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InSAR技術原理及實踐 版權信息
- ISBN：9787030702135
- 條形碼：9787030702135 ; 978-7-03-070213-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
InSAR技術原理及實踐 本書特色
適讀人群 ：高等院校、科研院所測繪、遙感、地質災害、資源調查和地球物理等專業的本科生、研究生，相關專業的研究人員和工程技術人員本書側重InSAR 技術的理論和方法，給出大量的實際案例展示這些理論和方法的應用效果及應用條件， 同時給出了國內外知名的GAMMA 軟件的指導教程，供讀者在實際工作中參考，本書也可作為高校的實習教材
InSAR技術原理及實踐 內容簡介
本書主要介紹InSAR數據處理原理及其GAMMA軟件操作。書中首先介紹SAR干涉測量和差分干涉測量原理，詳細描述InSAR函數模型。結合函數模型詳細分析了時間序列InSAR技術原理。結合GAMMA軟件詳細介紹InSAR數據處理流程，具體包括：InSAR獲取DEM、2/3/4軌差分干涉獲取地表形變、小基線集技術（SBAS）監測地表形變和干涉點目標分析技術（IPTA）獲取地表形變
InSAR技術原理及實踐 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 SAR技術發展概況 1
1.2 InSAR技術發展概況 4
1.3 InSAR技術模式 7
1.4 InSAR技術應用領域 9
第2章 SAR基本理論 11
2.1 雷達概述 11
2.2 側視雷達 15
2.3 星載SAR成像模式 20
2.4 SAR影像的幾何特征 26
2.5 SAR影像的統計特征 29
第3章 InSAR技術基本原理 33
3.1 InSAR技術的物理背景 33
3.2 InSAR技術基本原理 35
3.3 干涉相位成分分析 37
第4章 InSAR技術數據處理方法 45
4.1 影像配準 45
4.2 干涉圖和相干圖生成 52
4.3 干涉圖濾波 53
4.4 相位解纏 62
4.5 地理標碼 74
第5章 干涉相位相干性分析 76
5.1 相干性及相干分解分析 76
5.2 大氣效應及其相位特性 82
第6章 InSAR干涉基線 91
6.1 基線的概念及不同表達形式 91
6.2 極限基線和*優基線 93
6.3 InSAR基線計算方法 94
6.4 InSAR基線誤差 102
第7章 D-InSAR技術原理 113
7.1 二軌法差分干涉測量 113
7.2 三軌法差分干涉測量 114
7.3 四軌法差分干涉測量 115
7.4 D-InSAR案例分析 116
第8章 永久散射體識別方法 120
8.1 時間序列SAR強度影像的輻射校正 121
8.2 時間序列相干系數閾值法 124
8.3 振幅離差指數閾值法 126
8.4 StaMPS永久散射點選擇方法 129
8.5 基于子視光譜屬性的相干目標點探測方法 131
8.6 本章小結 139
第9章 時間序列InSAR分析方法 140
9.1 Stacking技術 140
9.2 *小二乘法 141
9.3 PS-InSAR技術 142
9.4 SBAS技術 156
第10章 高分辨率時間序列InSAR技術 159
10.1 PS點抽稀方法 159
10.2 改進的高分辨率時間序列InSAR技術 168
10.3 案例分析 174
10.4 本章小結 182
第11章 InSAR形變監測精度評定 183
11.1 內符合精度評定 183
11.2 外符合精度評定 184
11.3 案例分析 186
11.4 本章小結 188
第12章 地基干涉雷達測量技術 190
12.1 引言 190
12.2 地基雷達系統 190
12.3 地基干涉雷達技術原理 196
12.4 地基干涉雷達誤差源 202
12.5 多基線獲取地形原理 214
12.6 時間序列地基干涉雷達影像處理方法 216
第13章 GAMMA軟件操作指南 225
13.1 GAMMA軟件介紹 225
13.2 GAMMA軟件安裝 225
13.3 認知SAR影像 233
13.4 地理編碼 245
13.5 D-InSAR獲取地震形變 252
13.6 SBAS技術獲取鄭州市地表形變 263
13.7 IPTA技術獲取滑坡形變 278
參考文獻 297
前言
第1章 緒論 1
1.1 SAR技術發展概況 1
1.2 InSAR技術發展概況 4
1.3 InSAR技術模式 7
1.4 InSAR技術應用領域 9
第2章 SAR基本理論 11
2.1 雷達概述 11
2.2 側視雷達 15
2.3 星載SAR成像模式 20
2.4 SAR影像的幾何特征 26
2.5 SAR影像的統計特征 29
第3章 InSAR技術基本原理 33
3.1 InSAR技術的物理背景 33
3.2 InSAR技術基本原理 35
3.3 干涉相位成分分析 37
第4章 InSAR技術數據處理方法 45
4.1 影像配準 45
4.2 干涉圖和相干圖生成 52
4.3 干涉圖濾波 53
4.4 相位解纏 62
4.5 地理標碼 74
第5章 干涉相位相干性分析 76
5.1 相干性及相干分解分析 76
5.2 大氣效應及其相位特性 82
第6章 InSAR干涉基線 91
6.1 基線的概念及不同表達形式 91
6.2 極限基線和*優基線 93
6.3 InSAR基線計算方法 94
6.4 InSAR基線誤差 102
第7章 D-InSAR技術原理 113
7.1 二軌法差分干涉測量 113
7.2 三軌法差分干涉測量 114
7.3 四軌法差分干涉測量 115
7.4 D-InSAR案例分析 116
第8章 永久散射體識別方法 120
8.1 時間序列SAR強度影像的輻射校正 121
8.2 時間序列相干系數閾值法 124
8.3 振幅離差指數閾值法 126
8.4 StaMPS永久散射點選擇方法 129
8.5 基于子視光譜屬性的相干目標點探測方法 131
8.6 本章小結 139
第9章 時間序列InSAR分析方法 140
9.1 Stacking技術 140
9.2 *小二乘法 141
9.3 PS-InSAR技術 142
9.4 SBAS技術 156
第10章 高分辨率時間序列InSAR技術 159
10.1 PS點抽稀方法 159
10.2 改進的高分辨率時間序列InSAR技術 168
10.3 案例分析 174
10.4 本章小結 182
第11章 InSAR形變監測精度評定 183
11.1 內符合精度評定 183
11.2 外符合精度評定 184
11.3 案例分析 186
11.4 本章小結 188
第12章 地基干涉雷達測量技術 190
12.1 引言 190
12.2 地基雷達系統 190
12.3 地基干涉雷達技術原理 196
12.4 地基干涉雷達誤差源 202
12.5 多基線獲取地形原理 214
12.6 時間序列地基干涉雷達影像處理方法 216
第13章 GAMMA軟件操作指南 225
13.1 GAMMA軟件介紹 225
13.2 GAMMA軟件安裝 225
13.3 認知SAR影像 233
13.4 地理編碼 245
13.5 D-InSAR獲取地震形變 252
13.6 SBAS技術獲取鄭州市地表形變 263
13.7 IPTA技術獲取滑坡形變 278
參考文獻 297
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InSAR技術原理及實踐 節選
第1章 緒論 近些年發展起來的合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術具有全天時、全天候的特點，可以從空間直接獲取大范圍、高精度的地表高程和形變信息。InSAR技術已經成為目前發展迅速、極具潛力的新型對地觀測及測繪技術，成為各國地學界研究的熱點之一。本章首先簡要回顧合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)技術、InSAR技術的發展現狀，*后描述InSAR技術模式和應用現狀。 1.1 SAR技術發展概況 雷達即無線電探測與測距。早期的雷達系統由軍方研制，主要用于探測和追蹤目標(飛機和船只等)，這些雷達系統不產生影像。20世紀50年代初期，出現了機載側視雷達(Side-looking Airborne Radar，SLAR)系統，其主要用于軍事偵察，直到60年代中期，高分辨率SLAR影像才被解密用于科學研究。 SAR技術的研究*早開始于20世紀50年代初，1951年美國Goodyear公司的Carl Wiley提出采用頻率分析方法改善雷達的方位向分辨率，為SAR的發展奠定了理論基礎。與此同時，伊利諾伊大學控制系統實驗室證實了該理論，并于1952年成功研制了**個實用化的SAR系統，1953年7月采用非聚焦合成孔徑方法獲取了**幅機載SAR影像。在此基礎上，美國密歇根大學雷達和光學實驗室成功研制了**個X波段的機載SAR系統，并于1957年8月進行了飛行試驗，獲取了**幅大面積聚焦的SAR影像。SAR的出現，不僅提高了雷達探測與測距的精度，更為重要的是它提供了目標成像的一種新途徑，因而SAR技術廣泛地應用到遙感、測繪、林業制圖等領域。從此，SAR得到了世界的廣泛認可并引起眾多學者的關注。 1978年，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Adminis-tration，NASA)發射了世界上**顆搭載SAR系統的衛星SEASAT-A，空間分辨率為25m，超過了同期專題制圖儀(Thematic Mapper，TM)圖像的空間分辨率(30m)，不受云霧的影響，具有全天時、全天候的工作能力，引起了遙感領域科研工作者的廣泛關注。SEASAT-A的成功發射標志著SAR已進入太空對地面觀測的新時代。此后，很多國家相繼成功研制了自己的星載SAR系統，表1-1列出了國際上主要的星載SAR系統及其參數。這些SAR系統的成功運營，獲取了大量的對地觀測數據，在全球范圍掀起SAR研究與應用的熱潮。 表1-1 國際上主要的星載SAR系統及其參數衛星 隨著SAR理論和技術水平的不斷進步，SAR應用技術和應用領域的不斷發展與拓寬，星載SAR系統正朝著高分辨率寬幅、多極化、多平臺和高維成像方向發展。 1)高分辨率寬幅 隨著科學技術的進步和遙感應用的多樣化，人們希望通過SAR系統獲取大范圍、精細化信息。這就要求SAR系統同時具備高分辨率與寬幅成像的能力。然而，受制于*小天線面積約束，傳統單相位中心SAR系統難以實現分辨率與幅寬的同時提升。 人們為了滿足對SAR影像高分辨率的要求，提出了聚束模式 SAR(Spotlight SAR)成像與滑動聚束模式SAR(Sliding Spotlight SAR)成像，通過控制天線波束的指向增加對目標區域的觀測時間，從而提高SAR影像方位向分辨率。然而，高分辨率需要大的脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency，PRF)來避免方位多普勒模糊，從而限制了成像的測繪帶寬。因此，這兩種成像模式是以減小測繪帶寬為代價來提高方位分辨率的。另外，人們為了滿足對SAR影像寬幅的要求，提出了掃描模式SAR(ScanSAR)成像與循序掃描地形觀測SAR (Terrain Observation by Progressive Scans SAR，TOPS SAR)。然而，這兩種間歇性的掃描模式使得方位向的合成孔徑時間變短，導致方位向分辨率降低。因此，這兩種工作模式是以降低方位分辨率為代價來增加距離測繪帶寬的。 為解決方位高分辨率與距離寬測繪帶之間的矛盾，提出了方位多通道結合數字波束形成 (Digital Beam Forming，DBF)技術，該技術可以有效突破傳統單通道 SAR 系統受到的*小天線面積的限制。該DBF技術是利用方位向的空間自由度解決采用低于回波多普勒帶寬的PRF造成的多普勒模糊，從而實現高分辨率寬測繪帶(High Resolution and Wide Swath，HRWS) SAR 成像。目前，星載HRWS SAR系統有德國的TerraSAR-X、加拿大的RADARSAT-2、日本的ALOS-2和歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的Sentinel-1等。 2)多極化SAR 多極化SAR系統通過測量目標場景中每個分辨單元內的散射回波，獲取該單元內可以用來完全描述目標散射特性的回波的幅度和相位信息，通過調整收發電磁波的極化組合形式獲取場景目標的全部極化散射特征，極大地提高了成像雷達對目標信息的獲取能力，在災害評估、國民經濟發展及軍事等眾多領域都有廣闊的應用前景。自2007年以來，德國的TerraSAR-X、加拿大的RADARSAT-2、日本的ALOS-2、意大利的COSMO-SkyMed和中國的高分三號等新型全極化SAR系統出現，為多極化SAR的發展帶來了新的機遇。一方面，全極化方式能夠大大提高地物檢測與識別能力；另一方面，極化干涉技術可以同時獲取觀測目標的空間三維信息和散射信息，可以分解處于不同高度上的散射機制類型，在獲取森林地形和樹木高度等方面具有重要的應用價值。 3)多平臺SAR 傳統單一平臺SAR電磁波的發射與接收由同一部雷達完成，多平臺SAR是指電磁波的發射和接收由位于不同空間位置的兩部或者兩部以上的雷達完成，也稱為分布式SAR。與單一SAR系統相比，多平臺SAR系統具有隱蔽性好、安全性高、抗干擾能力強的特點，而且系統的靈活性好，在高分辨率寬幅成像、干涉測量和動態目標檢測等方面具有明顯的優勢。通過多個SAR系統，可以縮短重訪周期，提高SAR數據獲取的時效性；另外，還可以聯合不同視角的SAR系統獲取地表三維形變信息。雙站SAR系統作為多平臺SAR系統的一種*簡單形式，成為近年來SAR領域研究的熱點。目前，德國的TanDEM-X和TerraSAR-X為雙站SAR系統。 4)高維成像能力 InSAR技術在SAR基礎上利用兩副天線從不同角度對同一地區進行成像，根據得到的兩景SAR圖像相位差來提取地表高程信息，實現對地表物體的三維成像。但InSAR系統獲取的三維圖像實際上是三維表面圖像，無法確定同一距離-方位單元內的不同散射點的高度分布，不具有高度維幾何分辨率，只能用來測量高程。近些年發展起來的多基線層析SAR是單基線InSAR技術的延伸，垂直于視線的方向上依次增加多個基線，在層析向上合成一個大孔徑，其具有高度維幾何分辨率，從而實現目標高精度三維成像。隨著SAR三維成像技術的不斷發展與完善，多基線層析SAR在國防軍事、自然環境監測和國民經濟等很多領域發揮著越來越重要的作用。 1.2 InSAR技術發展概況 InSAR技術是利用同一地區的兩景SAR數據中的相位信息來提取地表三維信息，其*初用于對金星和月球的地形觀測中(Rogers and Ingalls，1969)。1974年，Graham提出運用InSAR技術進行地形測量的技術原理，首次演示了InSAR用于地形測量的可行性，并制作了**臺用于三維形變測繪的機載InSAR系統。此后未見有關InSAR技術的報道，直到1986年噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Zebker和Goldstein首次利用航空側視雷達獲取了舊金山地區的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。1988年，Goldstein等把機載InSAR技術用在SEASAT衛星觀測數據處理中，以死亡谷（Death Valley）地區為例，得到的地形圖和美國地質調查局發布的結果非常一致。同年，Gabriel和Goldstein等又將該技術進行修正用到SIR-B數據處理中。 1989年，噴氣推進實驗室的Gabriel等首次提出差分合成孔徑雷達干涉測量(Differential Interferometric SAR，D-InSAR)技術，并將其用于監測地表微小形變，采用SEASAT L波段SAR數據獲取了美國加利福尼亞東南部的因皮里爾河谷（Imperial Valley）灌溉區的地表形變。1993年，Massonnet等利用ERS-1 SAR數據成功獲取了1992年Landers地震的形變場，并取得與地震模型一致的結果，相關研究成果發布在Nature上，引起國際地震界的關注。這些早期的研究成果極大地鼓舞和推動了InSAR技術的發展。隨后國際上諸多學者在D-InSAR原理、模型試驗、計算方法、軟件開發和實際應用等方面開展了大量的工作，并取得了重大進展，D-InSAR技術被廣泛地應用于地震、火山、滑坡及地表沉降等方面的監測與物理模型反演中。 2000年2月11日，美國“奮進”號航天飛機搭載雷達地形測繪(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)系統獲取了60°N～56°S的SAR數據。該系統通過加載一個60m可伸縮長臂將一部X波段和一部C波段天線伸出艙外，和艙內的主天線構成了雙天線InSAR系統，如圖1-1所示，采用InSAR技術生產出覆蓋全球陸地表面80%的DEM產品，該產品平面分辨率30m×30m，相對高程精度為6m，絕對高程精度16m，被譽為是與“建立人類基因庫相并列的偉大工程”。 圖1-1 SRTM系統結構 大量研究表明，在利用D-InSAR技術進行長時間的地表微小形變監測中，受時間和空間失相干及大氣延遲等因素干擾，該技術適合在特定區域監測大形變(如同震形變場、油田形變等)。隨著SAR系統的發展，同一地區積累了大量的SAR數據，對這些數據進行研究發現，某些點(人工建筑、裸露巖石等)的觀測值在長時間序列中仍能保持高相干性，利用這些高相干點的干涉信息，國內外學者開展了時間序列InSAR技術的研究。 1999年意大利Usai和Klees利用時間序列SAR數據集，依據短時空基線組合原則，獲取高相干點的干涉相位，構建時間和干涉相位的函數模型，采用*小二乘方法求解形變信息，獲得了和地面監測手段一致的結果。該方法中的函數模型沒有估計DEM誤差和大氣延遲相位的影響，得到的是一個整體意義上的*優解，得到的結果精度有限。但是該方法是永久散射體合成孔徑雷達干涉測量(Permanent Scatterers InSAR，PSInSAR)技術和小基線集(Small Baseline Subsets，SBAS)技術等時間序列InSAR的理論基礎。 2001年，Ferretti等提出了PS-InSAR技術，對同一地區的時間序列SAR數據通過統計分析探測出高相干點(即PS點)，通過離散PS點建模分析，可以減弱大氣延遲的影響，并精確分離出地表形變和高程信息。 2002年，Berardino等提出了SBAS技術，通過選取短時空基線干涉對，限制了長時空基線導致的失相干問題，與PS-InSAR技術相比，SBAS技術選取更多的干涉對參與計算，依據時間序列中的高相干點的干涉相位，建立形變模型。由于干涉相位中存在相干觀測，故采用奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方法求解形變信息和高程改正量。該方法需要對SAR數據進行多視處理，故多用于大范
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