论文部分内容阅读
合成孔径雷达干涉(InSAR)是一项新近发展起来的空间对地观测技术。它具有测量精度高、作业范围大、不受天气条件制约等技术优势,目前己在火山、地震、冰川、滑坡和城市地表沉降等研究领域得到广泛的应用。但是,常规InSAR测量易受到时、空失相关和大气延迟的影响,这使得基于干涉相位时序统计的多时相InSAR方法逐渐发展起来,并最终形成了系统的PSI(Persistent Scatterer Interferometry)理论体系。然而,受到成像方式的制约,PSI的时序测量结果仅能反映地表形变在视线(Line of Sight, LOS)方向的投影；仅依据一维的观测矢量无法对真实地表位移的三维分量进行恢复。此外,传统的PSI时序统计模型以线性形变为主要统计分量,这种模型比较适合于缓慢累积形变为主的地表沉降研究,但很难精确反演多种因素共同作用下的复杂运动趋势。而且,在针对高分辨率数据源或者较长时间跨度的多时序统计过程中,传统的建模和求解方法很难避免海量数据导致的计算瓶颈和数据溢出问题。这些问题的存在,严重制约着PSI的应用和推广。针对上述技术局限,本文对PSI的关键技术理论(空间构网方法、时序统计模型和三维立体量测)展开了系统深入的研究。作为PSI时序建模的理论基础,本文从干涉相位的基本构成以及干涉生成DEM和差分干涉提取地表形变信息的基本处理流程展开探讨,并基于对系统误差源及其传播方式的深入分析,本文给出了基于多项式拟合的像空间系统误差统计模型和基于迭代分析的干涉相位精化处理方法。相关实验分析也验证了多项式模型和迭代算法的可行性。PSI基于时、空维的建模统计分析能够有效提高干涉测量的精度和可靠度。但相对较为复杂的数学模型和解算方法导致PSI的解算效率不高,在硬件资源有限的条件下甚至会因数据溢出导致解算失败。特别是随着近年来TerraSAR-X与COSMO-SkyMed等新型平台(分辨率可达到1m)的出现,海量数据导致的计算瓶颈问题日益突出。为了在更大的研究区域和更长的时间跨度上实现准确、高效的PSI时序形变分析,有必要对传统的相位观测模型及处理方法进行优化和改进。为解决模型解算精度和计算效率之间的矛盾,本文提出了一种分级的PS点邻域差分构网模型,以缓解计算效率和模型求解精度之间的矛盾。该模型以分级构建整体控制网和局部不规则三角网(TIN)并为基本策略；据此实现分级、分步的联合求解。通过影像空间的分割,子区域内较少的PS的数目使得解算时间以几何级数缩减；而简化的整体控制网同样能够保证影像空间的内部几何关系。为验证该模型与算法的有效性和可靠性,我们选取天津市西北部的城乡结合处作为测试区域,以2009-2010年所获取的40幅高分辨率TerraSAR-X影像为数据源,分别基于本文提出的分级构网模型和全局TIN模型进行PSI时序分析处理。经过同期地面水准观测结果的验证,依据两种相位模型解算得到的线性形变分量具有相同的精度水平,达到毫米级。而依据本文给出的模型和方法进行解算,用时仅为传统方法的22%；系统(内存)占用仅有0.8%。当前的PSI时序统计建模主要侧重于对线性形变速率的统计分析,这对于变化缓慢的趋势性累积形变具有很好的适应性。而对于非均匀形变和周期性变化,有学者借助双曲线函数、高阶多项式以及正/余弦函数模型进行建模分析。考虑到在不同成因和地质构造机理的交互作用下,地表形变通常表现出多元复合的复杂趋势特征,当量测目标的形变趋势与假设模型差别较大时,将导致干涉相位的分离存在严重的系统偏差。因此,单一的形变模型不足以对真实地表位移进行模拟。然而,通过一维相位观测量估计高程改正量和各形变分量的求解过程具有较强的发散特征(随着未知数的增多,得到正确解集的概率将呈几何级数下降)。鉴于当前尚无突破解空间发散的有效算法,仅依靠提高统计多项式阶数(或模型参数)的做法很难获得准确的时序统计结果。为解决单一模型的趋势局限性和多维分量解空间发散的矛盾,本文提出了融合多项式统计与三角函数的多元时序统计模型,并联合回归分析和空间搜索过程对各形变分量进行求解。本文基于天津西郊2009-2010年的40景TerraSAR-X影像序列进行实验,依据多元时序形变模型进行时序建模和求解,获得了研究区域的形变速度场、加速度场和季节性周期形变的振幅场等一系列结果。PSI解算结果与同期地面水准观测的对比验证表明：多元统计测量结果具备较高的解算精度(本实验达到mm级)。此外,针对不同形变分量的比较分析也充分表明,多元时序形变模型对多种因素共同作用下的复杂地表形变具有更好的适应性。针对常规PSI仅能获取LOS向一维地表位移信息的技术局限,本文提出了基于多平台永久散射体雷达干涉提取三维地表形变速度场的模型与算法。其基本策略是：首先针对每一卫星平台的SAR影像时间序列进行PSI分析,获得各地面目标沿LOS向的位移速度值,然后联合各平台所对应的LOS向位移速度值进行建模,并基于最小二乘方法解算各地面目标的三维位移速度分量。针对多平台数据源的融合问题,着重对不同结果间的整体偏差进行了建模,并设计了基于多角度立体观测量的“空间后方交会”解算各平台的像空间整体偏差改正量。为验证模型与算法的可行性,实验选取天津市西北部作为测试区,使用2007-2010年所获取的39幅TerraSAR-X影像、23幅ENVISAT ASAR影像和16幅ALOS PALSAR影像进行分析,经联合解算得到了该测试区域的垂直位移速度场以及南北向和东西向水平位移速度分量。与地面水准和已有GPS观测结果对比分析表明：多平台PSI的垂直位移速度场精度可达毫米级,而其水平位移速度分量也与已有GPS结果较为吻合。而且,据本文提出的多平台PSI三维建模方法,无需引入任何外部形变参考信息,便可以实现各形变场的偏差校准(绝对量化)。这可以算作是该模型的另一个贡献。