基于InSAR数据的永久散射体技术在地面沉降测量中的应用研究

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作为一种近几年发展起来的微波遥感新技术,永久散射体干涉测量技术(Permanent Scatterer InSAR,PS-InSAR)通过分析长时间序列合成孔径雷达(SAR)影像中相位保持稳定的永久散射体(Permanent Scatterer,PS)的相位在时间序列上的变化来提取地表形变信息。因其大面积、非接触、全天候、高精度、高分辨率和低成本等特点,PS-InSAR技术在地面形变监测方面显示出了前所未有的优越性。  地面沉降是在自然或人为因素作用下,引发地下软土层固结压缩,导致一定区域内地面发生垂直形变现象,情况严重时将成为一种地质灾害。地面沉降会对城市建设造成巨大的破坏,例如会造成建筑物开裂、地下管道和道路破损、城市重力排污失效等,以上情况都会威胁到城市的安全。目前,我国已探明发生了不同程度地面沉降的城市达90多个,由此造成的经济损失高达千亿元。地面沉降的形成过程比较缓慢,形成因素复杂多样并且防治的难度很大。因此,为了减少地面沉降所带来的危害,对于地面沉降区域的监测成为应对地面沉降的有力手段。  昆明市区自1979年发现地面沉降以来,沉降情况逐渐加重,目前已成为国内地面沉降较为严重的区域之一。截止目前还没有研究人员利用PS-InSAR技术对昆明地表形变进行过研究,而且常规的水准测量以及GPS测量在昆明地区的开展也很少,因此利用PS-InSAR技术对昆明地表形变监测进行研究,探明昆明地面沉降现状及发展过程具有重要的实际意义;同时针对昆明地区的特点,研究适合昆明地区形变监测的PS-InSAR技术处理流程同样具有重要的研究意义。  本论文运用PS-InSAR技术对昆明市典型地面沉降区的地面形变进行了测量分析,讨论、验证了结果的准确性。论文主要研究工作和贡献如下:  1.介绍了InSAR技术的基本原理,分析了InSAR技术和D-InSAR技术获取形变监测结果的主要误差来源及限制因素。  2.详细介绍了PS-InSAR技术的原理,并对其关键环节进行了分析研究。  3.对StaMPS技术中的主要参数进行了分析研究。以沉降较严重的东菊新村为研究对象,通过设置不同的解包网格间距,提取最大形变速率,对结果进行分析得出“相位解包重采样网格间距”应根据形变梯度以及影像分辨率进行选取的结论。  4.结合获取的昆明地区2007-2011年的L波段、C波段、X波段卫星数据,并以官渡区和呈贡新区为试验区域,进行了高精度的形变测量研究,对比分析各波段卫星数据所获取的地面沉降结果,验证了该技术的准确性、可行性和优势。  5.采用24景ENVISAT ASAR雷达影像、9景ALOS PLASAR雷达影像以及35景X波段的TERRASAR-X雷达影像,利用StaMPS等开源软件反演了昆明市2003-2011年以及2014年的地面沉降年平均速率和时序形变结果,其中最大年平均沉降速率达到了-80.4mm/year。对比分析所获取昆明地区不同时期的沉降结果以及历史水准数据,进一步验证了PS-InSAR技术监测结果的准确性。  6.结合PS-InSAR测量结果以及昆明发展建设情况深入探讨了造成昆明地面沉降的原因。相比大量抽取地下水形成的大范围的沉降漏斗,地铁修建等城市建设工程引发的地面沉降现象也逐渐显现。
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