基于高分辨率SAR影像的城市二维时序形变建模与应用

城市地表形变是当今世界各国城市化进程中普遍存在的环境地质问题,这种连续的、渐进的、累积的地质灾害,其过程缓变不可逆,已成为制约区域经济可持续发展并影响人民生命财产安全的重要因素之一。DInSAR作为有效的大区域高空间分辨率地表形变监测技术,具有全天时、全天候、大范围和高精度的优势,是对传统的地面测量技术(如水准测量、全站仪和GPS观测)逐点测量、以点代面的局部测量手段的有效补充。然而,InSAR技术长期面临的问题是只能获取雷达视线向的一维地表形变信息,无法监测地表真实三维形变。现实中,影响城市安全的不仅仅是垂向形变量,水平向的拉伸或挤压同样会对管线、铁路、地铁和建筑造成威胁。

因此,获取城市二维或三维形变信息成为构建科学高效的城市地面沉降监测体系的重要内容之一。基于高分辨率SAR影像进行城市地表三维时序形变监测,具有短重访周期、高空间采样和高精度定位等优势。在三维形变场和三维形变速率研究基础上发展起来的多轨融合小基线集多维形变监测技术(MSBAS),模型简单,解算精度与影像获取时刻不相关,已经被应用于煤矿开采、城市建筑、冻土进化及火山活动等区域性地表形变监测中。但是,该技术在多轨道融合时,采用干涉图空间插值的方法提高空间采样密度,引入插值误差,影响解算精度。

在使用未插值干涉图的情况下,模型的时间采样(干涉图集选取)和空间采样(像元掩膜)相互制约,在提取信息的完整性方面有一定的局限性。此外,在高分辨率影像形变监测实际应用中,地物的真实高程与DEM之间存在的差异,导致用于二维形变解算的差分干涉图中通常会有地形残余相位,相邻像元的差分干涉相位不连续,难以满足解缠条件,影响二维时序形变监测结果。目前的研究方法通常是针对中等分辨率影像或者局部小区域的时序分析地形误差改正,在利用高分辨率SAR数据进行城市区域地形误差改正方面的研究比较欠缺;并且研究者们对于地形误差的解算,重点关注估算地形误差的数据源,目前采用解缠前(差分干涉相位)或解缠后(解缠相位或形变速率)的数据进行误差改正,都无法平衡模型复杂程度和解算精度。本文针对高分辨率SAR影像在城市地表形变监测中存在的地形误差改正和二维时序形变等问题进行了较为深入的探讨,主要研究成果如下:(1)从InSAR发展的角度总结阐述了星载SAR系统的基本原理、发展历程、关键参数及

其任务目标。

系统梳理了目前最为常用的时序分析技术,并通过具体的应用案例,分析了不同技术方法的适用性和应用目标的形变特征。通过SAR系统、技术方法和应用条件的系统分析,为后续研究提供基础支撑。(2)在分析InSAR技术地形误差对影像配准、相位解缠以及地理编码的影响基础上,总结了国内外InSAR时序分析地形误差改正的研究现状,并对现有技术在高分辨率影像InSAR时序分析应用的局限性做出改进,提出了一种变基线地形误差改正方法。首先,基于InSAR时序解算模型、空间基线与高程模糊度之间的关系,利用变化空间基线和时间基线长度的方法,减少高分辨率InSAR时序形变技术中地形误差的影响;然后,以上海市高层建筑群和城区沉降区为研究对象,根据不同研究区的平均高程差异性和形变特征优化模型参数;最后,利用相位解缠图、高程残余误差分析了模型解算过程中地形误差逐步改正的效果,并以上海市高层建筑区和沉降区的地形改正实例验证了本文方法的可行性及正确性。

(3)针对现有多轨融合求解二维时序形变信息模型存在的问题,对MSBAS模型中的关键技术(包括轨道参考的统一、观测值和模型参数优化、干涉图集选取等)进行了改进,从而实现多轨数据融合解算二维时序模型对空间采样、时间采样和解算精度的提高。首先,在多个轨道之间参考基准的校正方面,以升轨和降轨数据集得到的地面沉降速率图和沉降速率直方分布图作为示例,针对不同轨道参考基准不一致时解算结果存在差异,提出了基于统计的参考基准校正方法;然后应用上述地形误差改正之后的差分干涉图,把二维时序形变模型的入射角由中心入射角优化为与影像像元对应的空间二维入射角;此外,针对MSBAS技术时间采样和空间采样不能兼顾的问题,提出了逐个像元建立观测矩阵,从中消除相干性较低的干涉图的方法,提高了数据集的空间和时间采样率。(4)以上海市区为实验区,利用多视空间分辨率为5 m和15 m的两组干涉图集进行实验,得到了研究区东西向、垂直向的形变速率图以及多个像元位置的二维时序形变折线图,与模型优化前的结果对比发现参与计算的像元比率从30%提高至75%。另外,将本文的形变结果与地面监测站的数据进行了比较和分析。

东西向形变速率与GPS监测结果基本一致,微小差异可能源于观测区间不一致,并且长时间段观测条件下点位非线性形变特征的影响;垂直向累积形变量与

地面沉降监测站有较好的趋势一致性,验证了该方法在城市二维时序形变监测的可靠性。(5)二维时序形变监测模型的应用研究。以上海市地铁8号线和10号线为应用对象,在总结工程建设的形变制约因素、区域的地层分布、工程地质和水文地质特征的基础上,结合线型工程特点与监测成果,分析了地铁沿线区域二维形变发展的动态特征与基本规律。结果发现:沿剖面线的东西向形变速率变化平缓,累积形变量随着时间变化差异较小,大约在2~5 mm;垂向形变速率空间分布不均一,地铁沿线的沉降速率大于两侧,并且不同特征点的累积形变量在时间分布上具有一致性。