差分干涉雷達(dá)測量技術(shù)中水汽延遲改正方法研究.pdf

1、近些年來，我國災(zāi)害頻發(fā)，地震、地面沉降、滑坡、泥石流等，嚴(yán)重威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。為保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的順利實(shí)施和建立以人為本的和諧社會，我國持續(xù)在全國范圍內(nèi)實(shí)施了地質(zhì)災(zāi)害大調(diào)查以及防治項(xiàng)目。InSAR作為一種大范圍內(nèi)災(zāi)害監(jiān)測的有效手段在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮了重要的作用。然而由于大氣水汽的存在，當(dāng)雷達(dá)信號穿過大氣層時，會導(dǎo)致信號傳播路徑的延遲和以及傳播速度的減緩，使得我們的觀測相位具有一個附加的延遲量，即大氣延遲相位，從而影響了I

2、nSAR的監(jiān)測精度，限制了其在滑坡、危巖體等高精度形變監(jiān)測要求災(zāi)害中的應(yīng)用。尤其是滿足高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的地鐵、高鐵建設(shè)，更是迫切需要獲取大范圍內(nèi)地鐵、高鐵沿線高精度的地表形變信息，因此研究如何改正InSAR中大氣延遲誤差提高大范圍InSAR的監(jiān)測精度，不僅對拓展InSAR應(yīng)用范圍和監(jiān)測能力具有重要意義，而且也是積極發(fā)揮InSAR在地質(zhì)災(zāi)害大調(diào)查及經(jīng)濟(jì)建設(shè)中重要作用所面臨的一個急需解決的問題！
　　 本文針對InSAR中大氣延遲問

3、題，從兩方面展開了大氣延遲改正理論和方法的研究，即基于外部數(shù)據(jù)MODIS、GPS、ECMWF等的大氣延遲改正的理論方法研究，和基于SAR影像自身的大氣延遲改正方法研究。詳細(xì)討論了各種數(shù)據(jù)改正SAR影像中大氣延遲的基本理論和方法，并提出了相關(guān)新算法，通過對各類方法的實(shí)例研究得到了一些有益結(jié)論。
　　 通過研究，本文取得了以下主要成果及創(chuàng)新：
　　 1)針對MODIS水汽反演算法受各種反射誤差的影響而使得MODIS反演水汽值

4、存在誤差的問題，本文利用西安地區(qū)的GPS和MODIS晴空數(shù)據(jù)，研究了MODIS水汽產(chǎn)品的誤差糾正模型，同時還研究建立了濕延遲ZWD與可降水汽值PWV之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系與系數(shù)Π。研究指出由MODIS獲取的水汽值比GPS水汽值要大，兩者間約存在1.127倍的關(guān)系且與高程無關(guān)；考慮了季節(jié)性變化的轉(zhuǎn)換系數(shù)Π精度較高，針對西安地區(qū)Π值夏季采用6.0，冬季采用6.52較為合適。
　　 2)研究了利用MODIS水汽改正InSAR中大氣延遲相位的方

5、法，針對云污染情況下的像素插值問題進(jìn)行了討論，通過不同情況的大氣延遲改正實(shí)例，證明了MODIS糾正大氣延遲的能力和程度，同時指出當(dāng)大氣狀態(tài)變化較大時，用MODIS數(shù)據(jù)改正甚至?xí)胗^測誤差，因此利用MODIS數(shù)據(jù)改正D-InSAR結(jié)果須謹(jǐn)慎。
　　 3)針對利用GPS改正InSAR中大氣延遲相位中的空間插值問題，本文提出了顧及地形影響的GPS濕延遲插值算法和顧及地形因素的Kriging插值新算法(IKriging)，研究表明，本

6、文提出的兩種插值新算法相比傳統(tǒng)的Kriging和IDW插值方法，更能夠反映地形對大氣分布的影響，且更能夠反映大氣的細(xì)節(jié)信息。同時本文提出的IKriging方法，還可使用于多影響因素的插值應(yīng)用。
　　 4)ECMWF數(shù)據(jù)用于InSAR大氣延遲改正面臨其空間分辨率和時間分辨率過低的限制，本文針對其空間分辨率較低的缺點(diǎn)，研究建立了基于邊界層伸縮模型SBLM的ECMWF空間加密的模型算法，推導(dǎo)了相關(guān)公式，并編制了相應(yīng)的軟件。利用歐洲大陸

7、夏季連續(xù)兩個月5600多個采樣點(diǎn)的GPS水汽和地表溫度、氣壓數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明SBLM計(jì)算得到的PWV、P和T與GPSPWV以及地面觀測氣壓、溫度之間相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.94、0.99和0.95，模型精度分別為2.38mm、2.97hpa和2.42K。對SBLM特性研究表明，相對于緯度，高程變化的對模型精度影響更大。將SBLM模型應(yīng)用于太原盆地兩對條幅干涉相位的大氣延遲改正，發(fā)現(xiàn)ECMWF可以改正結(jié)果中部分地形相關(guān)延遲相位和長

8、波相位，糾正幅度分別達(dá)28％和43％。
　　 5)針對無可用外部數(shù)據(jù)情況的大氣延遲改正，本文提出了單幅差分干涉圖中的大氣糾正算法，并用Akaike信息準(zhǔn)則研究了地形相關(guān)濕延遲的模型顯著水平，指出相比于線性模型，指數(shù)函數(shù)模型更符合差分延遲相位與地形回歸關(guān)系。為避免噪聲對差分延遲相位與地形回歸模型的影響，本文提出了分段中位數(shù)(SMM)特征點(diǎn)選取方法，簡化并精化了回歸模型。該方法用于實(shí)際數(shù)據(jù)的大氣延遲糾正實(shí)驗(yàn)表明，改正效果明顯，改正幅

9、度達(dá)到70％以上。在沒有任何外部數(shù)據(jù)輔助數(shù)據(jù)用于大氣延遲相位改正時，該法為單幅干涉圖的大氣相位改正提供了思路。
　　 6)首次研究和評價(jià)了InSAR時間序列分析方法中分離大氣相位的可靠性及改正效果。研究表明InSAR時間序列分析方法分離出大氣延遲相位與高程具有一定的相關(guān)性，符合大氣延遲在空間上的分布特征。研究指出大氣延遲改正前后，形變量最大改正幅度可達(dá)10mm，且對分離大氣進(jìn)行改正后的形變序列結(jié)果相對平滑。PS-InSAR和SB