基于Sentinel-1A影像的MT-InSAR城市地表沉降监测研究

摘要

城市地面沉降是世界范围内主要的工程地质问题之一，地面沉降会造成建筑物、道路和桥梁等的损坏，严重影响着人类的生活生产活动。因此，对城市地区地表进行形变识别和监测对于确定容易出现地质灾害的城市脆弱地区具有重要意义，这是城市可持续规划和减灾的关键因素。星载合成孔径雷达（InSAR）作为近年来迅速发展的一种对地观测技术已经成为城市地面沉降监测的重要手段。在InSAR技术的基础上发展而来的多时相InSAR（multi-temporal InSAR，MT-InSAR）方法使用同一研究区域内的多幅SAR影像对时间序列上相位稳点目标进行分析，极大降低了传统InSAR技术中的测量误差，可以得到毫米甚至厘米级的监测精度，满足城市地表大范围、长时间、高精度的连续监测的要求。同时，Sentinel-1A号卫星的发射为对地观测提供了更短的访问周期和更大的覆盖范围，再加上其数据免费，为我们研究地表形变提供了更多的机会。基于以上论述，本文的主要研究内容包括：
　　（1）详细阐述了InSAR技术和MT-InSAR技术的基本理论，重点阐述了MT-InSAR技术的两种具有代表性的算法：PS-InSAR和斯坦福永久散射体干涉方法（Stanford method for persistent scatterers algorithm，StaMPS）。同时对MT-InSAR技术在城市地表监测应用中的关键问题进行了总结与分析。另外还分析了Sentinle-1A卫星TOP模式的SAR影像在干涉处理中的解斜、配准等问题。
　　（2）以武汉市为例，利用MT-InSAR技术对武汉市2017年3月至2018年1月期间的地表进行了沉降监测，研究数据使用欧空局Sentinel-1A卫星所提供的20景升轨影像。实验结果表明，武汉市整体比较稳定，有局部地区沉降量过大，就分布而言中部大部分地区和周边山区沉降量比较稳定，主城区内出现多个沉降漏斗。武汉市年均沉降速率在20mm/year左右，最大的累计沉降量达到40mm。其中较大的沉降漏斗位于汉江区、汉阳区和洪山区。通过对实验结果进行内、外符合精度的评定，发现利用MT-InSAR技术和Sentinel-1A数据能够满足城市地面监测的精度要求，可用于城市地表沉降监测。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 SAR卫星研究现状

1.2.2 MT-InSAR技术研究现状

1.3 本文的研究内容

2 InSAR形变监测基本原理

2.1 InSAR技术

2.1.1 InSAR成像原理

2.2 D-InSAR技术

2.2.1 D-InSAR技术基本原理

2.2.2 D-InSAR技术数据处理流程

2.2.3 D-InSAR误差分析

2.3 本章小结

3 MT-InSAR技术与Sentinel-1A数据

3.1 MT-InSAR技术在地面沉降监测中的应用

3.1.1 PS-InSAR基本理论

3.1.2 StaMPS基本理论

3.1.3 MT-InSAR在地表监测应用中的问题

3.2 Sentinel-1A卫星及其数据

3.2.1 Sentinel-1A卫星

3.2.2 TOP SAR模式

3.3 本章小结

4 实验与分析

4.1 研究区概况与形变监测现状

4.2 数据集及处理方法

4.2.1 研究区数据集

4.2.2 数据集处理方法

4.3 实验结果

4.3.1 研究区沉降速率图

4.3.2 实验验证与精度评定

4.4 研究区沉降原因分析

4.4.1 地质因素对城市地面沉降的影响

4.4.2 地面荷载对城市地面沉降的影响

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要成果及结论

5.2 未来展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间主要成果