城市地區(qū)形變測量中的多源傳感器四維SAR層析成像項目摘要

目前蓬勃發(fā)展的PS-InSAR技術(shù)可以應(yīng)用于快速大范圍沉降監(jiān)測。它克服了大氣效應(yīng)及時間去相干因素的影響，但仍無法克服信號疊掩問題。而對于高層建筑密集、信號疊掩問題嚴(yán)重的城區(qū)，只能采用D-TomoSAR技術(shù)進(jìn)行高精度的城市四維測圖，在提取高精度形變信息的同時，也可以分離每個像元內(nèi)信號重疊的多個散射體目標(biāo)。.D-TomoSAR的基本原理是利用視角不同的多幅SAR影像來重建高程方向的反射函數(shù)，由這些反射函數(shù)來分離每個像元內(nèi)信號重疊的多個散射體，并估算每個散射體的高程、反射量及形變速率等參數(shù)，從而實現(xiàn)真正意義的高精度城市四維測圖。.通過對不同軌道獲取的TomoSAR數(shù)據(jù)集的融合，可以填補(bǔ)因信號遮擋造成的數(shù)據(jù)空洞、提高總體形變監(jiān)測精度。不同傳感器數(shù)據(jù)集之間的融合可以提高時間分辨率、延長形變監(jiān)測時間、提高新舊傳感器數(shù)據(jù)的利用率。因此，城市地區(qū)多源傳感器四維SAR層析成像具有廣闊的發(fā)展前景。

TomoSAR技術(shù)可以在所謂的高程方向上重建三維反射剖面，因此也可以被應(yīng)用到城市的真實3D重建上。在城市地區(qū)，通過使用決定性的點狀散射體，即在一個可能有0-4個散射中心的分辨率單元內(nèi)，假設(shè)僅僅存在一個主散射體，以此來提升層析重建效果。在這樣的假設(shè)下，其獲取的結(jié)果和以主散射體點云為結(jié)果的PS-InSAR處理效果是相當(dāng)?shù)?，但是層析重建具有額外的能夠在高程上分辨多個散射體單元的能力優(yōu)勢。 獲取層析重建的方法有若干個，然而，一般說來其高程向分辨率都取決于獲取數(shù)據(jù)的基線長度而且一般都很低。但是，基于壓縮感知技術(shù)，要取得超分辨率能力是可能的。不過，基于壓縮感知的方法通常需要密集的計算，在處理大型場景時往往要使用超級計算機(jī)。通過TWIST方法，我們開發(fā)了一種基于壓縮感知，在消耗的計算時間較少的情況下能夠獲取超分辨率能力的層析技術(shù)。盡管其獲取的高程向分辨率低于其他基于壓縮感知的方法，比如BP，我們現(xiàn)在幾乎可以和基于傳統(tǒng)SVD方法的技術(shù)一樣的速度獲取超分辨率效果，這對于城市地區(qū)TomoSAR處理是一個長足的進(jìn)步。 隨著越來越多的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，在一個興趣區(qū)域獲取不止一個的數(shù)據(jù)集已經(jīng)不是罕見的現(xiàn)象了。想要充分利用這些信息需要將處理結(jié)果進(jìn)行融合，要么是PS-InSAR要么是TomoSAR，這樣做的目的是在空間上組合這些數(shù)據(jù)棧，從而可以從兩個獨立處理的一維視向形變估計獲得更為完整和密集的真實3D形變向量。 然而，盡管這樣的點云融合所需的步驟是明確的，在現(xiàn)實中，這并不總是很容易實現(xiàn)。在非常密集的城市地區(qū)，尤其在中國的城市更為常見和典型，數(shù)據(jù)的融合比處理那些密度不算很大的城市，如說像拉斯維加斯，或者更少的高層建筑，比如柏林，要更為困難。許多中國城市的密度和大量的摩天大樓區(qū)域使得同明點的識別非常困難。在某些區(qū)域并沒有同名點，由于遮蔽現(xiàn)象的存在。然而，即使在這種情況下，我們的二維圖像互相關(guān)方法仍然可以進(jìn)行粗匹配，但在這樣的極端情況下，精匹配變得十分困難。

為了研究地殼運動，以監(jiān)視地震活動，地形變測量工作主要是在活動構(gòu)造帶、多震地區(qū)和具有一定潛在地震危險的重點地區(qū)，以及大型水庫區(qū)等要害地區(qū)進(jìn)行的。其測量周期遠(yuǎn)比大地測量周期短，并經(jīng)常視需要進(jìn)行加密觀測，還特別注意大地震前后的及時測量。

地殼形變觀測工作主要從如下幾方面進(jìn)行：

（1）垂直形變測量

垂直形變測量的目的，是測定地殼的升降運動，其主要方法是精密水準(zhǔn)測量。在地形變監(jiān)測區(qū)按一定計劃布點，在每個觀測點將水準(zhǔn)標(biāo)石（水準(zhǔn)點）牢固地埋在地下或出露于地表的基巖上，從而組成垂直形變網(wǎng)。定期測量各條水準(zhǔn)線上水準(zhǔn)點之間的高差，經(jīng)過適當(dāng)處理就可以確定地殼是否發(fā)生了垂直形變。

垂直形變監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)布設(shè)在以活斷層為主的構(gòu)造帶，大城市、大廠礦、大水庫和交通樞紐為主的重點保衛(wèi)區(qū)，以及地震活動區(qū)和地形變異常區(qū)。根據(jù)上述原則，中國已先后建立了20個垂直形變監(jiān)測網(wǎng)，覆蓋面積達(dá)178萬平方公里。各監(jiān)測網(wǎng)定期進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測周期在一般監(jiān)視區(qū)為五年，在重點監(jiān)視區(qū)為2-3年，加強(qiáng)監(jiān)視區(qū)為1年。

（2）水平形變測量

中國近年來的幾次大震資料表明，絕大多數(shù)淺源地震震源區(qū)均以水平錯動為主，水平位移的幅度往往比垂直位移大。因此，研究水平形變也和垂直形變一樣具有重要意義，且對探討區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場有其特殊的意義。

地殼的水平運動是通過測定地面上一些點的平面位置變化來描述的。為此需要布設(shè)水平形變觀測網(wǎng)。構(gòu)成水平形網(wǎng)的基本圖形是三角形，所以也稱三角網(wǎng)。按照觀測元素的不同，可以分為測角網(wǎng)、測邊網(wǎng)和邊角同測網(wǎng)。測網(wǎng)的布設(shè)原則和復(fù)測周期與垂直形變網(wǎng)的要求相同。

（3）跨斷層測量

自從地震的斷層成因說提出以來，斷層位移與地震的關(guān)系受到了地學(xué)工作者的特別關(guān)注。為了了解產(chǎn)生地震的斷層力學(xué)過程，捕捉地震前兆，布置了各種跨斷層測量?？鐢鄬訙y量獲得斷層兩測點之間的產(chǎn)狀、斷層運動方式、兩側(cè)巖體力學(xué)性質(zhì)及測點距斷層面和距離有關(guān)。測值中還包含某些干擾因素的影響，應(yīng)予以排除。

中國大陸斷層位移測量的布局有兩類情況。一類是布設(shè)在塊體邊界的主要活動斷裂帶上，這些斷裂是發(fā)生大地震的場所；通過測量，可了解斷裂帶的應(yīng)變積累和釋放狀況，判斷未來大震的危險地段，捕捉中短期地震前兆，研究地震的斷層力學(xué)過程。另一類則布設(shè)在塊體內(nèi)部規(guī)模較小的活動斷層上，這些活動斷層本身很少產(chǎn)生大地震，但其活動可以靈敏地反映區(qū)域構(gòu)造活動和應(yīng)力場的變化；在附近發(fā)生大地震前，這些小斷層往往出現(xiàn)異常活動，有可能作為預(yù)報地震依據(jù)。

（4）定點形變測量

為監(jiān)測邢臺地震后的余震活動，1968年，地震測量隊在震區(qū)建立了3個定點地形變臺站；以后在各重點監(jiān)視區(qū)也陸續(xù)興建了一批地形變臺站。到1983年，中國已建立地形變臺站43個。

地形變臺站主要進(jìn)行短水準(zhǔn)和短基線觀測。前者是用精密水準(zhǔn)測量方法測定地面的垂直運動；后者則是用精密測距方法測定地面之間的水平位移。它們一般布設(shè)在活動斷裂帶上以監(jiān)視斷層活動。一般每時日觀測一次，長期連續(xù)觀測。 2100433B

地形變測量英文：grounddeformationmeasurement

所采用的手段和儀器主要有：水準(zhǔn)測量、三角測量、傾斜儀、伸縮儀、電阻絲應(yīng)變儀、激光測距儀、測潮儀；近些年來還發(fā)展到應(yīng)用一系列空間對地觀測技術(shù)，如GPS（全球空間定位系統(tǒng)）等。這是對地震前兆監(jiān)測的一種有效手段。圖示唐山地震后的地形變情況。