MT-InSAR技术监测青藏高原多年冻土形变

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多年冻土是指持续冻结两年或两年以上,含有地下冰的岩土层,在我国青藏高原地区分布很广。青藏高原多年冻土具有厚度薄(150~200m),地温高,含冰量高,稳定性差等特点,在全球气候变暖和人类活动的影响下,正经历着严重的退化过程。并引发了一系列的气候和环境问题,以及更严重的热融灾害,给人民的生命财产和工程建设造成了严重的威胁。地表形变是多年冻土变化的一个直观体现,通过对它的监测可以让我们掌握多年冻土变化的规律。但是常规的实地测量技术,因为覆盖面小,效率低,成本高,而很难在青藏高原恶劣的环境中开展工作。DInSAR技术的发展使得快速、大面积监测地表形变成为了可能。为了提高精度和获取长时间的形变特征,本论文采用了多时相DInSAR技术(简称MT-InSAR)来监测青藏高原多年冻土区的地表形变。选取了两个具有不同冻土特征的实验区,分别是北麓河地区和玛多地区。前者位于青藏高原多年冻土区划的内部,后者位于多年冻土区划和季节性冻土区划的交界处。本文主要研究内容和创新点如下:  1、分析了实验区内各典型地物在时间序列ASAR影像上的后向散射特征,为形变监测提供了先验知识和分析的依据。首先根据不同地物类型的后向散射特征差异,利用SAR幅度影像合成的假彩色图和后向散射系数(σ0)的标准偏差对它们进行了判别;其次分析了σ0值的时间序列变化。结果显示在有多年冻土存在的区域,σ0值呈现了显著的季节性变化特征,可以用来监测活动层的冻融循环。  2、引入了基于同质象元的相干系数优化估计算法,提高了青藏铁路、公路的相干性估计精度。  3、首次采用相干系数矩阵的方法,分析了多年冻土区各地物的相干性水平,引起失相干的原因以及失相干的规律。结果显示,相干性由高到底依次是青藏铁路、公路/裸露岩石、稀疏植被、草甸和水体。其中稀疏植被和草甸受时间失相干的影响显著,相干性会在前三个冻融周期内严重衰减,到第四个周期后就维持在较低的水平。而且不同季节交叉干涉的相干性也低于同季节的相干性。  4、采用小基线集(SBAS)技术监测了多年冻土区的地表形变。结果显示两个实验区都出现了地表沉降现象,玛多地区更为显著。北麓河地区的沉降主要发生在地势较低的稀疏植被区,最大速率超过了1 cm/a,其余地区则较为稳定。季节性形变振幅在1 cm以上。玛多地区平均沉降速率为4.76 mm/a,最大的区域达到了2 cm/a,季节性形变振幅约为6.2 mm。形变结果表明,玛多地区的多年冻土层退化更为严重,而且引发了地表干旱。  5、首次利用分布式DInSAR技术监测了热融湖区的地表形变。热融湖在多年冻土区分布很广,是多年冻土退化进程加快的重要因素。但由于失相干严重,常规的MT-InSAR技术不适用于这些区域。本文融合了SqueeSAR技术和SBAS技术,通过相位优化估计和干涉对重组,增加热融湖区点的密度并完成了形变的监测。结果显示,无论是扩张型还是退缩型的热融湖都引发了剧烈的地表沉降和多年冻土退化。
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