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空间测量与地球环境监测研究团队
2020-09-22 10:34  


西南石油大学空间测量与地球环境监测研究团队围绕大地测量和遥感等空间测量领域及相关的技术应用开展研究,在合成孔径雷达干涉测量(属于空间大地测量的一种,亦属于微波遥感领域)可见光遥感区域尺度生态环境因子建模、油气田储层建模及参数反演、地球重力场模型构建与反演以及基于多源观测数据的地球物理现象解译及反演等理论与方法研究方面取得了显著的创新性成果,同时致力于相关的关键技术在地表形变(如城市沉降、建构筑物形变、油气田和工矿沉降、基础设施形变、地震与地质灾害形变等)监测与地球物理参数建模与反演、可见光遥感区域尺度生态环境监测、地球重力场精确建模与似大地水准面精化以及地壳形变和海洋水文监测中的应用,并着力促进上述技术成果的转化。团队研究和应用成果显著拓展了大地测量和遥感领域的理论研究,发展了新的测量数据建模和解算方法,解决了相关领域内的关键科学和技术难题,提高了空间大地测量和遥感监测的精度。

经过年的发展,目前形成了以于冰副教授团队负责人,由5位具有博士学位的全职教师组成的研究团队其中副高2,讲师3人,均为硕士生导师,团队共有硕士研究生近20余人。

  

于冰 博士(后) 副教授    苏勇 博士 副教授

 

 

 

王继燕 博士 讲师

谷延超 博士 讲师

李琼 博士(后) 讲师

研究团队成员

西南石油大学空间测量与地球环境监测研究团队先后获得4项国家自然科学基金、1项博士后基金2项国际合作项目6项省部级科技项目和国家重点实验室基金项目1项省级重点实验室基金项目,获批校级青年科技创新团队1近年来,发表学术论文70余篇,其中SCIEI检索论文20余篇,授权国家发明专利1项。团队成员多次在国内外相关学术会议上做应邀报告和专题报告,团队成员指导学生论文多次获得西南石油大学优秀毕业论文,并指导学生在国家级和省部级竞赛中多次获得特等、金奖和一等奖

团队目前的主要研究方向包括(1) 合成孔径雷达干涉理论、方法及应用(2) 卫星重力测量和精密定轨理论与技术;(3) 可见光遥感区域尺度生态环境因子建模及环境监测(4) 基于多源观测数据的地球物理现象解译及反演。具体如下:

一、合成孔径雷达干涉测量理论、方法及应用

合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar InterferometryInSAR)测量是近年来发展起来的新型对地观测技术,其使用卫星或地基合成孔径雷达(Synthetic Aperture RadarSAR)传感器对地观测所获取的影像进行数据处理,可精确提取地表及附属物的形变信息。目前该技术已在城市沉降、建构筑物形变、油气田和工矿沉降、基础设施形变、地质灾害形变、地震和火山形变、冰流和冰川位移监测中得到应用。相比于传统的测量技术,其具有全天候和全天时成像、几乎不受云雨制约、监测效率高、观测范围广和分辨率高等优点。合成孔径雷达干涉测量及地表形变监测已成为空间大地测量和遥感空间监测领域中的重要发展方向。团队围绕合成孔径雷达干涉测量理论、方法及应用开展了长期深入研究,并致力于算法研发、软件开发及科技成果转化。目前,团队在该研究方向下发展了InSAR理论与方法研究”、“InSAR广域高精度地表形变监测”、“InSAR油气田沉降监测及储层参数建模与反演”、“InSAR人工角反射器技术及应用”、“InSAR地震与地质灾害形变监测”、“InSAR基础设施形变监测”、“InSAR工矿沉降监测”等具体的理论、方法和应用研究方向。目前,该方向研究成果已在城市及区域大范围沉降监测、油气田沉降监测及储层参数反演、道路网沉降监测、高速铁路沉降监测、滑坡形变监测、人工岛沉降监测、煤矿沉降监测等方面取得了较好的应用。

1. InSAR理论与方法研究

InSAR理论与方法研究方面,针对InSAR和时序InSAR中的关键理论和科学与技术问题:提出了联合SAR影像滤波和多级迭代处理的SAR影像与外部数字高程模型配准方法,解决了二者精确配准困难的问题;完善和拓展了InSAR大梯度地表形变建模的理论,提出了适用于大梯度地表形变监测的时序InSAR方法,有效提高了时序InSAR形变监测的适用性和精度;提出了InSAR季节性失相干的概念与理论,拓展了InSAR相干性和失相干的理论研究;提出了温度基线的概念以及基于温度基线的时序InSAR干涉对优化选取方法,有效提高了可用于形变监测的高相干雷达散射体(如永久散射体和分布式散射体)的数量和密度。目前,团队正致力于多类型相干散射体干涉建模与形变解算、时序InSAR二维/三维形变建模理论与解算方法、InSAR时空相位梯度理论、不同波段SAR干涉季节性失相干理论与实验等方面的研究,以期进一步完善InSAR理论研究,提高形变监测精度与适用性。

 

1 SAR影像与DEM多级配准方法及配准后点云融合效果

 

2 适用于大梯度形变监测的时序InSAR方法及实验结果(毫米/)

 

3 季节性失相干理论与实验研究

 

4 温度基线及基于温度基线的干涉对优化选取方法实验结果

2. InSAR广域高精度地表形变监测

广域地表形变监测针对指定的大范围区域开展地表及附属设施形变测量与分析,其中应用较多的是广域地表沉降监测,如全市、全省、多地区或全国地表沉降调查,是城镇规划建设、国土规划、城镇缓慢地质灾害防控的重要手段。传统的单点测量技术(如水准、GPS土工测量)与近景摄影测量技术在效率、成本、空间覆盖范围及空间分辨率方面无法满足广域形变监测的需求。本团队针对广域地表形变监测开展InSAR应用研究,采用永久散射体干涉(PS-InSAR)、小基线集干涉(SBAS-InSAR)以及团队自主研发的相干散射体干涉(CS-InSAR)对天津市、渤海湾西北部、上海市、淮北市和郑州市进行沉降监测,目前正重点对我国主要城市、龙门山地区、四川长宁-威远页岩气开采区、华北平原、西北和东北地区油气田、华北和华中地区油气田、矿藏开采区等区域开展广域地表形变监测,深入研究和拓展InSAR的技术优势,并进一步为团队开展大数据分析和数据挖掘积累数据。

 

 

5 基于多波段时序InSAR的天津市和郑州市广域沉降监测结果

 

6 渤海湾西北部和上海市广域沉降监测结果

3. InSAR油气田沉降监测及储层参数建模与反演

石油开采会导致储层孔隙压力显著降低,致使储层压实,进而引发严重的地面形变,会对油井及附属设施、输送管线以及周边建、构筑物造成破坏。以往研究表明,石油开采所致地表形变主要为沉降,水平形变量级较小。另一方面,地面沉降也是石油储层孔隙压强变化、储层几何形状、位置、深度及开采量(体积变化)等几何状态与物理状态参数在地表的直观体现,利用油田地面沉降信息可反演储层参数。因此,油田沉降监测一直广受关注。本团队主要致力于采用InSAR技术开展油田沉降监测及储层参数建模与反演的理论与应用研究,已重点对塔里木油田、克拉玛依油田和辽河油田开展了沉降监测,并对辽河油田储层参数进行了反演研究。目前正针对国内其他油气田开展沉降监测及储层参数建模与反演研究。

 

 

 

7 塔里木油田、克拉玛依油田及辽河油田沉降监测及储层参数反演模拟结果

4. InSAR人工角反射器技术及应用

InSAR技术难以应用于农田和植被覆盖等完全失相干的区域,而通过在这些区域布设一定数量的人工角反射器(Corner ReflectorCR)可有效解决这一问题。本团队致力于高分辨率InSAR中人工CR的应用,重点研究CR选型与设计、CR布设、CR自动定位与相位中心识别方法、CR在高分辨率SAR影像中的回波信号特征和稳定性以及CR形变提取精度。针对CR的应用,提出一种人工CR和天然PS联合构网的区域沉降监测方法,CR沉降监测精度优于3毫米。

 

 

8 CR设计、布设、构网及沉降监测结果

5. InSAR地震与地质灾害形变监测

地震与地质灾害会诱发严重的地表形变,而地表形变又可作为地质灾害监测的有效前兆信息。地震形变主要来源于震源释放能量引起的地表破裂和位移,被称为同震形变,本团队与其他课题组合作针对汶川地震、玉树地震等国内发生的震级较大的地震开展形变监测及断层参数反演研究,在此不再详细介绍。本团队致力于山地滑坡等地质灾害形变监测,识别不稳定坡体,前期对大光包滑坡开展了形变监测,目前正针对西南山地滑坡时空分布及其与汶川地震等较新地震的关联性开展研究。

 

9 大光包滑坡形变监测结果

6. InSAR基础设施形变监测

国家基础设施(如公路、铁路、高速铁路、堤坝、电网、城镇设施等)是支撑国家建设、国民经济发展和人民生活的重要保障,基础设施的安全性维护至关重要。由于受到资源开采、工程建设、动静荷载以及热膨胀等的影响,这些基础设施及周边区域地表会发生形变或沉降,进而危害其安全性,甚至会造成基础设施损坏,导致经济和生命财产损失。因此,基础设施及周边区域形变的监测已成为保障设施安全的基础性和日常性维护工作。本团队致力于采用InSAR技术监测各类基础设施及周边区域形变,并针对应用中所存在的问题进行技术研发。前期已在高速铁路沉降监测、区域道路网沉降监测、人工岛沉降监测中取得了较好的应用。

 

 

 

10 时序InSAR高速铁路及人工岛沉降监测结果

7InSAR工矿沉降监测

矿产是保障国民经济各个领域平稳发展的基础资源,矿产开采及其安全性历来受到国家和社会的广泛重视。地下矿产(如煤矿)开采往往导致上层地层发生沉陷,严重的会造成塌方事故。矿区沉陷主要表现为严重的地表沉降,可以通过测量技术获取。本团队致力于采用InSAR技术监测工矿区地表沉降,已在淮北市矿区和内蒙矿区沉降监测中得到较好的应用。目前,团队正围绕矿区沉降监测中的技术难题进行研究和开发,以期取得更好的工矿沉降监测效果。

 

11 淮北市矿区沉降监测结果

8. InSAR遥感形变监测技术转化

经过30余年的发展,InSAR在理论和方法方面渐趋完善,InSAR技术的应用开始逐渐打开局面。虽然InSAR技术的转化已引起国内外一些机构的重视,但目前InSAR技术的商业化仍处于起步阶段。本团队除了针对InSAR理论、方法和应用开展研究,同时致力于InSAR技术研发和转化,结合多年来在InSAR理论、方法和应用方面取得的成果和经验,倾力打造具有自主知识产权的“精测空间形变监测系统”,并提供完善的商业化形变监测技术服务,促进InSAR形变监测的商业化发展。

12 正在研发中的“精测空间形变监测系统”界面

二、卫星重力测量和精密定轨理论与技术

卫星重力测量是大地测量学中继GNSS全球定位系统之后又一次具有革命性突破的技术。低轨重力卫星数据反演的全球静态和时变重力场模型,在大地测量学和地球物理学领域得到了广泛应用。卫星精密定轨是现代空间技术发展的关键技术之一,高精度卫星轨道确定对侦查卫星、遥感卫星、导航卫星和科学探测卫星的顺利实施有重要影响项目组独立发展了一种基于重力卫星观测数据监测全球质量变化的三维加速度点质量模型法,独立研制了一套应用低轨重力卫星数据确定全球重力场模型及其在地球物理学研究中的应用软件包(SGAP: Satellite Geodesy Analysis Package),基于该软件包反演的GOCE静态重力场模型和GRACE时变重力场模型的精度达到了国际主流水平;详细处理了GOCE观测数据,采用零相位的带通数字滤波器和移去-恢复法相结合的方法反演了210阶次静态重力场模型。基于星载GNSS数据进行动力学和运动学紧密定轨研究,开发了相应的软件包。

 

1 GRACE三维点质量模型法与球谐位系数法计算的全球质量变化对比

 

2 GRACE时变重力场模型计算的全球质量变化对比

 

3 GRACE-FO时变重力场模型计算的全球质量变化对比

三、可见光遥感区域尺度生态环境因子建模及环境监测

1、基于可见光遥感区域尺度放牧活动的定量化表达

若尔盖高原湿地-草地位于青藏高原东缘,近二十年来,放牧是该区域主要的人类活动。自由放牧是一种随机行为,为实现区域尺度放牧的定量化表达,团队基于时间序列变化的可见光遥感数据,尝试提出一种方法用于直接估算区域尺度放牧强度和放牧时间,获取表征放牧效应(包括放牧强度和放牧时间)的放牧指数探讨放牧指数遥感表征的可行性,实现大区域尺度放牧的遥感监测。

 

 

 

 

若尔盖高原不同类型牧场所占面积比例

若尔盖高原年平均放牧时间空间分布

若尔盖高原平均放牧强度空间分布

1 若尔盖区域尺度放牧活动的定量化表达

2、基于生态模型与数据同化算法的区域尺度碳收支模拟

为了模拟和监测若尔盖高原湿地-草地区域碳收支情况,正确评估该区域湿地和草地区域碳收支现状和固碳潜力,完善湿地碳收支理论,为我国碳排放政策制定提供科学数据支持,团队结合局部和全局敏感性分析方法,利用粒子群优化算法实现生态模型(DNDC模型)本地化采用四维变分的数据同化方法将遥感数据生态模型结合起来,提高模型模拟精度实现区域尺度碳收支的模拟,分析了气候变化下放牧对区域尺度碳收支影响的研究。

 

 

 

DNDC模型结构示意图

数据同化流程图

若尔盖高原2000-2014年平均NEP空间分布

2 若尔盖地区碳收支数据同化模拟结果

、基于多源观测数据的地球物理现象解译及反演

1. GNSS垂向位移和GRACE负荷形变对比分析

地表质量重分布会引起负荷形变,研究表明多种大地测量技术均能够探测陆地水、大气等环境负荷引起的地表垂向形变。以中国大陆环境监测网(简称陆态网)台站为研究对象,分析了中国大陆区域的GNSS垂向位移、GRACE负荷形变和Surface Loading Models负荷模型的一致性水平。当扣除GRACESLMs为代表的季节性垂直负荷形变时,GNSS垂向位移时间序列的季节性信号明显减弱,表明地表质量迁移引起的季节性负荷形变能够有效解释GNSS垂向位移的季节性信号。

 

1 中国陆态网台站GNSSGRACE以及负荷模型垂直位移形变周年信号

深入对比分析了两种观测资料差异的原因,对比了长达15年的多个数据处理中心发布的全球IGS核心参考站GNSS垂向位移和GRACE负荷形变,得出了GNSS JPL计算结果和GRACE CSR Mascon估算的垂向负荷形变的周年振幅。研究表明:不同GRACE产品之间具有较好的一致性;而不同GNSS产品之间的一致性较差;当考虑到不同GNSS数据处理策略所引起的内部一致性时,GRACE代表的地表质量迁移所引起的负荷形变能够有效地解释80%左右的IGS核心台站的GNSS垂向位移周年信号。

 

2 GRACEGNSS垂向位移形变周年信号矢量图和其残差矢量图及直方统计图

2. 利用密集GNSS台站观测数据反演区域陆地水储量

利用密集GNSS台站也可提供较为准确的陆地水储量变化信息,项目组利用云南省及其周边47个陆态网台站垂向位移负荷形变数据反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化。通过GNSS陆地水储量反演结果与GRACEGLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用当前云南地区GNSS台站可以作为独立观测量反演陆地水储量变化,为陆地水储量监测提供另外一种可行的方案。该研究可在局部地区将GNSS负荷形变转换为区域陆地水储量,实现从负荷形变和陆地水储量两个角度全面对比分析GNSSGRACE数据的一致性。

 

3 GPSGRACEGLDASTRMM估算的云南省陆地水周年振幅

3. 融合多源数据研究全球及区域海平面变化

利用卫星测高、GRACE与温盐数据分析全球及区域海平面变化,针对局部区域的海平面变化提出了改进的尺度因子。红海地区单一的温盐数据存在覆盖不全或质量不佳的问题,综合CORASODAORAS4温盐数据估算结果得到平均比容海平面变化以改善比容信号的精度。针对GRACE数据处理过程中截断与空间平滑滤波引起的泄漏误差,提出改进尺度因子纠正泄漏误差,利用卫星测高数据进行模拟实验验证了改进尺度因子的有效性。利用传统尺度因子和改进尺度因子反演的红海质量变化周年振幅分别为16.1±1.320.5±1.7 cm,利用卫星测高和温盐数据估算的质量变化周年振幅为20.2±1.0 cm,表明改进尺度因子可有效减小泄漏误差的影响,改善GRACE模型反演红海质量变化的精度。卫星测高、GRACE卫星重力数据以及平均温盐数据具有较好的一致性:联合GRACE和温盐数据估算的红海综合海平面变化周年振幅为16.6±1.7 cm,与卫星测高估算的总海平面变化周年振幅(16.2±0.9 cm)基本一致,表明多源数据可构成完整的红海海平面监测手段。

 

4 红海总海平面、比容海平面和质量变化时间序列

 

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于冰

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