改進的SBAS地表形變監測及地下水套用研究

論文摘要

合成孔徑雷達干涉測量技術(D-InSAR)可套用於大範圍、全天候、實時的快速地表緩慢形變監測,它已日益成為人們監測地表形變、地裂縫、地震等地質災害的一項重要技術手段,同時它也大大彌補了傳統的監測手段如GPS、水準測量等的不足。近年來,在D-InSAR技術的基礎上發展起來的PS-InSAR技術、短基線集的D-InSAR技術(SBAS)、點差分干涉測量技術(IPTA)等已經成功運用於地殼形變、城市地表沉降監測、地震監測、滑坡監測以及冰川運動等領域之中。然而,隨著套用領域的進一步拓寬,這些技術的研究還處於起步階段,裡面還涉及到的許多算法還有待於進一步改善。在研究D-InSAR關鍵技術的基礎上,本研究重點就PS-InSAR技術、SBAS技術及IPTA技術中的關鍵問題進行分析研究。PS-InSAR技術可以實現高解析度的點目標監測,但對於長時間序列的監測存在著無法正確解纏的問題,且受大氣影響較大；運用SBAS技術可以減少數據成本,提高數據的套用效率,但由於SBAS技術採用影像多視處理技術,導致空間解析度降低,降低了PS點的監測精度；IPTA技術運用了矢量數據的高效率的數據結構。該數據結構大大節省了數據的存儲空間和提高了運行效率,但同樣存在PS-InSAR中解纏困難和受大氣影響較大的問題。對以上多種方法進行深入分析和研究之後,本論文發展了一套既能檢測線性形變,又能檢測周期性和非線性形變的技術流程和方法。基於改進的SBAS算法不是簡單的將兩種算法的疊加,而是對算法中的仍然存在的問題進行了改進,如利用二元樹的複數小波濾波方法對干涉圖中的噪聲加以去除；針對大氣延遲問題提出了利用MERIS數據進行ASAR大氣延遲相位的改正；針對低解析度的傳統的SBAS技術利用PS點提高監測精度。在理論研究的基礎上,選擇河北滄州市區作為實驗場,採用了ENVISAT衛星的ASAR數據進行實驗分析,得到相應的監測結果。為了驗證結果的可靠性,本文利用研究區域監測井的歷年水位數據與實驗的形變監測結果進行趨勢對比分析,並結合形變和地下水位的關係,分析出研究區域地下水的地球物理特性。論文的主要研究工作可分為以下四個方面。(1)提出了一種基於二元樹復小波的差分干涉圖濾波方法。針對干涉相位噪聲嚴重影響InSAR生成數字高程模型和地表形變監測精度的問題,在對比研究多種濾波方法的優缺點的基礎上,利用本文提出的二元樹小波濾波方法分別對模擬SAR數據和真實的SAR數據進行濾波,並將其濾波結果與其它常用的SAR數據的濾波方法的濾波結果進行精度比較,得出基於二元樹復小波的濾波方法能大大提高濾波的精度。該方法有效地去除了差分干涉圖中由於多種失相干問題引起的噪聲,為後續點差分干涉圖的處理提供了更有效的數據源。(2)提出了一種基於MERIS水汽數據的ONN模型與Von_karman kriging模型融合的空間插值方法。套用Von karman kriging方法對局部水汽進行空間插值可以有效地提高傳統的OK方法的插值精度；同時它避免了由於樣本較少時引起的插值結果不連續的現象,提高了插值精度。通過實驗表明：在季節性變化很明顯的區域,由於水汽引發的相位延遲是不容忽視的,它將嚴重影響形變監測的精度,甚至得到錯誤的監測結果,因此利用MERIS數據進行大氣改正是非常必要的。本文利用滄州市的差分干涉對和同時間的MERIS數據進行了實證分析,分析結果表明：滄州地區受大氣影響的較為明顯,必須去除大氣效應。(3)提出了一種改進的SBAS方法。該方法有效地解決了系列點差分干涉相位方程中的秩虧問題,並有效地分離出周期性形變、非線性形變,為更真實的表達地表形變的變化提供了更精確的監測結果。改進的SBAS方法融合了SBAS的高時間解析度特點、IPTA的高效處理模式、高空間解析度的特點以及高效的解纏方法。文中提出相應的算法和數據處理流程。在此基礎上,利用ASAR數據對滄州市的地表形變進行了提取實驗,同時對大氣相位和噪聲也採取了時空濾波方法,並且有效地分離了線性與非線性形變,得到了相應的監測結果。(4)將地面形變結果與監測井的地下水位進行地球物理特徵分析。改進的SBAS技術提取得到不同時期的滄州市的沉降結果。結合地下水地層岩性的特點,利用研究區域內不同監測井得到的地下水位變化的數據,估計出該區域的含水層的彈性釋水係數和非彈性釋水係數。實驗結果表明該區域已經發生較為嚴重的塑性形變,需要進行人為有效地控制地下水的開採量；最後就地下水位沉降與地面沉降的關係作了分析,得到該實驗區域沉降的原因。

改進的SBAS地表形變監測及地下水套用研究

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