地表形变监测的InSAR处理方法研究

1/3301:15面向资源开发地表形变监测的InSAR处理方法及应用2/3301:15内容提要一、InSAR地表形变监测方法二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题三、中国矿业大学InSAR主要研究成果四、面向矿区形变监测的InSAR解决方案3/3301:15一、InSAR地表形变监测方法1993年Massonnet和他的同事们利用ERS-1SAR数据获取了1992年的Landers地震（M=7.2）形变，并将D-InSAR的测量结果与其他类型的测量数据及弹性形变模型进行比较，结果相当吻合，发表在《Nature》上。1、D-InSAR技术4/3301:15一、InSAR地表形变监测方法D-InSAR技术5/3301:15一、InSAR地表形变监测方法D-InSAR技术时间失相关大气延迟6/3301:15一、InSAR地表形变监测方法2m220m301m474m521m空间失相关7/3301:15一、InSAR地表形变监测方法1999，PSI的提出（Ferritti，Prati，Rocca），处理小区域地表形变问题。2001-2003逐步完善。2、PSInSAR技术8/3301:15一、InSAR地表形变监测方法永久散射体，以建筑物、桥梁、管线、柱、杆等人工目标为主分布式相干目标，以裸露土地、岩体等均一目标居多9/3301:15一、InSAR地表形变监测方法长时序（大数据量）条件下相干性保持稳定的稳定散射体，即PS，PS差分干涉相位序列中各个相位分量的时空频率特性，逐个分离形变速率，高程误差改正、大气延迟、累积形变量等相邻相干目标间差分干涉相位之差构成PSInSAR相位模型，二维周期图方法来估计相对形变速率和高程误差频率相邻点间平均速率和高程误差估计完成后，实现PS网的相位积分（本质是相位解缠）。迭代处理和时空滤波分离大气，求解PS的形变序列10/3301:15一、InSAR地表形变监测方法PS处理方法两方面的缺点：①要求要有足够数量的SAR影像；②没有考虑短时间内具有高相干性的区域性目标，使得相干目标数目减少较多。3、SBAS技术2001-2003，SBAS方法（P.Berardino，O.Mora,J.J.Mallorqui,andA.Broquetas）.2004，保持原始分辨率的处理方法以及降低分辨的大区域处理11/3301:15一、InSAR地表形变监测方法4、其他时序InSAR技术2001-2005，BertKampes，N，Adam，Bamler发展了基于统计模型分析的PSI方法，STUN（Spatio-TemporalUnwrappingNetwork（DLR，Delft）。2001-2003，IPTA的出现，有别与其他stacking的处理方法，从SLC中提取Pointtarget作为相干目标进行时间序列分析。。。2007年，Hooper，将PSInSAR与SBAS相结合，StamPS。。。2010年，TRE更新PSI算法，形成SqueeSAR，侧重对DS的利用，增加观测点密度。。。2011年，香港理工大学张磊博士提出TCP-InSAR技术。。。近年来，IREA和DLR发展的4D-InSAR、SARTomography等技术，着眼于高分辨率条件下同步测量形变与地形三维重建。。。12/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题1、时序InSAR技术矿区地表形变监测量级偏小13/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题PS-InSARSBASl,m,l',m'ΔhAWVTCP-InSARixresixuxixmxSmxAixtvB,,,,,,,4nlixDsixSsixAixNixres,,,,,,,,,,StaMPS14/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题2、形变监测存在极限时空形变在相邻两点间的形变量常常大于四分之一个波长15/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题对于TerraSAR-X而言，T的最小重访周期为11天16/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题水体植被3、植被与水体17/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题4、三维变形在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中，判断砖混结构建筑物损坏等级的地表变形参数分别为水平变形ε、曲率k和倾斜i。18/3301:15二、InSAR用于矿区形变监测的主要问题5、成本影像：Radarsat-2存档数据1.5万/景，编程约3万/景；ALOS-2数据约3万TerraSAR-X约3万/景。。。。软件：GAMMA软件一套约50万（2010年，高校）地基SAR：瑞士GPRI-II(GAMMA便携式雷达干涉仪)；意大利IBIS系统；荷兰FAST-GBSAR；150-300万元19/3301:15三、InSAR主要研究成果中国矿业大学雷达遥感研究团队中国矿业大学博士，西班牙加泰罗尼亚理工大学访问学者，中国测绘科学研究院客座研究。主要研究方向为雷达干涉测量、开采损害及防护。中科院遥感所博士。主要研究方向为雷达干涉测量、摄影测量、灾害遥感和冰川运动监测。范洪冬闫世勇郎丰铠陈宇武汉大学博士。主要研究方向为全极化SAR影像处理及分析。欧空局PolSARpro软件滤波算法提出者，获测绘学报2015年优秀论文。法国图卢兹大学博士，法国国家科学院助理研究员。主要研究方向为雷达干涉测量。20/3301:15三、InSAR主要研究成果1、在采矿井地表形变监测大梯度地表变形监测方法基于偏移量跟踪的榆林矿区地表变形监测试验研究区域位置图相位累积法监测结果相位累积和偏移量跟踪联合解算地表时序沉降利用相位累积方法和偏移量跟踪方法能够克服梯度失相干影响，成功解算矿区地表时序沉降监测结果。21/3301:15三、InSAR主要研究成果LOS方向地表沉降及观测点位图开采方向W=4487mm79.4°79.8°54m59m56m93m64m40m39m日期13/12/201204/01/201315/0126/0106/0217/0228/0211/0324/1245m47m64m60m超前影响距76.5°41m75.6°76.3°75.6°64m61m80.7°78.0°53m超前影响角下沉曲线超前影响角计算图沿走向和倾向观测线的时序地表沉降三维形变图22/3301:15三、InSAR主要研究成果基于时序InSAR技术与Pixel-tracking方法融合的矿区大量级地表变形监测方法针对矿区形变梯度大和影响范围小的特点，提出了时序InSAR与Pixel-tracking相融合的变形监测方法。融合算法提取矿区形变量与同时期的GPS测量数据对比表明：该融合方法可同时保留时序InSAR高精度探测和Pixel-Tracking可监测大量级形变的优点，从而达到对矿区沉降范围100%覆盖。0.160.6340.366-0.50.160.5stackingstackingpixeltrackingpixeltrackingDDDDDDDD，，，部分地表移动观测站点对比图融合结果图走向地表移动观测站对比图倾向地表移动观测站对比图23/3301:15三、InSAR主要研究成果面向矿区地表大变形的DInSAR与概率积分法模型解算方法概率积分法预计参数范围少量实测数据及D-InSAR获取的盆地边缘正确下沉量遗传算法参数生成初始参数种群根据种群参数计算实测点地表沉降值优化的遗传算子比较实测值与预计值淘汰种群新的种群变异交叉迭代最优预计参数预计全盆地地表下沉（a）模拟下沉盆地(b)模拟盆地相位(c)模拟缠绕相位(d)最小费用流解缠相位图(e)边缘正确解缠点(f)融合方法预计后的相位图图2-70融合方法解算的仿真数据结果（下沉系数0.8）针对D-InSAR技术难以解算矿区地表大变形和开采沉陷参数反算需要大量地表监测点的问题，创新性地融合利用D-InSAR和概率积分法模型获取开采沉陷全盆地沉降分布。仿真和实际监测数据表明其相对误差较小，可有效用于矿区形变解算。误差类型误差值最大绝对误差164mm平均绝对误差43mm最大下沉处误差44mm最大下沉处相对误差3.0%融合方法仿真实际测量验证矿区地表沉降联合解算流程24/3301:15三、InSAR主要研究成果矿区开采沉陷全盆地提取的InSAR与LiDAR融合方法误差类型误差值最大绝对误差64mm平均绝对误差23.1mm最大下沉处误差60mm最大下沉处相对误差4.95%针对InSAR技术难以有效提取矿区大变形梯度条件下地表沉降的问题，提出了一种InSAR与三维激光扫描相结合的矿区变形监测处理方法，某矿区工作面实例对比验证表明：该融合方法能够有效地获取全盆地沉陷分布，具有较好的实际应用价值。融合结果与水准测量对比图InSAR与三维激光数据融合流程图25/3301:15三、InSAR主要研究成果融合概率积分法的SBAS解算方法针对时序InSAR技术难以有效提取矿区大变形梯度条件下地表动态沉降的问题，提出了一种融合概率积分法的SBAS解算方法。融合方法流程图26/3301:15三、InSAR主要研究成果时序InSAR地表形变监测Radarsat-2影像提取的年下沉速率TerraSAR-X影像覆盖范围以及分块重点处理区域分布。Radarsat-2的监测结果TerraSAR-X监测结果27/3301:15三、InSAR主要研究成果万年煤矿倾向和走向地表观测点沉降图点云数据图沿走向倾向及走向扫描路线俯视图三维激光扫描无人机成像激光扫描GPS测量水准测量实地调研CR-InSAR空、天、地联合监测干涉测量28/3301:15三、InSAR主要研究成果2、关闭矿井或老采空区地表形变监测MN京福高速公路绕城西段形变监测29/3301:15三、InSAR主要研究成果基于TCPInSAR的时序地表形变针对老采空区、充填开采等微小形变地表监测数据较少的问题，研究了一种新的基于TCPInSAR的时序地表形变监测方法。利用TerraSAR-X影像实验证明，该方法能够很好的监测长时间序列上老采空区、充填开采及停采后不久的矿区地表形变。30/3301:15三、InSAR主要研究成果徐州关闭矿井形变监测31/3301:15三、InSAR主要研究成果多源SAR数据融合监测地面沉降方法为充分挖掘和发挥多平台SAR数据在地表形变监测中的优势和潜力，提出了一种基于研究区无水平方向形变假设的多平台SAR数据联合监测地表形变的方法，并改进了已有的两种利用多平台SAR数据联合监测地表形变的方法。PS点选择及差分干涉相位解缠轨道误差和DEM误差相位去除联合监测模型构建同名点对搜索与构建联合监测模型求解地表形变联合监测时序结果①②平均形变速率累积形变量③小基线干涉对选择和差分干涉图生成多平台SAR数据联合监测数据处理流程图不同融合方法形变速率图32/3301:15三、InSAR主要研究成果融合概率积分法的倾斜煤层地表三维形变解算针对矿区地表三维变形监测需要不同轨道SAR影像或借助其他数据的问题，提出了一种融合概率积分法的倾斜煤层地表三维形变解算方法。33/3301:15三、InSAR主要研究成果多平台SAR影像Pixel-tracking方法监测矿区三维形变针对矿区开采沉陷对水平移动量特殊工程要求和不满足零水平位移假设的问题，提出了一种新的利用多平台SAR数据获取矿区三维形变量的方法，并利用GPS数据对矿区地表三维形变量结果开展了验证分析。52304工作面南北方向形变52304工作面东西向形变52304工作面竖直方向形变Radarsat-2监测结果TerraSAR-X监测结果倾向方向地表移动观测站监测结果对比南北方向竖直方向走向方向地表移动监测结果对比34/3301:15三、InSAR主要研究成果广域时序InSAR地表三维形变监测多源SAR