论文总字数：13376字

摘 要

随着InSAR技术在国内的不断应用和发展，出现了国内第一款商业InSAR自动化处理软件Skysense，针对我国在机场运营方面可能出现的地面沉降和跑道变形进行精确监测。

我国的地面沉降现象和基础设施的形变现象一直比较严重。在机场的运营中，地面沉降会严重的破坏机场的建筑物、损坏地下线路设施等，给机场的乘客和工作人员，会严重影响机场运营的安全。

本文针对南通机场运营中出现的5.82mm/year的地面沉降以及基础设施形变现象进行探讨。

关键词：

合成孔径雷达干涉测量；地面沉降；永久散射点；机场；监测

Abstract:
With the continuous application and development of InSAR technology in China, Skysense, the first commercial InSAR automatic processing software, appeared in China to accurately monitor the ground subsidence and runway deformation that may occur in airport operations in China.
The phenomenon of land subsidence and deformation of infrastructure in China has been more serious. In the operation of the airport, land subsidence will seriously damage the buildings of the airport, damage to underground line facilities, etc., and the passengers and staff of the airport will seriously affect the safety of airport operations.
This paper discusses the land subsidence and infrastructure deformation phenomena in the operation of Nantong Airport.

Key words:

SAR Interferometry;surface subsidence; Permanent Scattering Point ；Airport；Deformation

目录

1. 绪论

1.1针对地面沉降的认识和在机场运营中监测地面沉降的重要性.....4

1.2常见的机场（跑道）地面形变的方法..........................4

1.3 D-InSAR的初步了解及该技术在国内外发展形势...............5

1.4 InSAR Skysense在机场运营中的研究意义...................6

第二章 InSAR的原理及SAR的处理流程

2.1 简介....................................................7

2.2 InSAR如何监测地面形变...................................7

2.3 D-InSAR和PSInSAR的关系及地表监测的原理探究............10

2.4 PS-InSAR技术对卫星SAR影像处理过程.....................11

第三章 南通兴东国际机场的概况极其SAR影像数据资料

3.1 南通兴东国际机场概况...................................13

3.2 所用机场SAR影像数据数据................................13

3.3 洪都天顺InSAR Skysense的初步介绍......................15

第四章 南通兴东飞机场沉降监测与结果分析

4.1 实验数据处理过程........................................17

4.2 实验结果分析............................................21

第五章 毕业设计总结及Skysense在机场运营中的未来展望

5.1 总结....................................................26

5.2 InSAR技术和InSAR Skysense的展望........................27

第一章 绪论

1.1针对地面沉降的认识和在机场运营中监测地面沉降的重要性

地面沉降，又称地层下陷（land subsidence），泛指地面向下沉陷的垂直地表变形，基准面一般以平均海水面为基准。变形方向与地壳抬升运动相反。地层下陷发生的时间尺度分布范围极广，从几日到几千年皆有可能。

这一切的主要原因可以分成天然的地面沉降和人为引起的地面沉降，是地壳表层土压缩导致区域抬升导致局部地面高程下降的地质现象，是人类带来的永久不可逆性资源损失。地面沉降大多数都是因为人类过度的抽取地下水，或是地下水补注量少于人为开采量皆会加速地层压密作用而导致地层下陷。人工建筑物的额外负重也是重要的产生地层下陷的原因之一（在未压密的沉积物地层上兴建大型建筑会对地层产生额外的压力，导致地层下陷。）

多年以来，地面沉降，管道破坏，道路破坏，自然环境破坏等地质灾害有时会造成建筑物变形，倒塌等地质灾害，严重影响人们的生产和生活。是目前阻碍矿区和城市可持续发展的重要因素之一。

在机场运营中，跑道沉降的实时监控可以为沉降理论研究和灾害评估提供基础数据和数据。着眼于跑道下沉的严密监控，可以预测和预报跑道下沉的发展趋势。为机场安检部门规划和决策提供依据，防治和管理沉降，加强保护地下管线， 并为后续科学研究提供数据和技术支持。综上所述，对机场跑道进行监控不仅有必要，而且在机场建设领域也非常重要，尤其是国内土地沉降形变严重，环境破坏严重，经济损失严重的地区。进行检测和全面防治已然迫在眉睫。

1.2常见的机场（跑道）地面形变的方法

目前，我们有许多种方法来监控机场跑道的地面沉降（形变）。衡量和监测定居点的传统方法包括区域水平和分层。通过设置水准路线并定期高精度地测量大量水准点是捕获区域中的沉降变化规律的常用作业方法。分层标是通过分析各含水层地下水位变化动态规律和土层变形，确定影响地面沉降及其重量的主要因素及其权重，并提出具体的地面沉降防治规划方案。传统的监测手段检测精度高，但是监测范围有限，空间分辨率低，操作强度高，消耗劳动力和经济资源高，只能用于小规模监测。

近年，随着高新技术的喷涌式发展，可用于机场（跑道）地面沉降监测的手段越来越多。GPS可用于连续和动态地监测区域地面沉降和基础设施变形。大多数GPS网络的时间分辨率为30秒，基本上是满足实时动态监测的要求的，但是，构建GPS网的耗资巨大，空间分辨率却仅有几十公里，另外由于各种自然条件的约束，GPS布网协同测量仍然需要时间和精力，自动化程度低，并且难以理解研究领域中的地面形变（沉降）信息。 相比之下，近年来，许多研究和实际数据表明，D-InSAR（合成孔径雷达差分干涉测量）技术可以全天，全天范围内高精度地检测微观地形变化，有着高度自动化和高精度监控表面变形的好处。这可以有效地对传统GPS测量和水准测量进行补充，并且在当前的地面沉降监测中具有无可比拟的优势。即便如此，InSAR监测手段也有着自己的不足。尽管InSAR技术在空间分辨率方面可以做到高精度，但由于雷达卫星也如同人类一样有着自身的工作周期，因此在时间分辨率上往往不能满足要求。另外，如果我们只用InSAR数据时常会出现因大气参数的变化以及卫星轨道产生的误差等实际情况，所以我们必须加入其他的辅助数据和必要的监测手段才能对此进行改进和完善。

1.3 D-InSAR的初步了解及该技术在国内外发展形势

D-InSAR技术是在InSAR技术的基础上发展出来的，通过利用雷达干涉图的差分（Different）来监测雷达视线方向十分微小的的地球表面形变，常达到厘米级甚至更细微。用来发现诸如地面下陷、冰川溶解、火山喷发等地理现象。

美国和法国最先对该技术进行了研究，使用ERS雷达影像进行试验，采用D-InSAR技术对实验区域进行地面沉降和形变的研究，最终测得了该实验区域的沉降变化数值，并与该区域同时期内采用的水准测量结果进行对比，得到了大致一致的结果。这也是首次证明了采用InSAR技术进行沉降监测是可行的。然后，各国也密切关注着D-InSAR技术在地面沉降中的应用，并进行了深入的拓展研究。

欧洲也进行了D-InSAR沉降和变形监测的研究和试验。测试区域是波兰的一个煤田，由于过度采煤矿，地面通常会发生沉降现象。1988年，实验者在许多实验中发现了D-InSAR变形监测最重要的是雷达数据的选择。 雷达基线不应超过100米，以便在图像之间实现良好的相关性，从而得出形变量。

近年来，我国也采用D-InSAR技术测试地面沉降和地面变形，取得了满意的效果。例如，中科院遥感研究所的张红、王超曾使用了D-InSAR干涉图来反演张北同震场的形变场场，并以此检测了苏州地区的地面形变（沉降），最后取得了良好可观的结果。

总之，我们相信D-InSAR的应用将在未来会日益广泛，随着GIS产业和IT产业的发展，监测的准确性将逐步提高。

1.4 InSAR Skysense在机场运营中的研究意义

首先说到机场即我们常说的航空，人类往往关心的就是是否安全，这个机场是否失事过这些问题。所以为了人们的生命财产安全，利用InSAR技术对机场进行形变监测十分有必要。而机场的飞行区（跑道）是机场最重要的区域之一。飞行区下方是各种管道，包含了火，电，电信和石油供应。大型机场飞行区域下的管道更加复杂。与此同时，管道埋在地下，这是一个很大的隐藏项目。一旦飞行区完成，这些埋在地下的管道系统也将被固定。此外，飞行路径表面上有许多设施，其中一些或部分设施将延伸到路面下方。所以机场投入运营使用后，管线运行维护管理是机场日常工作中最重要的一项。

InSAR技术在机场运营中的前景还是很广阔的，具体有以下几点：

1. 监测地质变化。机场周围的地质情况复杂，曾经有道路交通事故发生。为了防止此类地质灾害再次发生，导致人员伤亡和财产损失。InSAR技术可用于检测机场周围的地形，并实时监测地面沉降情况。

2、评估安全风险。在地面沉降发生重大变化的地区和部门，将进行风险评估，提供预警，并制定整改计划以避免事故的发生。

3、重点单位重点保障。机场周围的地下管道很复杂，有许多输油管道。为了这些管道的安全性考虑，可以使用InSAR技术在地图上进行密切关注。如果出现异常情况，可以主动提前处理它们以减少损失。

所以我们必须利用InSAR Skysense在机场运营过程中对地面的沉降以及基础设施形变进行实时监测。

第二章 InSAR的原理及SAR的处理流程

2.1 简介

合成孔径雷达（SAR）是一种有前途的微波遥感技术，起源于20世纪50年代，目前正在开发中。SAR具有全天候工作，穿透云层，穿透特定的地面物体的特点，并能在不同偏振态和不同微波频段下得到高分辨率地物目标图像。因此也在此聚集了来自各个国家关注的目光，并开始获得了迅速发展。

在1960年代末，人们通过SAR（合成孔径雷达）与电波天文干涉相结合产生了InSAR(干涉合成孔径雷达）。在扫描同一目标区域时，通过成像提取地面目标区域的高距离和变形信息，利用InSAR技术对一些特殊数据进行处理，有效地利用了SAR回波的几何变换和相位信息，测量精度达到亚微米级。然而传统的三维雷达测量是基于仅使用灰度信息的三维测量，测量精度仅为几米左右。因此InSAR如今已被世界各地所关注、研究。

2.2 InSAR对地形表面进行实时监测的原理

雷达后向散射强度和地面分辨元件对角线距离的相位信息，存在于机载和星载SAR系统获取的图像的每个像素点之中。相位差图，即干涉相图（干涉图），是通过减去覆盖同一区域的两个雷达图像的相应像素的相位值得到的。这些相位差信息反映了地形和表面变形等因素的作用。Insar使用这些高度敏感的干扰相位信号提取和分离有用信息（如表面投影和表面变形）。在摄影测量、可见光和近红外遥感方面，无论是以图像中的三维信息为主还是提取信息，都有很大的不同。

图2 D-InSAR监测变形原理

这是一个非常重要的公式，使用3张单视复印图像数据提取色度图变量，当通过2张干扰图的垂直基线的比时，能够提取地形变干扰条纹，无需解开θ值。请注意前面的假设，地形没有任何变化。

如果研究区域内有高精度的DEM，可以通过DEM数据、合成孔径雷达成像几何和轨道数据仿真进行综合，并可以直接从两幅单视图合成图像中提取地形变分信息。

2.3 D-InSAR和PSInSAR的关系及地表监测的原理探究

①D-InSAR（Different差分）是应用重复轨道的方式，在不同的时间获取同一地区雷达影像，利用此两幅影像进行差分干涉，可获得此地区于该时段地表及卫星间的距离变化所造成的雷达波相位差，这种相位差以干涉条纹的形式呈现，构成上包含地形引起的相位差、图像采集过程中变形引起的相位差、对流层延迟误差和轨道误差。通过引入一个外部DEM（数字高程模型），可以消除地形相位，其他误差可以假定为较小的尺寸或由模型消除。由于使用这个方法大气影响难以很好的消除，并且在大量区域存在着信号失相关现象，其测量精度在cm级，其应用领域也在不断扩大如地震、火山、冰川运动、地面沉降、滑波监测、活动板块和构造监测等方面。

1. InSAR是一种重复应用轨道以在不同时间获取同一地区雷达图像的方法。通过将这两个图像用于差分干涉，获得该区域中的表面与卫星之间的距离变化所引起的雷达波的相位差并以干涉图案的形式呈现，包括地形引起的相位差，图像采集过程中因为大地形变造成的相位差，对流层延迟误差和轨道误差。地形阶段可以通过引入一个外部DEM（数字高程模型）来消除（地形相位）。其他误差通常假定量级较小，或者可以使用模型来消除表面变形。利用这种方法，很难消除大气的影响，并且由于在许多区域存在信号失相关现象，测量精度在cm的量级，其应用领域也在不断地进行扩大。

②PS-InSAR技术全称为永久散射体合成孔径雷达干涉测量，发展于D-InSAR技术。其中对雷达波的后向散射较强，并且在时序上较稳定的各种地物目标被称为PS（永久散射体），例如房屋的顶角，暴露在外的石头，扶手等。

我们基于InSAR技术，通过借助已知DEM进行差分干涉处理，对K 1幅SAR单视复数影像，进行放射线的配置、校正、PS的检测、差动干扰测量处理，得到了K个干涉中的微分干涉相集和微分干涉图、PS点位H个和各PS点的微分干涉图。考虑到地表变形、高距离误差、大气影响及失相关，可获得各PS点的差动干扰图上的差动干扰相位结构，其中变形速度的增量和高距离误差的增量积分可得到相对于各PS点的主基准点的变形速度和高范围误差。同时，根据解法结果，对PS离散点进行相位解映射，经过积分，得到了相位解缠的线性相位残差（对主参数）。

2.4 PS-InSAR技术对卫星SAR影像

处理过程

首先，通过影响ASAR图像的消相干因子（几何消相干、时间消相干、多普勒预记录消相干）选择最优主图像。另外，利用双轨法的差分干涉算法对主副图像进行定位和重采样。干涉对相位（第i个图像，第j个相位）包括5组，如表达式3.1。

3.1

其中，是指在空间上表现为局部相关的雷达视线方向的形变相位信息；是指与基线相关由于外部DEM被引入后产生的残余相位误差；是指由于卫星通过而产生的大气延迟误差表现为空间相关性；是指可被忽略的随机噪声相位组分;是指与空间相关的残余轨道误差。

引入外部DEM后，与垂直基线成正比例，为采用最小二乘法评估比例系数。

3.2

（InSAR相位）可表示为

3.3

对于n景干涉对，干涉相位可表示为以下方程组

3.4

校正其余地形误差后，首先选择相干值大于0.4的相位到PS点，否则放弃。空间相关和非相关分量是根据每个误差分量的空间相关特性进行评估的。此外，使用3位AMP算法执行相位展开，并首先选择PS点。分别在时空中应用高通滤波和低通滤波，对空间和非空间相关角误差进行了评估。最后我们从式3.4中减去，，，获得永久散射体点（PS）的形变数值。

第三章 南通兴东国际机场的概况极其SAR影像数据资料

3.1南通兴东国际机场

本次毕业设计的研究的是4D级民用的国际机场，位于南通市通州区的兴东国际机场（距离市中心十公里处）。

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