INSAR在变形监测中应用原理.ppt

基于INSAR进行的变形监测简析 简述： 近年来地震、火山、滑坡和地面沉降等地质灾害越来越严重地威胁着人类的生存空间，针对这种灾害而发展起来的地表形变监测和测量技术就显得尤为重要。 传统的开采沉陷监测方法是在采空区上方布设岩层移动观测站进行几何测量，对测量结果进行分析计算分析得到相关参数。尽管近年来测量仪器有了较大改进，可使用数字水准仪、全站仪、GPS 等先进仪器进行地表沉陷观测，减轻了野外观测的劳动强度，但是基于离散点的地表移动观测站方法缺点仍然非常明显 1、离散观测点在观测过程中容易受采动破坏而在后期无法观测，造成观测成果缺失 2、在山区及沉陷积水区等地，一些最佳观测位置观测者通常难以进入、无法接近，造成观测成果不理想 3、尽管观测仪器有了大幅改进，但观测强度和难度依然较大，长时间观测费用较高 4、离散点观测方法的观测点总是有限的，其结果很难反映整体开采沉陷规律，尤其是整个开采范围的多环境要素的影响规律 传统沉降观测的缺点： 航空航天遥感技术作为对地观测获取地球空间信息的重要手段，近年来发展迅猛，不仅能够快速、大面积测制多种比例尺地形图，还广泛应用于资源调查、环境监测、灾害预报、灾情评估和军事侦察等领域。 其中合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）以其具有全天候、全天时获取地表信息的特点，已发展成为一门不可或缺的对地观测新技术。 基于 SAR 发展起来的合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术，自 20世纪90年代初起就开始在全球及区域性地形测图、大尺度地表形变监测中得到广泛的研究和应用。与可见光遥感相比，InSAR 实现了遥感技术对地表变化的几何测量，可定量化研究自然环境的活动变化状况，是传统光学遥感技术和测量手段的有益补充 InSAR 联合处理同一地区的两景 SAR 图像，提取对应像素位置上的相位差，可以获取大范围、高精度地表三维信息和变化信息，其中获取地表形变的 InSAR 技术称为差分合成孔径雷达干涉测量 已发射的星载SAR平台 InSAR的分类： 以星载重复轨道干涉测量为例介绍 InSAR 技术的原理： 平行基线： 垂直基线： 干涉图中任一个像素的相位： 则有： 地表点t1的高程可以表示为: 计算出每个像素的干涉相位 φ，结合卫星平台姿态数据，即可计算出干涉图中每个像素对应的地表高程 z 在z=0是忽略高次项，按泰勒级数展开有： 上式即为忽略大气延迟相位和 SAR 系统噪声相位后，干涉图上任意像素的干涉相位，可以进一步分解为： 平地相位： 地形相位： 两边分别对θ求导，得到干涉图上相邻两像素的相位差为： 对照上图，qs可以表示为： 式中：q为 t1、t2两地面目标点在竖直方向上的距离，即高差，s 为t1、t2两点在斜距向上的距离 上式右边第一项表示高程变化引起的相位差，右边第二项表示无高程变化的平地引起的相位差，也可进行分解： 平地相位变化分量： 地形相位变化分量： 有上式可知，平地相位的变化只出现在斜距方向上，表现为与卫星平台飞行方向平行的明暗相间的条纹，且当B⊥0 时，从近距点到远距点随着斜距R 逐渐增加，平地相位单调增加，反之平地相位单调减少。 若用 表示相位误差, 表示干涉测量的高程误差，则： 干涉图上一个 2π 相位对应的高程变化量称为高程模糊度，记作 ha InSAR 技术对地形测量的敏感性较弱 差分雷达干涉测量技术： 若考虑到卫星平台两次成像期间，地表点发生了微小形变，其在斜距向的投影分量记为d，则干涉图中任一像素的干涉相位还应包括: 上式可看出：地表形变引起的相位与干涉像对的基线无关。 同时干涉相位还会不同程度地受到大气延迟效应、卫星轨道扰动和系统热噪声等因素的影响，可以认为干涉图相位是由平地相位，地表起伏，地表形变，大气延迟以及轨道、热噪声等因素引起的： 据不同需求，从上式提取某一种（或几种）有用相位、而消除或抑制其他相位的方法，称为 DInSAR 技术。 DInSAR 技术监测地表形变方案 虽然DInSAR 技术监测地表形变有很高的理论精度，但实际应用中面临着许多限制性因素，一定程度上制约了 DInSAR 技术的发展和应用。 DInSAR 技术容易受到各种失相干因素的影响，概况起来可以分为以下六类： （1）时间失相干。SAR 传感器两次成像期间，地表覆盖、气候变化等导致地物散射特征发生了改变，从而降低 SAR 影像的相干性。 （2）空间失相干 （3）体散射失相干 （4）热噪声失相干 （5）多普勒质心失相干 （6）形变梯度过大引起的失相干 DInSAR 受到分辨率和波长的制约，所以只能够监测地表一定量的位置变化，若变化量