城市重大工程区高分辨率永久散射体雷达干涉地表形变监测

【摘要】随着城市的快速发展,高层建筑、轨道交通、高铁、高架道路等重大工程成为维系城市功能的基础性工程,为了避免和减少地面沉降对其造成影响和危害,亟需一种科学、高效的监测手段。近年来,差分合成孔径雷达干涉测量(D-InSAR)技术在地表形变监测中的应用发展很快。特别是以永久散射体干涉测量(PSI)方法为代表的D-InSAR时序分析方法,极大增强了D-InSAR技术在城市地面沉降监测中的应用能力。随着新型高时空分辨能力的雷达卫星不断发射升空,使得利用高分辨率PSI技术进行城市重大工程区的精细形变监测成为可能,但在实际应用中还存在较多问题。最主要的困难是在缺乏高精度城市数字地表模型(DSM)条件下,如何解决建筑物和背景地物之间在长基线条件下形成的高相位梯度问题。另外,如何更好的对雷达坐标表示的高分辨率城市地区PS点群进行可视化也是需要考虑的问题。针对上述问题,本文开展了城市重大工程区高分辨率PSI地表形变监测关键技术研究,取得以下主要成果：(1)对PSI差分相位建模和时域相位解缠策略上进行改进,提出了长短基线迭代组合的PSI解算方法。实验结果表明本文提出的方法能显著抑制高相位梯度对高程和形变提取结果的影响,具备城市大范围高层建筑密集区高程和形变监测的能力。(2)对传统的PS点构网方式进行改进,提出了建筑物和背景地物分离构网的PSI解算方法。与长短基线迭代方法相比,该方法能够有效监测建筑物细微的形变特征,提高单体建筑形变监测的细节精度。但受限于分离技术,更适用于小范围内独立建筑物的精细监测。(3)采用基于距离多普勒(R-D)定位模型的几何粗校正和以SPOT5为参考影像的几何精校正方法对PS点进行地理编码。实验表明,在x和y两个方向上的误差分辨单元都控制在1个像元以内,能够满足PS点地理编码的精度要求。另外,提出了独立建筑物上PS点的高程恢复算法,在ArcGlobe平台实现了PS点三维可视化。(4)采用长短基线迭代的PSI方法对上海中心城区进行地表形变分析,结果表现出由大规模工程建设引起的沉降“小漏斗”特征,获得的结果与水准地面测量结果基本吻合。与ENVISAT获取的沉降结果对比分析,发现两者在城市地面沉降中心识别和监测能力上存在一致性,但是,由于CSK的点位密度更高,对沉降中心的最大沉降量监测更为准确。对地面沉降与城市建设相关分析表明,不断增加的建筑物载荷和地铁建设对地面沉降的贡献不容忽视。(5)采用建筑物和背景地物分离的PSI方法对上海地铁10号线建设沿线的3栋高层建筑进行了精细监测,并实现了独立建筑物四维信息的表达。实验结果表明,与低层建筑物相比,高层建筑沉降不明显,受地铁开挖影响较小。本文的主要创新点有：(1)提出长短基线迭代组合的PSI方法,为城市建筑密集区大范围的地表形变监测提供了新的途径。(2)提出建筑物和背景地物分离的PSI方法,为小范围内独立建筑物的精细监测提供了新的方法。(3)利用R-D定位模型和参考影像的几何校正方法对PS点进行地理编码,提高了PS点地理编码的精度。提出独立建筑物上PS点的高程恢复算法,实现了PS点的三维可视化展示,从而更容易发现建筑体形变规律。
【作者】周立凡；
【导师】潘德炉；张登荣；
【作者基本信息】浙江大学，地图学与地理信息系统，2014，博士
【关键词】城市重大工程区；高分辨率；永久散射体干涉雷达技术；地表形变；建筑物；高相位梯度；三维可视化；

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