利用雷達(dá)干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表形變

前言

引起地球表面形變的原因很多，包括自然因素（如地殼運(yùn)動(dòng)）和人為因素（如采礦與城市地下水抽?。┑?。長(zhǎng)期以來(lái)，測(cè)量學(xué)家和地球物理學(xué)家一直在探求監(jiān)測(cè)各種地球表面形變及其災(zāi)害的有效技術(shù)和方法。20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)干涉（syntheticapertureradarinterinterometry，InSAR）便是一項(xiàng)極具潛力的區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)。目前，歐美國(guó)家對(duì)這一技術(shù)正競(jìng)相展開(kāi)研究，我國(guó)對(duì)雷達(dá)干涉的研究仍處于起步階段，但已引起了國(guó)內(nèi)測(cè)繪界與地學(xué)界同仁們的極大興趣和廣泛關(guān)注?！癐nSAR”是一個(gè)嵌套式的英文縮寫，即Radio detection and ranging（Radar，無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距，簡(jiǎn)稱雷達(dá)），Synthetic Aperture Radar（SAR，合成孔徑雷達(dá)），Synthetic aperture radar interferometry（InSAR，合成孔徑雷達(dá)干涉）。這一縮寫方式大致說(shuō)明了InSAR的發(fā)展歷程，同時(shí)也表達(dá)了它是合成孔徑雷達(dá)遙感成像與電磁波干涉兩大技術(shù)的融合。InSAR應(yīng)用于地表形變探測(cè)具有高形變敏感度、高空間分辨率、幾乎不受云雨天氣制約，并具有空中遙感等突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它是迄今為止獨(dú)一無(wú)二的基于面觀測(cè)的形變監(jiān)測(cè)手段，既可補(bǔ)充已有的基于點(diǎn)觀測(cè)的低空間分辨率大地測(cè)量技術(shù)（如全球定位系統(tǒng)、激光測(cè)衛(wèi)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量和精密水準(zhǔn)測(cè)量等），又可為地球物理模型反演研究、相關(guān)形變基理解釋、甚至形變?yōu)暮︻A(yù)測(cè)提供豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)，它已在研究地震形變、火山運(yùn)動(dòng)、冰川漂移、城市沉降以及山體滑坡等方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。1999-2003年，作者在香港理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，先后承擔(dān)了香港政府研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：BQ406）、香港理工大學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：87A7）、香港理工大學(xué)博士學(xué)位研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：GV747）和武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：WKI（00）0103），其后又主持和參予了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：40374003，50278082）。依托這些項(xiàng)目，對(duì)雷達(dá)干涉技術(shù)的理論與應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，并取得了一系列的研究成果。考慮到目前國(guó)內(nèi)外已出版的有關(guān)InSAR的書籍或?qū)Ｖ^少，而關(guān)注和從事InSAR研究的學(xué)者越來(lái)越多，為此，作者決定出版此本專著，以期與廣大相關(guān)學(xué)者和研究人員及時(shí)分享本人的研究經(jīng)驗(yàn)和成果。本書在擴(kuò)展本人博士論文的基礎(chǔ)上，將主要圍繞使用InSAR測(cè)量地表形變的精度和可靠性這兩個(gè)方面展開(kāi)討論和分析，并提出改善它們的有效方法和建議。本書在回顧和總結(jié)衛(wèi)星InSAR的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和理論背景的基礎(chǔ)上，逐章陳述有關(guān)InSAR精度和可靠性這兩方面的研究成果。全書共分為10章：第1章介紹了本書的研究目的和研究范圍；第2章介紹了衛(wèi)星InSAR的發(fā)展歷史、差分干涉數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用制約因素；第3章總結(jié)了使用衛(wèi)星InSAR提取形變信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法和工作流程；第4章分析了衛(wèi)星InSAR的誤差來(lái)源，并發(fā)展了差分干涉的誤差傳播模型；第5章討論了地形數(shù)據(jù)誤差對(duì)形變精度的影響及控制措施；第6章和第7章分別發(fā)展了干涉相位數(shù)據(jù)先驗(yàn)濾波算法和衛(wèi)星軌道（基線）數(shù)據(jù)精化算法；第8章涉及干涉模型的穩(wěn)健估計(jì)理論與方法；第9章給出了衛(wèi)星InSAR應(yīng)用的研究實(shí)例，包括香港填海區(qū)域地表沉降以及臺(tái)灣西部地區(qū)的地殼形變；第10章為結(jié)論與進(jìn)一步研究建議。作者感謝為本人進(jìn)行InSAR研究工作而提供的各項(xiàng)研究基金的資助，沒(méi)有這些實(shí)質(zhì)性的資助，研究工作不可能順利進(jìn)行；同時(shí)也感謝測(cè)繪科技專著出版基金的資助，使本書才得以出版；此外，還要感謝為此書出版付出辛勤勞動(dòng)的各位編輯。作者對(duì)香港理工大學(xué)的三位導(dǎo)師丁曉利教授、陳永奇教授和李志林教授的悉心指導(dǎo)與幫助表示誠(chéng)摯的謝意，并對(duì)丁曉利教授在本書寫作過(guò)程中所提出的許多寶貴建議和悉心修改表示衷心的感謝。此外，作者還對(duì)武漢大學(xué)的李德仁院士、上海天文臺(tái)的鄭大偉教授、西南交通大學(xué)的劉文熙教授和黃丁發(fā)教授在本研究進(jìn)行過(guò)程中所給予的建議、關(guān)心、支持與幫助表示誠(chéng)摯的謝意。作者期望本書的出版能給同行學(xué)者帶來(lái)方便，對(duì)他們的研究工作起到借鑒作用，為推動(dòng)我國(guó)InSAR理論與應(yīng)用研究起到積極有益的影響。盡管作者已盡最大的熱情和投入來(lái)完成本書，以不辜負(fù)將要面對(duì)的諸多讀者，但由于作者水平所限，書中難免存在錯(cuò)誤和不妥之處，敬請(qǐng)讀者不吝賜教。

內(nèi)容概要

本書采取理論闡述、實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)踐驗(yàn)證相結(jié)合的形式，系統(tǒng)地講述了衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）遙感技術(shù)應(yīng)用于大范圍地球表面形變監(jiān)測(cè)的基本原理、誤差來(lái)源和誤差傳播模型，并主要針對(duì)精度和可靠性這兩個(gè)方面展開(kāi)討論和分析。在地形數(shù)字高程模型誤差的影響和控制、干涉相位圖的先驗(yàn)濾波算法、基于地面控制點(diǎn)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)（基線參數(shù)）精化、干涉模型的抗差估計(jì)等方面進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的改善精度和可靠性的方法與建議。基于多幅歐洲空間局衛(wèi)星ERS-1和ERS-2合成孔徑雷達(dá)圖像，將上述方法和算法成功應(yīng)用到香港填海區(qū)域地表沉降以及臺(tái)灣西部地區(qū)的地殼形變的研究中，相關(guān)結(jié)果以圖文并茂的形式展示在書中。    本書可作為高等院校及研究所測(cè)繪類專業(yè)研究生教學(xué)用書，亦可作為攝影測(cè)量與遙感、空間大地測(cè)量、工程測(cè)量和地球物理等專業(yè)的科技人員與高等院校師生的學(xué)習(xí)參考書。

作者簡(jiǎn)介

劉國(guó)祥,1968年生，湖南人，現(xiàn)任西南交通大學(xué)教授。1991年于華東地質(zhì)學(xué)院（現(xiàn)更名為東華理工學(xué)院）獲得工程測(cè)量專業(yè)學(xué)士學(xué)位；1994年于西南交通大學(xué)獲得攝影測(cè)量與遙感專業(yè)碩士學(xué)位；2003年于香港理工大學(xué)獲得博士學(xué)位。曾在香港理工大學(xué)從事合成孔徑雷達(dá)干涉研究4年，在美國(guó)

書籍目錄

第1章 綜述  1.1 研究動(dòng)機(jī)  1.2 本書所涉及的研究?jī)?nèi)容  1.3 本書寫作的組織結(jié)構(gòu)第2章 形變測(cè)量與衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)  2.1 概述  2.2 地表形變及其測(cè)量途徑  2.3 InSAR的發(fā)展歷史  2.4 InSAR的基本原理  2.5 當(dāng)前衛(wèi)星InSAR的應(yīng)用局限性第3章 基于差分干涉進(jìn)行區(qū)域地表形變探測(cè)的數(shù)據(jù)處理  3.1 概述  3.2 SAR影像配準(zhǔn)與重取樣  3.3 干涉圖像的生成  3.4 從干涉圖中提取形變相位  3.5 相位解纏  3.6 干涉結(jié)果影像的糾正第4章 干涉形變探測(cè)中的誤差來(lái)源分析與誤差模型  4.1 概述  4.2 SAR信號(hào)及干涉相位的統(tǒng)計(jì)特性  4.3 失相關(guān)引入的相位隨機(jī)誤差  4.4 相位解纏中的粗差  4.5 差分干涉中的誤差傳播模型  4.6 總結(jié)和結(jié)論第5章 差分干涉中地形數(shù)據(jù)誤差的影響分析  5.1 概述  5.2 實(shí)驗(yàn)方案  5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論  5.4 結(jié)論第6章 基于先驗(yàn)數(shù)字濾波方法改善干涉圖質(zhì)量  6.1 概述  6.2 InSAR中的頻譜漂移現(xiàn)象  6.3 SAR圖像的先驗(yàn)數(shù)字濾波算法  6.4 先驗(yàn)濾波實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析  6.5 結(jié)論第7章 基線參數(shù)的精確估計(jì)  7.1 概述  7.2 基線參數(shù)模型  7.3 基于地面控制點(diǎn)的基線參數(shù)最小二乘估計(jì)方法  7.4 地面控制點(diǎn)的優(yōu)化布設(shè)  7.5 結(jié)論第8章 干涉測(cè)量模型中的可靠性分析與抗差估計(jì)  8.1 概述  8.2 理論背景——干涉測(cè)量模型中的可靠性分析與抗差估計(jì)  8.3 基于可靠性分析的地面控制點(diǎn)（聯(lián)系點(diǎn)）優(yōu)化布設(shè)  8.4 干涉測(cè)量模型中的抗差估計(jì)  8.5 結(jié)論第9章 衛(wèi)星差分雷達(dá)干涉應(yīng)用于區(qū)域地表形變探測(cè)中的研究實(shí)例  9.1 概述  9.2 香港填海區(qū)域沉降探測(cè)研究  9.3 與臺(tái)灣9.21集集大地震相關(guān)的地殼形變探測(cè)研究第10章 結(jié)論與進(jìn)一步研究建議參考文獻(xiàn)附錄A彩圖

章節(jié)摘錄

插圖：衛(wèi)星InSAR既屬于微波遙感新技術(shù)，又屬于空間大地測(cè)量新技術(shù)，它在區(qū)域地表形變探測(cè)的應(yīng)用上已表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)構(gòu)成和歷史的角度來(lái)看，InSAR是在融合“合成孔徑雷達(dá)遙感成像”與“電磁波干涉”兩大技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。雷達(dá)傳感器主動(dòng)發(fā)射具有固定波長(zhǎng)的微波信號(hào)，接收并記錄目標(biāo)反射信號(hào)（包含目標(biāo)反射能量信息和反映傳感器到目標(biāo)距離的相位信息），每一像素信息可用一個(gè)復(fù)數(shù)來(lái)表達(dá)，因此SAR圖像也被稱為復(fù)數(shù)圖像。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們僅僅利用SAR圖像的強(qiáng)度（灰度）信息，而拋棄了SAR圖像的相位信息。早期的雷達(dá)遙感大多基于單張SAR圖像的灰度信息來(lái)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查、極地冰川、土地利用、植被和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，射電天文領(lǐng)域發(fā)展成熟的干涉技術(shù)被引入，將覆蓋同一地區(qū)的兩張SAR圖像聯(lián)合處理并提取對(duì)應(yīng)像素的相位差（干涉相位）信息，以此恢復(fù)目標(biāo)形狀如建立數(shù)字高程模型，從而導(dǎo)致了InSAR的誕生。隨后的技術(shù)擴(kuò)展結(jié)果是差分雷達(dá)干涉，用以探測(cè)地球表面的微小形變。1989年，N.ASA／JPL的Gabriel等首次提出衛(wèi)星差分雷達(dá)干涉的觀點(diǎn)并發(fā)表了對(duì)California某地區(qū)地面垂直位移觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種高分辨率、高精度和覆蓋范圍大的獨(dú)特技術(shù)特征以及這種形變數(shù)據(jù)應(yīng)用的巨大潛力極大地刺激了：InSAR技術(shù)的快速向前發(fā)展。從原理上來(lái)看，InSAR正是基于衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)或基線參數(shù)，利用具有高敏感特性的干涉相位信號(hào)來(lái)提取和分離出有用信息如地表高程或地表形變的。將覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達(dá)圖像對(duì)應(yīng)像素的相位值相減（即一次差分）可得到一個(gè)相位差圖，即所謂干涉相位圖。這些相位差信息是地形起伏和地表形變（如果存在）等綜合因素的體現(xiàn)。因此，InSAR數(shù)據(jù)分析和處理的焦點(diǎn)是干涉相位，這一點(diǎn)與攝影測(cè)量和可見(jiàn)光、近紅外遙感主要利用影像灰度信息來(lái)重建三維或提取信息技術(shù)是完全不同的。目前，機(jī)載InSAR系統(tǒng)鮮有應(yīng)用于探測(cè)地表形變的，而衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)在地表形變探測(cè)中應(yīng)用較多。為分離出形變信息，具有顯著影響的參考趨勢(shì)面和地形起伏的相位貢獻(xiàn)必須從初始干涉相位中去除，也就是所謂的二次差分。目前存在三種二次差分模式來(lái)提取形變圖，即“兩軌”、“三軌”和“四軌”模式。值得指出的是，InSAR觀測(cè)得到的地表形變是斜距（傳感器一地表）方向上的一維位移量，而非地面目標(biāo)的三維位移。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，衛(wèi)星重復(fù)軌道差分干涉主要受到兩大因素的制約，即時(shí)間幾何失相關(guān)引起的低相位信噪比和雷達(dá)成像時(shí)不同的大氣條件引入的相位延遲。時(shí)間失相關(guān)常常導(dǎo)致形變測(cè)量（特別在植被覆蓋區(qū)）失敗，幾何失相關(guān)限制了有效干涉像對(duì)的可用數(shù)量，而大氣效應(yīng)將大大降低形變結(jié)果的精度和可靠性。當(dāng)前這兩個(gè)棘手問(wèn)題國(guó)際上都沒(méi)有得到很好的解決，這無(wú)疑制約了InSAR在區(qū)域形變探測(cè)等方面的普及應(yīng)用。本章將簡(jiǎn)要回顧InSAR的發(fā)展歷史，系統(tǒng)地介紹InSAR的基本觀測(cè)量、干涉相位信號(hào)分解及其數(shù)學(xué)模型和用于形變探測(cè)的差分干涉方法。從理論上分析并比較了各種已有衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)對(duì)形變量的敏感程度，從實(shí)用上分析了它們的應(yīng)用局限性。

編輯推薦

《利用雷達(dá)干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表形變(中文摘要·英文版)》是測(cè)繪科技專著出版基金資助。

圖書封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    利用雷達(dá)干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域地表形變 PDF格式下載

---