对干涉测量条件的进一步补充,对于理解干涉成像机理、完善InSAR数值计算模型(形变梯度模型和相干性分解模型)以及帮助研究人员根据研究区域特征选择合适的InSAR数据具有一定的参考价值.     

深度学习在InSAR数据处理与地壳形变观测中的应用研究进展

InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技术凭借其高精度、大范围、全天候监测的优势,在地表高程、形变等信息的获取、反演等应用中得到了广泛的认可,并逐渐发展为地壳形变观测领域里不可或缺的技术手段,但利用InSAR技术进行地壳形变观测离不开海量数据的支持,这势必会给信息的收集和解读带来新的挑战。近些年,机器学习快速发展并在遥感图像处理方面取得了令人鼓舞的成绩,将深度学习方法与InSAR技术相结合的尝试应运而生,深度学习突出的数据挖掘能力和对目标任务的分类、预测能力将会为InSAR数据处理和地壳形变观测中的应用提供新技术手段。本文介绍了深度学习在InSAR数据处理与地壳形变观测中的应用研究主要进展,并对其应用前景进行了讨论和展望。     

顾及InSAR形变特征的斜坡灾害隐患早期识别遥感方法

广东省2020年在册地质灾害隐患点4744处，威胁24.95万人，但近年发生多起重大地质灾害并不在已发现的隐患点库内，全面识别排查潜在隐患仍是当前和今后一段时期防灾减灾重要任务之一。合成孔径雷达干涉测量区域范围大、形变反演灵敏度高，可以弥补传统地面调查及光学遥感技术不足。研究以广州黄埔区为例，采用2019年1月至2022年4月Sentinel-1A长时序雷达数据，综合利用SBAS-InSAR时序形变信息结合地形级实景三维模型解译风险斜坡，识别出研究区崩滑流斜坡变形潜在隐患风险84处，抽取15%比例开展外业调查5处具有显著形变的滑坡崩塌风险，证明该方法具有可行性，并对综合遥感识别地质灾害提出建议。     

基于MERIS水汽数据的ASAR干涉图改正

水汽延迟是InSAR技术的重要误差源,已成为高精度差分干涉测量的主要限制.本文比较分析了GPS与MERIS可降水量反演结果以及水汽变化量探测结果,研究发现两者探测到的水汽含量和水汽变化量均存在较好一致性.在此基础上,以南加州地区为例验证了差分MERIS PWV用于同步ASAR干涉图水汽改正的可行性,经过水汽改正干涉图质量提高了约23%,并进一步对比了InSAR形变监测结果与GPS探测到的形变,比较结果表明,消除水汽影响后干涉图形变结果可靠性提高了19%.     

利用GPS和InSAR数据反演2011年日本东北MW9.0地震断层的同震滑动分布

本文首先对Envisat/ASAR数据进行干涉处理, 获取2011年日本东北M_W9.0地震的地表InSAR同震形变场; 然后通过对InSAR同震形变数据重采样方法的深入分析, 选择条纹率法结合干涉图的空间相干性对InSAR同震形变数据进行重采样; 最后基于弹性半空间位错模型, 联合InSAR与GPS形变数据, 采用最小二乘法反演发震断层的滑动分布. 研究结果表明: 考虑相干性的条纹率重采样方法, 更适用于形变场中存在除断层外的有限边界、 且形变场范围较大的InSAR数据重采样处理; 断层滑动主要发生在地表以下50 km范围内, 最大滑动量为49.9 m, 矩张量为4.89×1022 N·m, 所对应的矩震级为M_W9.1, 与地震学反演的结果比较吻合.      

星载合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术在形变监测中的应用概述

本文综述了地球表面形变的主要类型(包括开采沉陷、地表沉降、地壳运动、地震形变、火山运动、冰川运动及山体滑坡等)及其在我国的分布状况，结合合成孔径雷达干涉测量(包括InSAR及D-InSAR，统称InSAR技术)的技术原理及特点，介绍了国内外InSAR技术近年来在形变监测领域的应用与发展。通过与传统形变监测及GPS监测技术的对比后指出，由于InSAR特有的技术特点，使其在各类形变监测应用中具有传统方法无可比拟的技术优势，必将对形变监测的发展起到极大的推动作用。     

利用MERIS水汽数据改正ASAR干涉图中的大气影响

大气对流层对雷达信号的传播延迟是制约重复轨道InSAR高精度测量应用的重要因素之一.本文描述了MERIS水汽数据用于ASAR干涉图大气改正的方法;并以美国南加州地区为例,选取4对ENVISAT ASAR数据进行了大气改正的研究.结果显示对这4幅干涉图,经过MERIS水汽数据改正后InSAR与GPS差异的RMS分别〖JP2〗降低了41.7%,65.2%,19.3%和39.4%.平均改善程度达41.4%.更重要的是,经过MERIS水汽改正后,从2005~2007年〖JP〗干涉图和2004~2007年干涉图中,能清楚地识别出三处形变最明显的区域：Long Beach-Santa Ana 盆地、Pomona-Ontario和San Bernardino,其形变速率从-8 mm/a到-28 mm/a,大部分在-20 mm/a左右,与这些地区2003年以前的历史形变速率基本一致.因此,采用无云条件下的MERIS水蒸汽数据改正同步获取的ASAR干涉图,可以显著地降低大气水汽对干涉图相位的影响,从而更真实地反映地表形变等地球物理信号.     

D-InSAR技术应用于汶川地震地表位移场的空间分析

基于星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR),利用7个条带共112景日本ALOS/PALSAR raw格式雷达数据,采用两通差分干涉处理模式,获取了2008年5月12日汶川MS8.0地震发震断层周围约450km×500km区域的同震形变干涉纹图。通过对干涉纹图的定性分析,确定了非相干带的分布范围,据此对相位连续条带和相位不连续条带采用不同的相位解缠方案,实现了7个条带的成功解缠,获得了数值化的干涉形变场图像,并通过形变等值线和跨断层形变剖面线等方法对干涉形变场的空间分布和演化特征进行了分析。结果表明:汶川地震造成的地表形变场沿映秀-北川断裂带分布,形变范围很大,但主要集中在发震断层南北两侧各约100km的近场区。其中断层附近由西向东宽约3015km,长约250km的区域为非相干带,是本次地震中变形最强烈并伴有地表破裂发生的区域,其形变梯度已超出InSAR测度能力。在非相干带两侧宽度各约70km,具有清晰可辨连续完整并向发震断层收敛的包络状干涉条纹区域是次一级形变区,距离发震断层越近,形变梯度和幅度越大,其视线向位移为北盘沉降,南盘抬升。相对于数据条带南北边缘,北盘最大累积沉     

固体潮位移InSAR相位模拟及对广域地表形变监测的影响初探

固体地球潮汐(Solid earth tide,SET)在地表产生的径向位移可达40～50 cm,形变梯度可达2 cm/100 km,是各种精密大地测量和地球物理观测必须考虑的因素之一.随着星载合成孔径雷达干涉测量(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)地表形变监测范围的不断增大以及对精度要求不断提高,固体潮位移对InSAR观测的影响不容忽视.本文利用固体潮位移理论模型,根据InSAR测量基本原理和Sentinel-1卫星成像参数,模拟了固体潮位移InSAR相位,定量分析了其时空分布特征,并以我国江汉平原和北美大平原的Sentinel-1数据为例,探讨了固体潮位移InSAR相位对广域地表形变监测的影响.结果表明:(1)固体潮位移对InSAR广域地表形变监测存在较大影响,在250 km×250 km范围中,以C波段为例,其相位变化可达12 rad(对应52 mm视线向形变);(2)固体潮位移相位在中低纬度(60°S—60°N)地区变化较大,两极地区较小,且在时间上具有明显的周期性;(3)在Sentinel-1 InSAR观测中,通过固体潮位移相位改正去除了干涉图中的部分低频相位偏差,相比原始干涉图,改正后的解缠相位标准差减小了约29%.本研究对于认识固体潮位移InSAR相位的时空分布特征以及提高星载InSAR广域地表形变监测的准确度与可靠性均具有重要意义.     

基于方差分量估计的多源InSAR数据自适应融合形变测量

近年来,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地面沉降监测方面展现了巨大的应用潜力,但受其重访周期和一维形变测量能力的限制,仅利用单一轨道卫星观测数据很难揭示真实的地表形变特征及其演化规律.随着在轨运行的SAR卫星系统不断增加,使得融合相同时间段内覆盖同一区域的多源多轨道InSAR数据成为可能.然而目前普遍采用的多源InSAR数据融合方法均为针对大尺度形变监测设计,或者忽略南北向形变甚至水平形变,容易造成误判.为此,本文对经典小基线集(Small Baseline Subset, SBAS)时序InSAR分析方法进行改进,在其形变反演模型中加入东西向和南北向形变参数,采用方差分量估计方法解算多源观测数据验后方差,通过迭代精化确定权重矩阵,从而获得形变参数的最优估值.使用美国南加州地区的ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR数据开展实验,利用南加州综合GPS网(SCIGN)位于研究区域内的9个站点观测数据进行验证,结果表明本文方法得到的融合形变测量结果在垂直向上能够准确反映地表形变波动,周期性与GPS观测比较一致;同时,融合得到的三维形变场显示南加州洛杉矶地区存在不可忽略的水平形变,东西向形变测量精度略高于南北向.因此,基于方差分量估计的多源InSAR融合方法在提高形变测量时间序列连续性的同时,能够更准确地反演研究区域三维形变特征.     

高级时序InSAR地面形变监测及地震同震震后形变反演

差分干涉测量技术(differential interferometry technique,D-InSAR)是在InSAR技术基础上发展起来的,主要应用于测量地表微小形变。该技术在监测地震形变、火山活动、冰川运动、城市地面沉降以及山体滑坡等领域得到广泛应用,但实际研究中存在很多局限性,例如轨道参数误差、地形数据误差、大气延迟误差、时空去相关引起的相位解缠误差以及系统噪音误差等。这些因素成为InSAR高精度形变探测应用的主要限制。InSAR时序分析方法是目前解决常规D-InSAR处理过程中各种精度制约因素的主要方法之一。本文以InSAR时序分析中几个关键技术问题为研究目标,开展InSAR时序关键技术研究。本文取得的创新点如下:(1)在传统相干点提取方法的基础上,提出了一种新的提取方法:满秩相干点。该方法将干涉冗余网络图中节点和边结合起来构建满秩矩阵,并依此作为相干点提取指标。实验结果表明,满秩相干点提取法不仅能有效提高相干点的空间分布密度,而且能保留相干点的最优测量精度。(2)将大气延迟相位分成3种分量,即长波长大气相位、短波长大气相位以及地形相关的大气相位。在此基础上,利用网络法分别对3种类型大气延迟相位进行校正。网络法可以估算出每个时刻的大气延迟误差,再重构每一幅干涉图的大气延迟误差。实验结果分析表明,采用网络法能精确模拟出每个时刻大气延迟误差和每幅干涉图中的大气延迟相位。(3)离散点相位解缠误差是时序分析过程中主要误差源之一,直接影响后续时序分析结果的精度。本文提出一种利用网络闭合环残差方法,对离散相干点相位解缠误差进行检测和校正。该方法可以有效识别出离散相干点解缠相位中相位跳变;同时,本文也介绍了离散相干点解缠相位跳变校正的方法。(4)基于相干矩阵满秩条件,提出一种新的InSAR时序反演策略。利用干涉冗余网络图中各条边和节点之间的关系,采用最小二乘方法解算各个时刻点的形变特征,以有效解决传统InSAR时序反演过程中的秩亏问题。通过Bam地震震后时序形变场提取,在羊八井电站地热开采地下水引起地面沉降监测以及北京市地面沉降监测等几种典型应用中,验证了该方法的有效性和精确性。在关键技术突破的基础上,本文利用提出的新方法,获取了2008年10月6日西藏当雄MW6.3地震同震形变和震后地表形变时序,研究发震断层参数和震后运动过程的动力学机制。利用同震形变反演得到断层几何参数及滑动分布模型为先验知识,以InSAR时序方法获得震后形变时序资料为约束,分别利用震后余滑模型和震后黏弹性松弛模型,研究当雄地震震后断层的运动过程,同时对青藏高原南部中低地壳或者上地幔的黏性系数进行估计,并给出了最优拟合解。     

InSAR与概率积分法联合的矿区地表沉降精细化监测方法

结合InSAR与概率积分法的优势,提出一种InSAR和概率积分法联合进行矿区地表沉降的精细化监测方法.该方法首先计算InSAR时序累积沉降盆地,进而建立判别大梯度形变的约束条件,区分沉降边缘与沉降中心.对于形变较小的沉降边缘,保留InSAR结果,而对于大梯度沉降中心,则结合InSAR与概率积分模型建立矿区工作面的沉降盆地,并通过空间插值,获取地理坐标系下连续的地表沉降信息,最终得到完整的矿区地表沉降结果.论文以山东某矿区为研究区域,采用2016年10月16日 2018年3月4日期间的21景SAR影像和工作面水准实测数据对该方法的可行性和精度进行了验证.结果 表明,该方法能够在减少水准监测工作量的前提下,获得与实际情况相吻合的沉降结果,其监测能力明显优于常规InSAR和概率积分法,可有效弥补两种技术单独在矿区地表沉降监测中的不足,获取更为准确、可靠的矿区地表沉降信息.     

基于时序InSAR技术的新磨村滑坡发生前后变形研究

基于时序InSAR技术,并结合现场调查,采用新磨村滑坡发生前30景SAR数据和滑坡发生后36景SAR数据对滑坡及周边区域形变进行监测,结果表明:①新磨村滑坡发生前,坡脚未探测到明显的变形,但滑源区有明显的变形迹象,主要变形发生2016年和2017年,滑源区坡体经历了“缓慢变形-加速-暂时稳定-再加速-滑坡发生”过程;②新磨村滑坡发生后,在坡脚堆积区东南部形成一个不稳定变形体,累积变形量较大,雨季有加快变形趋势,尚未达到稳定状态;③根据新磨村滑坡前、后变形规律,滑坡发生前、后地表变形受降雨影响明显。     

海潮负荷对沿海地区宽幅InSAR形变监测的影响

海岸带地区是全球自然生态环境最为复杂和脆弱的地域之一,合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可以为全球人类活动、气候变暖和俯冲带剧烈构造运动等背景下的大范围海岸带地理环境变化研究提供重要观测资料.海洋潮汐导致固体地球长周期形变,波长尺度为10²~10³ km的海潮负荷引入mm级至cm级的形变梯度,此类非构造信号对海岸带InSAR精密形变分析（如：大范围、微小、缓慢且非稳态构造过程等）造成显著影响.本文以宽幅模式SAR数据为例,基于多种海潮模型研究了全球典型海岸带地区（福建、智利和阿拉斯加湾）海潮负荷效应对宽幅InSAR形变监测的影响,给出了宽幅InSAR海潮负荷三维分量估计与差分相位提取方法,并进一步讨论了基于不同海潮模型估计海潮负荷位移的差异.海潮负荷影响不仅与研究范围大小有关,其形变梯度变化与研究区域地形特征存在强相关,对于长波长形变分析而言,传统平面或者曲面拟合方法难以有效分离海潮负荷位移.     

InSAR技术在青海地区地震中的应用研究

以近年来InSAR技术在地震灾害领域的应用研究为基础,综述了InSAR技术应用于青海地区的研究进展,并利用ALOS PALSAR数据和Sentinel-1A卫星数据对2010年玉树7.1级、2016年门源6.4级、杂多6.2级地震的InSAR数据进行了计算和分析。结果显示:玉树7.1级地震和门源6.4级地震地表形变比较明显。其中,玉树7.1级地震地表形变长轴达60 km,门源6.4级地震地表形变长轴达30 km,杂多6.2级地震地表形变比较模糊,长轴约10 km;干涉条纹与震级、震源深度以及震源机制解性质等都有着明显的相关性,不同性质的地震断层引起的地震破裂在干涉图上呈现出各自不同的特点。     

雷达干涉PS网络的基线识别与解算方法

时序雷达干涉图中的永久散射体(PS)可看作“天然GPS点”, 以构成网络用于监测长期的地表形变. 本文提出采用邻接矩阵拓扑模型对基于Delaunay剖分算法生成的PS网络进行基线识别, 并采用时序相干最大化算法求解PS基线的线性形变速度增量和高程误差增量. 该数据模型和计算方法被应用于探测香港地区2006~2007年间的区域地表沉降. 实验研究采用由Envisat卫星ASAR传感器对该地区成像所获取的时序SAR影像作为数据源, 并联合该地区12个GPS连续运行参考站的观测数据予以大气修正和地面控制. 实验结果表明, 该模型和方法应用于地表形变测量是有效的和可靠的, PS网络方法探测地面沉降的精度约为±2.0 mm/a.