《现代变形监测技术》PPT课件.ppt

1 2021年 4月 23日 星 期 五 现代变形监测技术任课教师：高 飞合 肥 工 业 大 学 土 木 与 水 利 工 程 学 院 2 2021年 4月 23日 星 期 五 第 一 章 变 形 监 测 概 述第 二 章 垂 直 位 移 与 水 平 位 移 观 测第 三 章 变 形 监 测 新 技 术 与 工 程 实 例第 四 章 变 形 监 测 数 据 处 理 基 础本 课 程 主 要 内 容现 代 变 形 监 测 技 术 3 2021年 4月 23日 星 期 五 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 随 着 现 代 科 学 技 术 的 发 展 ， 变 形 监 测 的 技术 和 方 法 正 在 由 传 统 的 单 一 监 测 模 式 向 点 、线 、 面 立 体 交 叉 的 空 间 模 式 发 展 。 在 变 形 体 上 布 置 变 形 观 测 点 ， 在 变 形 区 影响 范 围 之 外 的 稳 定 地 点 设 置 固 定 观 测 站 ， 用高 精 度 测 量 仪 器 定 期 监 测 变 形 区 域 内 监 测 网点 的 三 维 （ X、 Y、 Z） 或 （ X、 Y、 H） 位 移变 化 ， 是 获 取 待 测 物 体 变 形 的 一 种 行 之 有 效的 外 部 检 测 方 法 。 现 代 变 形 监 测 技 术 4 2021年 4月 23日 星 期 五 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 3.3 近 景 摄 影 测 量 3.4 激 光 扫 描 技 术 3.5 工 程 实 例现 代 变 形 监 测 技 术 5 2021年 4月 23日 星 期 五 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 GPS全 称 是 卫 星 授 时 测 距 导 航 系 统 /全 球 定位 系 统 （ NAVSTAR/GPS）Navigation System Timing And Ranging / Global Positioning System关 于 GPS和 GNSS？ GNSSGlobal Navigation Satellite System (全 球 卫 星 导 航 系 统 ）美 国 ： GPS； 俄 罗 斯 ： GLONASS； 欧 洲 ： GALILEO中 国 ： 北 斗 导 航 系 统 BeiDou Navigation Satellite System 简 称 BDS（ 原 名 COMPASS） 6 2021年 4月 23日 星 期 五 全 球 定 位 系 统 GPS的 应 用 是 测 量 技 术 的 一项 革 命 性 的 变 革 。 与 传 统 变 形 监 测 方 法 相 比 较 ， 应 用 GPS不仅 具 有 精 度 高 、 速 度 快 、 操 作 简 便 等 优 点 ，而 且 利 用 GPS和 计 算 机 技 术 、 数 据 通 讯 技 术及 数 据 处 理 与 分 析 技 术 进 行 集 成 ， 可 实 现 从数 据 采 集 、 传 输 、 管 理 到 变 形 分 析 及 预 报 的自 动 化 ， 达 到 远 程 在 线 网 络 实 时 监 控 的 目 的 。 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 7 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 1 测 站 间 无 须 通 视 对 于 传 统 的 地 表 变 形 监 测 方 法 ， 点 之 间 只有 通 视 才 能 进 行 观 测 ， 而 GPS测 量 的 一 个 显著 特 点 就 是 点 之 间 无 须 保 持 通 视 ， 仅 需 要 测站 上 空 开 阔 即 可 ， 从 而 可 使 变 形 监 测 点 位 的布 设 方 便 而 灵 活 ， 并 可 省 去 不 必 要 的 中 间 传递 过 渡 点 ， 提 高 工 作 效 率 ， 节 省 许 多 费 用 。第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 8 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 1 测 站 间 无 须 通 视 2 可 同 时 提 供 监 测 点 的 三 维 位 移 信 息 采 用 传 统 方 法 进 行 变 形 监 测 时 ， 平 面 位移 和 垂 直 位 移 是 采 用 不 同 方 法 分 别 进 行 监 测的 ， 不 仅 监 测 的 周 期 长 、 工 作 量 大 ， 而 且 监测 的 时 间 和 点 位 很 难 保 持 一 致 ， 为 变 形 分 析增 加 了 难 度 。 采 用 GPS可 同 时 精 确 测 定 监 测点 的 三 维 位 移 信 息 。第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 9 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 1 测 站 间 无 须 通 视 2 可 同 时 提 供 监 测 点 的 三 维 位 移 信 息 3 全 天 候 监 测 GPS测 量 不 受 气 候 条 件 的 限 制 ， 无 论 起 雾刮 风 、 下 雨 下 雪 均 可 进 行 正 常 的 监 测 。 配 备防 雷 电 设 施 后 ， GPS变 形 监 测 系 统 便 可 实 现长 期 的 全 天 候 观 测 ， 它 对 防 汛 抗 洪 、 滑 坡 、泥 石 流 等 地 质 灾 害 监 测 等 应 用 领 域 极 为 重 要 。第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 10 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 4 监 测 精 度 高 在 变 形 监 测 中 ， 如 果 GPS接 受 机 天 线 保 持 固 定 不动 ， 则 天 线 的 对 中 误 差 、 整 平 误 差 、 定 向 误 差 、 天线 高 测 定 误 差 等 不 会 影 响 变 形 监 测 的 结 果 。 同 样 ， GPS数 据 处 理 时 起 始 坐 标 的 误 差 ， 解 算 软件 本 身 的 不 完 善 以 及 卫 星 信 号 的 传 播 误 差 中 公 共 部分 的 影 响 也 可 以 得 到 消 除 或 削 弱 。 实 践 证 明 ， 利 用 GPS进 行 变 形 监 测 可 获 得 0.52 mm的 精 度 。第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 11 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 5 GPS大 地 高 可 用 于 垂 直 位 移 测 量 由 于 GPS定 位 获 得 的 是 大 地 高 ， 而 用 户 需 要 的 是 正常 高 或 正 高 ， 它 们 之 间 有 以 下 关 系 ：H大 地 高 =h正 常 高 + ； H大 地 高 = h正 高 +N 式 中 ， 高 程 异 常 和 大 地 水 准 面 差 距 N的 确 定 精 度 较低 ， 从 而 导 致 转 换 后 的 正 常 高 或 正 高 的 精 度 不 高 。似 H正 常 高H正N 12 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 5 GPS大 地 高 可 用 于 垂 直 位 移 测 量 由 于 GPS定 位 获 得 的 是 大 地 高 ， 而 用 户 需 要 的 是 正常 高 或 正 高 ， 它 们 之 间 有 以 下 关 系 ：H大 地 高 =h正 常 高 + ； H大 地 高 = h正 高 +N 但 是 ， 在 垂 直 位 移 监 测 中 我 们 关 心 的 只 是 高 程 的变 化 ， 对 于 工 程 的 局 部 范 围 而 言 ， 完 全 可 以 用 大 地高 的 变 化 来 进 行 垂 直 位 移 监 测 。 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 13 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 6 操 作 简 便 ， 易 于 实 现 监 控 自 动 化 GPS接 收 机 的 自 动 化 越 来 越 高 ， 趋 于 “ 傻 瓜 ” ，而 且 体 积 越 来 越 小 ， 重 量 越 来 越 轻 ， 便 于 安 装 和 操作 。 同 时 ， GPS接 收 机 为 用 户 预 留 有 必 要 的 接 口 ， 用户 可 以 较 为 方 便 地 利 用 各 监 测 点 建 成 无 人 值 守 的 自动 监 测 系 统 ， 实 现 从 数 据 采 集 、 传 输 、 处 理 、 分 析 、报 警 到 入 库 的 全 自 动 化 。 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 14 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 7 具 有 严 格 定 义 的 参 考 系 统 GPS定 位 测 量 采 用 世 界 大 地 坐 标 系 WGS84， 很容 易 与 其 它 全 球 地 心 坐 标 系 进 行 转 换 ， 纳 入 严 格 定义 的 全 球 参 考 系 统 。 世 界 大 地 坐 标 系 WGS 84 （ World Geodetic System - 1984） 协 议 地 球 参 照 系 CTRS 2000（ Conventional Terrestrial Reference System 2000） 国 际 地 球 参 考 框 架 ITRF 2000（ International Terrestrial Reference 2000 ） 中 国 大 地 坐 标 系 CGCS 2000（ China Geodetic Coordinate System 2000）第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 15 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 8 利 用 GPS进 行 变 形 监 测 ， 存 在 的 缺 点 ： （ 1） GPS观 测 会 受 到 现 场 环 境 的 影 响 GPS信 号 易 受 测 站 附 近 的 房 屋 、 大 面 积 水 域 等物 体 遮 挡 或 产 生 多 路 径 效 应 ； 还 可 能 受 到 测 站 周 围电 磁 场 的 影 响 ， 降 低 测 量 精 度 。 （ 2） GPS信 号 受 大 气 的 影 响 如 果 GPS参 考 站 之 间 或 与 监 测 点 之 间 距 离 远 、高 差 大 ， 有 可 能 受 到 电 离 层 、 对 流 层 等 大 气 条 件 的影 响 ， 反 映 出 较 大 误 差 。 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 16 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施 1 GPS观 测 站 选 择 与 标 志 建 立 （ 1） GPS测 站 的 设 置 应 尽 可 能 避 开 易 产 生 多 路 径 效应 和 易 受 电 磁 场 影 响 的 地 方 。 （ 2） GPS测 站 应 设 立 稳 固 的 标 石 ， 尽 量 采 用 强 制 对中 装 置 ， 保 持 点 位 的 稳 定 ， 便 于 长 期 观 测 。 （ 3） GPS接 收 天 线 应 高 出 地 面 0.5米 以 上 。 （ 4） GPS参 考 站 与 监 测 点 之 间 距 离 不 要 太 远 。 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 17 2021年 4月 23日 星 期 五 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施 1 观 测 站 选 择 与 标 志 建 立 2 观 测 模 式 的 选 择 GPS变 形 监 测 分 为 定 期 重 复观 测 和 连 续 性 观 测 两 种 模 式 。 （ 1） 定 期 重 复 观 测 又 称 为 周期 性 变 形 监 测 ， 与 传 统 的 变形 监 测 网 相 类 似 ， 一 般 采 用静 态 相 对 定 位 的 方 法 ， 事 后处 理 和 分 析 数 据 。 观 测 周 期根 据 变 形 的 速 率 确 定 。 B 18 2021年 4月 23日 星 期 五 二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施 1 观 测 站 选 择 与 标 志 建 立 2 观 测 模 式 的 选 择（ 2） 连 续 性 观 测 模 式 连 续 性 观 测 模 式 是 将 GPS接 收 机 固 定 在 测 站 上 ，连 续 采 集 卫 星 信 号 ， 获 得 变 形 观 测 数 据 序 列 。 该 方法 实 质 上 也 是 对 监 测 点 进 行 重 复 观 测 ， 但 数 据 可 以是 连 续 的 ， 具 有 较 高 的 时 间 分 辨 率 和 观 测 精 度 。 具 体 观 测 方 法 有 两 种 ： 静 态 相 对 定 位 方 法 （ 采 用 事 后 处 理 ， 适 用 于不 需 要 实 时 数 据 传 输 、 处 理 和 分 析 的 场 合 ） 动 态 相 对 定 位 方 法 （ 能 够 实 时 监 控 变 形 ） 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 19 2021年 4月 23日 星 期 五 GPS动 态 相 对 差 分 定 位 原 理 20 2021年 4月 23日 星 期 五发 射 电 台 GPS主 机基 准 站 移动站GPS主 机 动 态 实 时 差 分 RTK测 量 原 理 图 采 集 器接 收 电 台 21 2021年 4月 23日 星 期 五 二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施动 态 相 对 定 位 方 法 又 分 为 两 种 形 式 ： 利 用 GPS接 收 机 阵 列 进 行 动 态 相 对 定 位 ；（ 主 要 缺 点 ： 价 格 昂 贵 ， 不 便 于 管 理 ） 利 用 一 机 多 天 线 方 式 实 现 GPS动 态 相 对 定 位 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 22 2021年 4月 23日 星 期 五 23 2021年 4月 23日 星 期 五 24 2021年 4月 23日 星 期 五 GPS一 机 多 天 线 变 形 监 测 系 统 结 构 图 25 2021年 4月 23日 星 期 五 GPS一 机 多 天 线 变 形 监 测 系 统 结 构 图 26 2021年 4月 23日 星 期 五大 坝 断 面 GPS一 机 多 天 线 变 形 监 测 系 统天 线 布 置 图 27 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施 1 GPS观 测 站 选 择 与 标 志 建 立 2 GPS观 测 模 式 的 选 择 3 数 据 采 集 与 传 输 （ 1） GPS定 期 重 复 观 测 模 式 ： 数 据 由 接 收 机 存 储 ，事 后 传 输 到 计 算 机 进 行 数 据 处 理 与 分 析 。 （ 2） GPS连 续 性 观 测 模 式 ： 根 据 现 场 条 件 ， GPS数 据 传 输 可 采 用 有 线 （ 监 测 点 观 测 数 据 ） 和 无 线（ 基 准 点 观 测 数 据 ） 相 结 合 的 方 法 。 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 28 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点 二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施 4 GPS数 据 处 理 （ 1） GPS静 态 数 据 处 理 ： 事 后 由 计 算 机 利 用 专 门基 线 解 算 和 网 平 差 软 件 进 行 数 据 处 理 与 分 析 。 （ 2） GPS连 续 动 态 数 据 处 理 ： 从 每 台 GPS接 收 机传 输 数 据 开 始 ， 到 处 理 、 分 析 、 变 形 显 示 为 止 ， 所需 总 的 时 间 小 于 10分 钟 ， 为 此 ， 必 须 建 立 一 个 局 域网 ， 有 一 个 完 善 的 软 件 管 理 、 监 控 系 统 。第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 29 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 GPS变 形 观 测 的 特 点二 、 GPS变 形 观 测 的 实 施三 、 GPS变 形 监 测 技 术 的 应 用 1 地 壳 形 变 观 测 （ 1） 甚 长 基 线 干 涉 测 量 系 统 （ VLBI） （ 2） 卫 星 激 光 测 距 系 统 （ SLR） （ 3） 全 球 定 位 系 统 （ GPS） 2 大 坝 变 形 观 测 3 高 层 建 筑 物 变 形 观 测 4 大 型 桥 梁 变 形 观 测第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 3.1 全 球 卫 星 定 位 系 统 30 2021年 4月 23日 星 期 五 31 2021年 4月 23日 星 期 五 32 2021年 4月 23日 星 期 五 利 用 GPS对 香 港 青 马 大 桥进 行 动 态 变 形 监 测 33 2021年 4月 23日 星 期 五 利 用 GPS对 高 层 建 筑 物进 行 动 态 变 形 监 测 与 数 据 处 理 34 2021年 4月 23日 星 期 五 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 是 上 世 纪 60年 代 逐 步 发 展起 来 的 一 种 遥 感 技 术 。 简 称 ： InSAR（ Interferometric Synthetic Aperture Radar） 包 括 两 大 技 术 的 融 合 ： 1 合 成 孔 径 雷 达 遥 感 成 像 （ SAR） 2 电 磁 波 干 涉 测 量 利 用 微 波 雷 达 成 像 传 感 器 对 地 表 进 行 连 续 主 动 遥感 成 像 ， 使 用 专 门 的 数 据 处 理 方 法 ， 从 雷 达 影 像的 相 位 信 号 中 提 取 地 面 的 地 形 或 变 形 信 息 。 主 要 特 点 ： 高 精 度 （ 可 达 毫 米 级 ） 、 大 范 围 、 全 天 候 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 35 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 InSAR是 利 用 覆 盖 同 一 地 区 的多 幅 SAR影 像 所 产 生 的 干 涉 相 位图 来 提 取 有 用 地 形 信 息 。（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 1 雷 达 平 台 ： 可 以 是 飞 机 、人 造 卫 星 和 航 天 飞 机 等 。 2 所 谓 侧 视 ： 是 指 雷 达 向 地面 发 射 的 微 波 脉 冲 束 （ 椭 圆 锥状 ） 侧 向 倾 斜 了 一 个 角 度 0 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 36 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 37 2021年 4月 23日 星 期 五 椭 圆 锥 状 微 波 脉 冲 束 在 地 表形 成 一 个 辐 射 带 ， 可 看 成 由许 多 小 的 空 间 面 元 组 成 ； 每 个 面 元 分 别 反 射 脉 冲 波 并被 雷 达 接 收 ； 不 同 雷 达 斜 距 R对 应 不 同 的像 素 ， 形 成 一 定 幅 宽 范 围 的连 续 地 表 影 像 。 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 38 2021年 4月 23日 星 期 五 可 区 分 两 个 相 邻 目 标 的 最 小距 离 称 为 雷 达 影 像 的 空 间 分辨 率 ， 距 离 小 则 分 辨 率 高 ； 沿 雷 达 飞 行 方 向 称 为 方 位 向 ，其 分 辨 率 为 ： LRX 式 中 ： R为 雷 达 斜 距 ， L为 雷 达 天 线 长 度 ， 为 雷 达 微 波 波 长 。 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 39 2021年 4月 23日 星 期 五 沿 雷 达 飞 行 方 向 称 为 方 位 向 沿 雷 达 斜 距 方 向 的 分 辨 率 为 ：2PcR 式 中 ： c 为 光 速 ， P为 雷 达 脉 冲 宽 度 ， i 为 侧 视 角 。由 此 可 见 , R 是 常 数 ， Y 随 i 的 改 变 而 变 化 。 雷 达 斜 距 向 的 地 面 分 辨 率 为 ：)90cos( iRY 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 40 2021年 4月 23日 星 期 五 ,2PcR 所 以 目 标 物 越 远 离 底 点 ， 倾斜 向 地 面 分 辨 率 越 高 ； 反 之越 靠 近 底 点 分 辨 率 越 低 ； 这 也 是 雷 达 成 像 要 求 侧 视 的主 要 原 因 ； 该 特 性 与 航 空 摄 影 测 量 的 中心 投 影 方 式 正 好 相 反 。 )90cos( iRY 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 41 2021年 4月 23日 星 期 五 目 前 利 用 人 造 卫 星 进 行 SAR航 高 一 般 在 5002000Km； 雷 达 微 波 波 长 530cm； 侧 视角 一 般 在 20 70 之 间 。 假 设 取 波 长 为 5.66cm， 为 了达 到 10m方 位 向 分 辨 率 ， 则 ： LRX 但 是 沿 雷 达 飞 行 方 向 的 方 位向 分 辨 率 ， 与 天 线 长 度 有 关 。km XHXRL 3cos 一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 42 2021年 4月 23日 星 期 五 在 不 增 加 雷 达 天 线 长 度 的 前 提下 ， 由 于 雷 达 飞 行 与 地 面 成 像点 O存 在 相 对 运 动 的 现 象 ， 必然 使 得 返 回 脉 冲 波 的 频 率 产 生漂 移 ， 也 就 是 多 普 勒 频 移 现 象 。 雷 达 接 收 并 精 确 测 定 脉 冲 回 波的 相 位 延 迟 、 跟 踪 频 率 漂 移 。（ 二 ） 合 成 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 通 过 数 据 处 理 合 并 成 为 一 个 被 锐 化 的 回 波 脉 冲 ， 提 高雷 达 成 像 方 位 向 的 分 辨 率 ， 最 终 形 成 高 精 度 SAR影 像 。一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 43 2021年 4月 23日 星 期 五 如 图 所 示 ， 就 是 基 于 多 普 勒频 移 原 理 的 合 成 孔 径 雷 达 成像 几 何 图 。 地 面 成 像 点 O的 位 置 ， 通 过锐 化 数 据 处 理 后 ， 成 像 方 位向 分 辨 率 得 到 提 高 。 近 似 为 ：2LX 可 见 所 谓 “ 合 成 孔 径 ” 是 通 过 数据 处 理 实 现 的 ！（ 二 ） 合 成 孔 径 侧 视 雷 达 成 像一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征（ 一 ） 真 实 孔 径 侧 视 雷 达 成 像 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 44 2021年 4月 23日 星 期 五 SAR系 统 基 于 侧 视 成 像 几 何 原 理 所 获 取 的 数 据 称 为“ 粗 数 据 ” ， 经 过 地 面 预 处 理 后 形 成 单 视 复 数 影 像 ，每 一 像 素 可 用 一 个 复 数 表 示 ：（ 三 ） SAR图 像 的 基 本 特 征 iebaibapixel 22 像 素式 中 ： 为 振 幅 ： 对 应 地 面 分 辨 单 元 灰 度 信 息 ； 为 相 位 值 ： 沿 侧 视 方 向 脉 冲 总 波 数 的 尾 数 。22 ba )/(tan 1 ab 一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 45 2021年 4月 23日 星 期 五 SAR图 像 的 基 本 特 征 与 相 位观 测 值 的 构 成 46 2021年 4月 23日 星 期 五 二 、 InSAR基 本 原 理 1801年 Thomas Young（ 17731829） 发 现 了 光 的相 干 效 应 ， 并 用 波 的 叠 加 原 理 成 功 解 释 了 该 效 应 ，这 就 是 著 名 的 “ 杨 氏 双 缝 光 干 涉 实 验 ” 。 InSAR正 是 根 据 所 谓 “ 光 干 涉 条 纹 ” 为 基 本 原 理 ，将 覆 盖 同 一 区 域 的 两 幅 SAR影 像 对 应 像 素 的 相 位 值相 减 ， 便 可 得 到 相 位 差 图 ， 即 干 涉 相 位 图 ， 经 过 数据 处 理 对 相 位 信 息 进 行 分 离 和 提 取 ， 反 映 的 就 是 该区 域 地 面 起 伏 和 地 表 形 变 的 信 息 。一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 47 2021年 4月 23日 星 期 五 从 技 术 角 度 看 ， 干 涉 合 成 孔 径 雷 达 的 数 据 收 集一 般 要 求 雷 达 平 台 上 配 备 两 副 SAR天 线 ， 这 两 副天 线 在 航 线 方 向 交 替 工 作 。 对 于 机 载 系 统 ： 两 副 天 线 固 定 在 同 一 飞 机 上 ，传 感 器 中 心 连 线 称 为 空 间 基 线 向 量 ， 长 度 不 变 ，可 以 从 数 米 到 数 十 米 （ 军 用 侦 察 飞 机 相 距 914毫米 ） 。 它 们 交 替 进 行 脉 冲 的 发 射 和 接 收 ， 产 生 时间 略 有 差 异 的 接 收 信 号 形 成 干 涉 现 象 。 （ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成二 、 InSAR基 本 原 理一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 48 2021年 4月 23日 星 期 五 对 于 星 载 系 统 ： 一 般 采 用 单 天 线 模式 ， 卫 星 以 一 定 的 时间 间 隔 对 同 一 区 域 进行 重 复 SAR成 像 ， 两次 飞 行 轨 道 近 似 平 行 ，组 成 类 似 机 载 SAR的干 涉 相 位 。（ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成二 、 InSAR基 本 原 理一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 49 2021年 4月 23日 星 期 五 S1和 S2两 个 传 感 器 分 别 接 收地 面 目 标 P点 的 SAR回 波 信 号 1和 2， 经 数 据 处 理 后 得到 的 影 像 分 别 为 主 、 从 影 像 。 )exp()( )exp()( 2222 1111 jR jR 经 配 准 ， 将 图 像 逐 像 素进 行 复 共 轭 相 乘 ， 得 ： )(exp)()( 21212*211 jRR （ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成二 、 InSAR基 本 原 理一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 50 2021年 4月 23日 星 期 五 雷 达 接 收 信 号 中 的 相 位 包 括 两 部 分 ： 1 往 返 路 径 确 定 的 相 位 ； 2 地 表 不 同 的 散 射 特 性 造成 的 随 机 相 位 。 即 ：（ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成 scatscatRR 222 111 22 22 )(exp)()( 21212*211 jRR RRR 4)(4 2121假 设 两 次 成 像 间 无 随 机 扰 动 ， 则 两 信 号 的 相 位 差 为 ： 51 2021年 4月 23日 星 期 五 由 此 可 见 ， 干 涉 图 中 的 相 位 差 取 决 于 斜 距 信 号 的路 径 差 R， 两 者 成 正 比 例 关 系 ； 在 实 际 干 涉 数 据 处 理 中 ， 采 用 三 角 函 数 运 算 则 丢 失了 相 位 的 整 周 数 ， 只 能 得 到 干 涉 相 位 的 主 值 （ 即 缠绕 相 位 ） ， 必 须 通 过 解 缠 算 法 恢 复 相 位 完 整 值 。 由 于 相 位 差 的 周 期 性 变 化 ， 反 映 在 干 涉 图 上 表 现 为干 涉 条 纹 。 干 涉 条 纹 在 陆 地 区 域 是 连 续 的 ， 较 为 清 晰 ； 但 在 水域 地 区 ， 干 涉 条 纹 比 较 模 糊 ， 主 要 由 信 号 噪 声 引 起 。（ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成 RRR 4)(4 2121 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 52 2021年 4月 23日 星 期 五 电 磁 波 测 距 基 本 原 理 公 式 设 电 磁 波 在 大 气 中 传 播 速 度 为 c， 当 它 在 距 离 D上 往 返 一 次 的 时 间 为 t， 则 有 ： ctD 21 Dg tncD 2021 53 2021年 4月 23日 星 期 五 5.3.1测 距 仪 的 测 距 原 理相 位 法 测 距 原 理调 制 波 的 调 制 频 率 f， 角 频 率 ，设 调 制 波 在 距 离 D往 返 一 次 产 生 的 相 位 延 迟 为 ， f 2 DDD tftt 22 22 发收 DtvD 221 gfncD 4 0 vfD 41 N 2gncv 0ft D 22 2222 0 NNfncD g-为 调 制 光 的 波 长 D 22 54 2021年 4月 23日 星 期 五 GPS 整 周 未 知 数 解 算 测 站 对 某 一 卫 星 的 载 波 相 位 观 测 值 由 三 部 分 组 成 : (1)初 始 整 周 未 知 数 n； (2) t 0至 t i 时 刻 的 整 周 记 数 Ci；(3)相 位 尾 数 i 如 果 信 号 没 有 失 锁 ， 则 每 一 个 观 测 值 包 含 同 一 个 初始 整 周 未 知 数 N 为 了 利 用 载 波 相 位 进 行 定 位 ， 必 须 设 法 先 解 算 出 初始 整 周 未 知 数 ， 取 得 总 观 测 值 N + C i+ i Time (0) Ambiguity Time (i)Ambiguity Counted CyclesPhase Measurement 55 2021年 4月 23日 星 期 五 由 此 可 见 ， 干 涉 图 中 的 相 位 差 取 决 于 斜 距 信 号 的路 径 差 R， 两 者 成 正 比 例 关 系 ； 在 实 际 干 涉 数 据 处 理 中 ， 采 用 三 角 函 数 运 算 则 丢 失了 相 位 的 整 周 数 ， 只 能 得 到 干 涉 相 位 的 主 值 （ 即 缠绕 相 位 ） ， 必 须 通 过 解 缠 算 法 恢 复 相 位 完 整 值 。 由 于 相 位 差 的 周 期 性 变 化 ， 反 映 在 干 涉 图 上 表 现 为干 涉 条 纹 。 干 涉 条 纹 在 陆 地 区 域 是 连 续 的 ， 较 为 清 晰 ； 但 在 水域 地 区 ， 干 涉 条 纹 比 较 模 糊 ， 主 要 由 信 号 噪 声 引 起 。RRR 4)(4 2121（ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 56 2021年 4月 23日 星 期 五 （ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 57 2021年 4月 23日 星 期 五 （ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成（ 二 ） 干 涉 相 位 的 噪 声 测 度 干 涉 相 位 图 像 质 量 评 价 的 量 化 标 准 ， 是 干 涉 相 关 系数 （ 意 大 利 Prati， 1993年 ） ， 其 定 义 为 ： 22 *MEME SME 式 中 ： E 表 示 数 学 期 望 ， M、 S分 别 表 示 主 、 从 影 像复 数 集 ， *为 复 数 的 共 轭 算 子 。 干 涉 相 关 系 数 的绝 对 值 取 值 范 围 为 0， 1。 1 当 = 0 时 ， 表 示 两 景 影 像 完 全 不 相 关 ； 2 当 = 1 时 ， 表 示 两 景 影 像 完 全 相 关 ， 无 噪 声 。 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 58 2021年 4月 23日 星 期 五 实 际 计 算 干 涉 相 关 系 数 时 ， 取 某 一 分 辨 单 元 周 围 一定 范 围 内 的 邻 近 像 素 复 数 信 息 来 估 算 其 相 关 度 ： mi nj mi njmi nj jiSjiM jiSjiM1 1 1 1 221 1 * ),(),( ),(),( （ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成（ 二 ） 干 涉 相 位 的 噪 声 测 度 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 59 2021年 4月 23日 星 期 五 （ 二 ） 干 涉 相 位 的 噪 声 测 度 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 60 2021年 4月 23日 星 期 五 在 实 际 数 据 处 理 时 ， 也 可 用 像 元 信 噪 比 （ SNR） 来计 算 干 涉 相 关 系 数 ： SNRSNR 1 可 见 ： 干 涉 相 关 系 数 越 高 的 目 标 ， 其 信 噪 比 越 大 ；反 之 越 小 ； 两 种 方 法 对 干 涉 相 位 噪 声 程 度 的 衡 量 是一 致 的 。 高 信 噪 比 目 标 的 数 量 越 多 ， 干 涉 测 量 成 果 的 精 度 越高 、 质 量 越 可 靠 。（ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成（ 二 ） 干 涉 相 位 的 噪 声 测 度 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 61 2021年 4月 23日 星 期 五 （ 一 ） 干 涉 相 位 的 形 成（ 二 ） 干 涉 相 位 的 噪 声 测 度（ 三 ） 干 涉 相 位 成 分 分 析 在 非 零 基 线 （ 即 两 次 成 像的 卫 星 轨 道 不 完 全 重 合 ） 的情 况 下 ， 干 涉 相 位 主 要 由 五个 分 量 组 成 ： 1 参 考 分 量 （ 平 地 分 量 ） 2 地 形 分 量 3 形 变 相 位 4 大 气 相 位 5 相 位 随 机 噪 声 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 62 2021年 4月 23日 星 期 五 上 述 干 涉 相 位 中 包 含 五 个 分 量 ， 其 中 参 考 分 量 和 地形 分 量 具 有 显 著 影 响 ， 必 须 在 提 取 地 表 形 变 信 息 时从 初 始 干 涉 图 中 予 以 剔 除 ， 这 就 是 所 谓 的 二 次 差 分干 涉 DInSAR（ Differential InSAR） 。 在 忽 略 大 气 和 噪 声 影 响 的 前 提 下 ， DInSAR的 具 体 t方 法 主 要 有 三 种 ： 两 轨 法 、 三 轨 法 、 四 轨 法 三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量（ 一 ） 观 测 几 何二 、 InSAR基 本 原 理一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 63 2021年 4月 23日 星 期 五 1 两 轨 法 ： 使 用 两 幅 雷 达 图 像 和 1个 外 部 数 字 高 程 模 型 。 两 幅 雷 达 图 像 形 成 一 个 干 涉 对 ， 生 成 既 包 含 地 表 形变 信 息 又 包 含 地 形 相 位 的 干 涉 图 ； 外 部 数 字 高 程 模 型 通 过 运 算 能 够 反 演 出 地 形 相 位 ； 将 上 述 两 类 数 据 叠 加 处 理 ， 去 除 地 形 相 位 后 便 可 得到 地 表 形 变 信 息 干 涉 图 。三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量（ 一 ） 观 测 几 何2 四 轨 法 ： 使 用 四 幅 雷 达 图 像 形 成 两 个 干 涉 对 ， 分 别 为 “ 地形 对 ” 和 “ 地 形 +地 表 形 变 对 ” 。 两 个 干 涉 对 叠 加处 理 ， 去 除 地 形 相 位 后 便 可 得 到 地 表 形 变 信 息 干 涉图 。 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 64 2021年 4月 23日 星 期 五 两 轨 法 和 四 轨 法 的 差 分 原 理 相 似 ！ 如 图 ： 地 面 点 P在 两 次 成 像 期 间 发 生 位 移 d， 反 映 在干 涉 相 位 上 的 数 值 为 ：topflatmd 参 考 相 位 ： 0/4 Bflat 地 形 相 位 ： 01 0sin4 R hBtop 初 始 干 涉 相 位 ： m 三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量（ 一 ） 观 测 几 何 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 65 2021年 4月 23日 星 期 五 3 三 轨 法 ： 使 用 3幅 雷 达 图 像 形 成 两 个 干 涉 对 ， 分 别 为 “ 地形 对 ” 和 “ 地 形 +地 表 形 变 对 ” 。 从 “ 地 形 +地 表 形 变 对 ” 干 涉 相 位 中 ， 直 接 扣 除“ 地 形 对 ” 中 仅 反 映 地 面 高 程 信 息 的 相 位 数 据 ，便 可 得 到 地 表 形 变 信 息 干 涉 相 位 图 。 该 方 法 的 特 点 是 不 需 要 产 生 数 字 高 程 模 型 。三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量（ 一 ） 观 测 几 何 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 66 2021年 4月 23日 星 期 五h 3 三 轨 法 ： 如 图 ： 地 面 点 P在 三 次 成 像 期 间 发 生 位 移 d， 反映 在 干 涉 相 位 上 的 数 值 为 ：222 topflatmd 参 考 相 位 ： 02/2 4 Bflat 地 形 相 位 ： 101022 toptop BB “地 形 +形 变 ” 干 涉 相 位 ： 2m 三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量（ 一 ） 观 测 几 何 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 67 2021年 4月 23日 星 期 五 3 三 轨 法 ： 222 topflatmd 参 考 相 位 ： 02/2 4 Bflat 地 形 相 位 ： 101022 toptop BB “地 形 +形 变 ” 干 涉 相 位 ： 2m 式 中 top1 为 地 形 干 涉 对 的 干 涉 相 位 ：01/1111 4 Bmflatmtop hh 其 中 B0/ 和 B0分 别 代 表 基 线（ 轨 道 偏 移 ） 在 雷 达 参 考 视 线方 向 上 的 平 行 和 垂 直 投 影 分 量 。 二 次 差 分 干 涉 后 进 行 相 位 解 缠 ，得 到 绝 对 相 位 差 abc 反 映 地 表 沿 雷 达 视 线 方 向 的 斜距 变 化 量 为 ： abcR 4 68 2021年 4月 23日 星 期 五 （ 二 ） DInSAR对 地 表 形 变 的 敏 感 度从 式 中 看 出 ：abcR 4 2242 R R2是 差 分 干 涉 相 位 变 化 一 整 周 2所 对 应 的 位 移 量 ，即 DInSAR对 形 变 测 量 敏 感 度 为 雷 达 波 长 的 一 半 。 由 前 面 公 式 可 得 出 ： 1 对 于 DInSAR来 说 ， 基 线 越 短 越 有 利 ； 2 经 二 次 差 分 ， DInSAR具 有 毫 米 级 形 变 测 量 精 度 。三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量（ 一 ） 观 测 几 何 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 69 2021年 4月 23日 星 期 五 四 、 InSAR数 据 处 理 过 程 对 于 单 像 对 干 涉 处 理 ， 首 先 必 须 选 择 合 适 的 干 涉 像对 和 其 它 辅 助 数 据 （ 如 外 部 数 字 高 程 模 型 DEM） ，干 涉 像 对 的 选 择 原 则 ： 1 对 于 DEM生 成 来 说 ， 干 涉 基 线 长 度 应 适 中 ； 2 对 于 地 表 形 变 测 量 来 说 ， 干 涉 基 线 越 短 越 好 。 具 体 步 骤 包 括 ： SAR图 像 配 准 、 干 涉 图 的 生 成 、 参考 面 与 地 形 影 响 去 除 、 相 位 解 缠 和 地 理 编 码 等 。三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量二 、 InSAR基 本 原 理一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 70 2021年 4月 23日 星 期 五 基 于 DInSAR技 术 提 取 地 表 形 变 数 据 的 干 涉 处 理 流 程 71 2021年 4月 23日 星 期 五 五 、 InSAR应 用 实 例 、 精 度 分 析 及 其 局 限 性（ 一 ） 台 湾 集 集 地 区 地 震 形 变 探 测 及 其 精 度 分 析 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 72 2021年 4月 23日 星 期 五 73 2021年 4月 23日 星 期 五 一 、 SAR成 像 原 理 与 图 像 特 征二 、 InSAR基 本 原 理三 、 DInSAR 地 表 形 变 测 量四 、 InSAR数 据 处 理 过 程五 、 InSAR应 用 实 例 、 精 度 分 析 及 其 局 限 性（ 一 ） 台 湾 集 集 地 区 地 震 形 变 探 测 及 其 精 度 分 析（ 二 ） InSAR技 术 探 测 地 表 形 变 的 局 限 性 1 时 、 空 失 相 关 引 起 严 重 的 相 位 噪 声 2 大 气 相 位 延 迟 降 低 形 变 测 量 结 果 的 可 靠 性 研 究 可 能 解 决 的 办 法 ： 采 用 “ 永 久 散 射 体 ” 干 涉 测 量 技 术 可 减 小 时 空 失 相关 和 大 气 相 位 延 迟 对 雷 达 干 涉 结 果 的 影 响 。 3.2 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 74 2021年 4月 23日 星 期 五 建 筑 微 变 远 程 监 测 系 统Image by Interferometric Survey-IBIS IBIS-S是 一 个 基 于 微波 干 涉 技 术 的 高 级 远程 监 控 系 统 ， 它 将 步进 频 率 连 续 波 技 术（ SF-CW） 和 干 涉测 量 技 术 相 结 合 ， 能够 广 泛 应 用 于 建 筑 物 、桥 梁 、 高 塔 、 坝 体 、公 路 和 铁 路 边 坡 等 微小 位 移 变 化 的 监 测 。 75 2021年 4月 23日 星 期 五 3.3 近 景 摄 影 测 量 概 述 近 景 摄 影 测 量 Close range photogrammetry 用 于 变 形 测 量 时 ， 首 先 在 待 测 变 形 体 周 围 稳 定 点上 安 置 照 相 机 或 摄 像 机 ， 对 变 形 体 摄 影 （ 现 在 一 般均 为 数 码 摄 影 ） ， 然 后 通 过 内 业 量 测 和 数 据 处 理 得到 变 形 信 息 。 主 要 优 点 ： 1 像 片 信 息 丰 富 ， 可 批 量 获 取 待 测 物 体 变 形 信 息 2 可 根 据 需 要 定 期 重 复 摄 影 ， 便 于 进 行 变 形 分 析 3 外 业 工 作 量 小 、 效 率 高 、 劳 动 强 度 低 4 可 以 用 于 多 种 变 形 ， 如 长 周 期 、 快 速 和 动 态 等 5 摄 影 属 于 遥 测 ， 可 拍 摄 人 难 以 到 达 的 地 方 。第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 76 2021年 4月 23日 星 期 五 概 述 近 景 摄 影 测 量 可 广 泛 用 于 土 木 、 水 利 工 程 的 勘 测 设计 ， 地 质 调 查 ， 文 物 保 护 ， 大 型 工 程 工 业 测 量 ， 地 理信 息 系 统 建 模 ， 城 建 规 划 分 析 ， 交 通 ， 房 产 ， 环 保 ，矿 山 ， 电 厂 ， 林 业 等 领 域 。 主 要 功 能 ： 1 地 形 测 量 ； 2 三 维 重 建 ； 3 大 型 工 业 测 量 ； 4 土 石 方 量 计 算 ； 5 建 （ 构 ） 筑 物 变 形 观 测 及 滑 坡 监 测 3.3 近 景 摄 影 测 量 第 3章 变 形 观 测 新 技 术 及 工 程 实 例 77 2021年 4月 23日 星 期 五 近 景 摄 影 测 量 系 统 78 2021年 4月 23日 星 期 五 概 述 应 用 地 面 摄 影 测 量 方 法 进 行 变 形 测 量 ， 可 以 有 三种 方 式 ：