星载/地基雷达干涉变形监测方法与应用 科学出版社 下载 mobi 免费 pdf 百度网盘 epub 2025 在线 电子书

本书系统地介绍了作者近几年在星载和地基雷达变形监测方面的研究成果，雷达干涉测量技术是近几十年空间对地观测的重要手段，本书结合星载和地基雷达遥测技术，研究星、达干涉变形监测的数据处理理论和方法，并将该技术应用于大型工程变形监测，对提高工程灾害监测和预警水平具有重要的现实意义。

目录

前言

章 绪论 1

1.1 研究的目的与意义 1

1.2 星载SAR干涉研究进展 2

1.2.1 星载InSAR变形监测技术研究现状 2

1.2.2 Sentinel-1 干涉技术研究现状 4

1.2.3 InSAR技术用于桥梁变形监测研究现状 5

1.3 地基SAR干涉研究进展 6

参考文献 7

第2章 SAR干涉测量变形监测基础 12

2.1 星载SAR干涉测量原理 12

2.1.1 星载SAR成像原理 12

2.1.2 星载SAR干涉测量原理及模式 14

2.1.3 星载SAR干涉变形监测 18

2.1.4 星载SAR形变向量分解 20

2.2 星载SAR干涉测量数据处理 21

2.2.1 数据的选择及读取 22

2.2.2 影像配准和重采样 22

2.2.3 干涉生成干涉图 22

2.2.4 干涉图相位解缠 23

2.2.5 地理编码 24

2.3 几种星载SAR 系统 24

2.3.1 ERS-1/2 24

2.3.2 ENVISAT 25

2.3.3 RADARSAT 25

2.3.4 ALOS 25

2.3.5 COSMO-SkyMed 26

2.3.6 TerraSAR-X 26

2.3.7 哨兵1号（Sentinel-1） 27

2.4 地基SAR变形监测技术方法 30

2.4.1 地基SAR成像原理 30

2.4.2 地基SAR变形监测原理 32

2.5 几种地基雷达变形监测系统 33

2.5.1 IBIS-S系统 33

2.5.2 LISA系统 34

2.5.3 IBIS-L系统 34

2.5.4 SSR系统 35

2.5.5 GPRI系统 36

2.5.6 RiskSAR系统 36

2.6 小结 37

参考文献 37

第3章 SAR干涉时间序列分析法 39

3.1 SAR干涉局限性与时间序列分析 39

3.1.1 SAR干涉变形监测的局限性 39

3.1.2 SAR干涉时间序列分析法 40

3.2 短基线SAR干涉变形监测方法 41

3.2.1 基本原理 41

3.2.2 短基线DInSAR变形估计算法 43

3.2.3 相干系数与双阈值法相干像元提取 46

3.2.4 残余相位分离 48

3.3 PS-InSAR变形监测方法 49

3.3.1 PS-InSAR变形监测算法 49

3.3.2 振幅离差指数法PS点选取 51

3.4 邻域差分InSAR时间序列分析 52

3.4.1 基于Delaunay三角网的邻域差分原理 52

3.4.2 线性形变速率和DEM误差估计过程 54

3.5 干涉相位重建 56

3.5.1 2D相位解缠 56

3.5.2 离散像元组网 57

3.5.3 1D检核与校正 58

3.5.4 2D+1D相位解缠算例 60

3.6 小结 62

参考文献 62

第4章 星载SAR大型桥梁变形监测与分析 64

4.1 大胜关长江大桥概况 64

4.2 主桥变形时间序列特性分析与健康监测 65

4.2.1 主桥变形时间序列特性 65

4.2.2 主桥变形建模与健康监测 69

4.3 基于全桥变形模型的大型桥梁健康诊断方法 71

4.4 大胜关长江大桥变形监测与健康诊断 74

4.4.1 SAR影像数据 74

4.4.2 星载SAR桥梁监测的灵敏度分析 76

4.4.3 PS数据处理 77

4.4.4 扩展PSI变形结果 78

4.4.5 桥梁健康诊断 83

4.5 小结 86

参考文献 86

第5章 地基雷达干涉变形监测应用研究 89

5.1 IBIS系统监测精度研究 89

5.2 IBIS系统信号静杂波研究 92

5.2.1 静杂波相位分量 92

5.2.2 静杂波对变形相位的影响实验 93

5.3 海量SAR影像相干目标提取研究 96

5.3.1 相干系数阈值法初选 97

5.3.2 振幅离差指数阈值精选 97

5.3.3 相干目标选取实验与分析 97

5.4 稳定点加权大气延迟相位校正研究 102

5.4.1 稳定点加权校正法 103

5.4.2 稳定点加权大气校正实验 105

5.5 地基雷达变形监测应用研究 108

5.5.1 南京眼步行桥环境振动监测研究 108

5.5.2 大坝变形监测应用研究 112

5.6 小结 116

参考文献 117

第6章 总结 119

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    章 绪论

    1.1 研究的目的与意义

    合成孔径雷达干涉（synthetic aperture radar interferometry，InSAR）技术开辟了遥感技术应用于监测地表形变的先河（舒宁，2003）。InSAR 是传统的合成孔径雷达（SAR）遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物，机载、星载及地基SAR 都通过微波对地球表面主动成像，既可以记录地面分辨单元的雷达后向散射强度信息，又能记录与斜距有关的相位信息。通过对覆盖同一地区的两幅SAR 图像联合处理，提取相位差图即干涉图，可建立数字高程模型（digital elevation model，DEM）；特别是跨越形变时的两幅SAR 图像干涉处理得到的干涉图还包含了地表形变的信息，利用合成孔径雷达差分干涉（differential InSAR，DInSAR）技术可从中提取厘米甚至毫米级精度的地表形变信息（廖明生和林珲，2003），以揭示众多地球物理现象，如地震形变、火山运动、冰川漂移、地面下沉、山体滑坡及大型建筑物变形等。DInSAR 技术在监测地表形变方面具有高分辨率和连续空间覆盖的特点，是已有监测方法（如精密水准、GPS 等）所不具备的，且遥感探测形变覆盖面积大、成本低，因而DInSAR 技术被认为是极具潜力的空间对地观测新技术（刘国祥等，2000）。

    到2020 年，我国高速铁路运营里程预计将达到3 万km，大型桥梁数量多、分布广，桥梁结构的微小变形都会对行车安全性和舒适性造成影响（魏召兰，2012）。跨越大江大河和山谷的桥梁，在整个交通线路中起到关键作用。大型桥梁在工程建设时会安装结构健康监测系统，但是，①现有监测传感器主要采用单点监测方式，采集的结构现状数据空间密度低，且成本高；②传感器在恶劣环境下长期工作，易损难修，使监测系统功能缺失、效能降低，一般桥梁健康监测系统的实际寿命比桥梁本身寿命短很多。因此，有必要探索新的桥梁结构监测方法。利用InSAR 技术进行桥梁监测的优点主要有：①成本低，SAR 影像的大面积覆盖（100 km×100 km）可用较低的成本对全国大型桥梁进行遥测；②空间连续性好，InSAR 技术可用雷达影像像元（3 m×3 m）获取全桥空间连续的变形信息；③持续性好，InSAR 可用较高的时间分辨率（每周）长时间持续监测；④可回溯性，存档SAR 数据可对桥梁历史健康状况进行评估，对桥梁安全事故进行追溯。

    尽管InSAR 技术在形变监测方面表现出极大的潜力，并取得了一些成功的应用，但要使该技术接近走向实用化，还受到诸多因素的影响和制约。首先，时间和空间失相干噪声影响InSAR 变形监测的可行性，大大了其应用，尤其在长时间序列的城市沉降监测上，时间失相干会严重影响所获得的相位图的质量，从而影响监测的精度；其次，时间和空间上不断变化的对流层水汽引起的干涉条纹和短时间产生的微小形变混合在一起，难以区分，降低了DInSAR 变形监测的精度；另外，受可获取SAR 影像数量和空间分辨率的，InSAR 变形监测的时间和空间分辨率还难以满足实际应用的需要（葛大庆等，2008）。

    为发挥雷达干涉技术在变形监测方面的大面积覆盖和高精度优势，克服星载SAR 干涉技术存在的固有缺陷，专门针对变形监测应用的地基SAR 技术得到了广泛关注。地基SAR 技术是在星载SAR 基础上发展起来的，它将干涉平台从空中移至地面，能在几分钟内获取数平方千米的高精度、高空间分辨率SAR 影像，具有安置灵活、连续监测等优点，很好适合地形复杂、气候特殊的局部区域的实时灾害监测（周校等，2012）。

    综上所述，融合星载和地基雷达干涉变形监测技术，发挥两者的优点，研究运用雷达干涉变形监测技术对大型建（构）筑物进行变形监测，并诊断其健康状况，具有很好重要的现实意义。

    1.2 星载SAR 干涉研究进展

    1.2.1 星载InSAR 变形监测技术研究现状

    时空失相干和大气延迟是影响InSAR 技术提取地表变形的主要因素。为提高区域变形监测的精度和可靠性，克服时空失相干及大气延迟相位对传统InSAR 技术的影响，以较为散射体（Ferretti et al.， 2000，2001）和短基线法（Berardino et al.，2002）为代表的InSAR 时间序列分析法通过探测相干目标点的时空统计特性，获取监测点的变形信息，可有效减弱时空失相干和大气延迟的影响，极大地增强了SAR 干涉技术的应用；Xia 等（2004）针对人工地物稀少地区，提出了人工角反射器法（CR-InSAR）；而SqueeSAR（Ferretti et al.， 2011）和StaMPS（Hooper， 2008）通过结合PS 法和SBAS 法，可对分布式散射目标（distributed scatters，DS）进行有效监测；Zhang 等（2011）利用临时性相干目标（temporary coherence points，TCP）进行变形监测，不仅可以提高监测的空间密度，而且监测结果的可靠性也更高；根据大气延迟在空间尺度上表现的强相关性，Mora 等（2003）提出邻域差分组网法削弱大气延迟相位的思想，该方法可以降低大气延迟误差对形变估计的影响，同时避免了稀疏相位解缠（phase unwrap）的难题。考虑多余观测中干涉相位之差为2π 整数倍的特点，Monserrat（2012）提出了“2D+1”维相位解缠方法，该方法能有效探测并校正相位解缠的整周跳变。靠前的众多学者（刘国祥等，2007；李珊珊等，2013；黄其欢和何秀凤，2009；汤益先等，2006）针对PS 点的选取、格网组建、多源数据融合等进行了深入而广泛的研究，极大地推进了InSAR 技术的发展和应用。

    近几年，高分辨率SAR 影像使得对城市地物散射特征的研究更为细致，SAR干涉技术更多地偏向于重大工程和单体建筑物的精细监测（Nitti et al.， 2010；Kimet al.， 2008；Schunert and Soergel， 2012）。针对X 波段变形的高灵敏性，热膨胀参数也被增加到模型中。相关研究表明（Monserrat et al.， 2011；Fornaro et al.， 2013），对于建筑物、桥梁等单个大型建筑物的研究，即使是C 波段SAR 影像，也有必要考虑热膨胀影响。

    分析雷达视线（LOS）向位移的三维空间模型，利用三维方向上各分量之间的联系，融合多源SAR 影像联合求解三维变形也是InSAR 研究的热点之一（刘国祥等，2012；Fialko et al.， 2005；Zhu et al.， 2013）。然而，由于卫星几乎沿南北飞行，三维模型对南北方向的位移不敏感，降低了模型在该方向上获取形变信息的精度。陈强等（2015）建立了利用SAR 像素偏移量提取雷达方位向与距离向形变的误差模型，但该方法受匹配窗口尺寸与过采样因子的影响较大。

    InSAR 数据处理过程复杂，影响InSAR 变形监测结果的因素众多，如何评价监测结果的质量是InSAR 技术在实际应用中必须解决的问题。欧洲太空署和中国国土资源航空物探遥感中心等众多研究机构和学者（葛大庆，2013）开展了InSAR监测成果与地面测量成果的对比研究，但因两种监测成果的参考基准、时间同步、空间密度等不一致，目前主要从变形速率的一致性进行考虑，缺少一个系统的质量评价指标体系。

    近几年，由两个或更多卫星组成的SAR 星座逐渐“常态化”，如COSMOSkyMed、TerraSAR-X/TanDEM-X 及Sentinel-1 A/B 等，它们正源源不断地提供质量更高、应用更广泛的SAR 图像。为满足快速重访需要，地球同步轨道等非传统轨道SAR 理念逐渐被重视，随着SAR 卫星及传感器设计的创新，必将开创InSAR应用的第二春。

    综合靠前外文献，目前InSAR 变形监测技术的发展趋势及问题如下。

    1）多源SAR 数据融合

    发展趋势：尽可能多地收集同一区域多源SAR 数据，利用各平台SAR 影像单独建立数据处理模型，从中提取LOS 向或三维变形信息，并进行信息融合和交互验证。

    存在问题：一是难以完整收集到同一区域同时段的多源SAR 数据；二是海量SAR 影像的存储、管理问题；三是要对多源SAR 数据进行单独处理和建模，数据处理工作量大；四是各平台获取的形变信息的空间密度、时空分辨率、雷达视角、波长等参数的不一致，增大了信息融合的难度，影响了形变信息提取的精度和可靠性。

    2）高分辨率SAR 干涉

    发展趋势：利用时间序列高时空分辨率SAR 影像，对城市精细目标建立较为完备的模型，获取目标细部变形、热膨胀参数和目标高度，并将提取的信息准确投射到目标表面，直观地展示城市目标高度、变形、热膨胀等信息。

    存在问题：一是高分辨率SAR 商业化运作比例高，数据获取成本大；二是由于SAR 干涉处理采用的DEM 不包含地面建筑，干涉图相位梯度大，极易造成相位解缠错误；三是城区干涉图中高层建筑引起的叠掩、顶底倒置严重，给PS 点的相位解缠和准确定位带来困难。

    1.2.2 Sentinel-1 干涉技术研究现状

    Sentinel-1 卫星的IW（幅宽250km）和EW（幅宽400km）模式可用于干涉测量，因影像数据可免费获取，且具有质量高、幅宽广、重访周期短（很短6 天）等特点，使其成为近期InSAR 的研究热点。Sentinel-1 的TOPS 成像技术（Meta etal.， 2010；Scheiber et al.， 2014）很早被安装在TerraSAR-X 和RADARSAT-2 上。De Zan 和Monti-Guarnieri（2006）对TOPS 成像模式及干涉条件进行了分析；相关文献对burst 级别的干涉处理方法、TOPS 影像burst 之间的配准、方位向拼接、SD（spectral diversity）法和ESD（enhanced spectral diversity）法的配准精度等进行了研究。

    Prats-Iraola 等（2015）分析了轨道“管道”及其对干涉的影响，指出顺轨向轨道误差会导致burst 同步误差，必须予以校正，而Sentinel-1 轨道不平行导致的失相干可以忽略。Yague-Martinez 等（2016）讨论了IW 模式影像对配准的要求，指出要使得方位向的线性相位小于1/100 周（3.6°），配准精度要达到0.0009 像元，这相当于方位向同步时间1.9μs 或者1.3cm。González 等（2015）很早将Sentinel影像用于Fogo 火山监测，并与贝叶斯反演结果进行了对比。Crosetto 等（2012）进行PS 法时间序列分析，获取了Mexico DF 主城区变形时间序列及累积图，并就burst 级别干涉处理、PS 选点及相位解缠等进行了讨论。吴文豪等（2016）对TOPS 干涉的数据处理进行了较为深入的研究。Wen 等（2016）利用GAMMA 软件处理了升降轨Sentinel-1 数据，获取了2015 年中国皮山（Pishan）地震同震形变场。Sentinel-1 提取大面积变形信息的能力也在尼泊尔地震、美国纳帕谷地震及智利地震中得到了验证。

    综上所述，①Sentinel-1 TOPS SAR 影像干涉在变形监测方面的可行性已经得到验证，但利用TOPS 影像进行时间序列分析的研究还很少；②基于Sentinel-1影像的时间序列变形监测数据处理流程与其他SAR 影像基本一致；③Sentinel-1干涉处理的关键是高精度影像配准，从而消除配准误差导致的方位向相位梯度，便于burst 之间的拼接；④针对整景影像的干涉处理目前有两种思路：一种思路是优选行burst 级别的干涉处理，然后计算burst 的重叠区域的

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书籍介绍

本书系统地介绍了作者近几年在星载和地基雷达变形监测方面的研究成果，雷达干涉测量技术是近几十年空间对地观测的重要手段，本书结合星载和地基雷达遥测技术，研究星、地雷达干涉变形监测的数据处理理论和方法，并将该技术应用于大型工程变形监测，对提高工程灾害监测和预警水平具有重要的现实意义。