InSAR 毫米级地表形变监测的关键技术及应用

附件 3： 提名提名国家国家科技进步科技进步奖项目公示奖项目公示 项目名称 InSAR 毫米级地表形变监测的关键技术及应用 提名单位 教育部 提名单位意见： 项目简介： 雷达技术是一门重要的军事技术，近年发现雷达干涉测量（InSAR）可以快速测绘 几百乃至几万平方公里大范围内地表形变，因而得到民用领域的高度关注。但要达到 监测毫米级形变的目标，有诸多关键技术难题需要解决。面对这一国家重大需求和国 际性技术难题，该项目在国家 863 计划和国家自然科学基金等资助下，创新性地引入 了测量平差技术，系统研究了 InSAR 大气误差抑制、去相干噪声滤波、复杂形变建模 及三维形变测量等，建立了一套具有自主知识产权的 InSAR 毫米级形变测量数据处理 的成套技术和软件体系。具体创新如下： （1） 建立了考虑高程和融合多源资料的高精度 InSAR 大气延迟改正的理论与技术 体系。突破了常规方法难以融入多源水汽资料、难以控制大范围复杂地形下的大气噪 声的问题， 形成了一套 InSAR 大气误差改正技术， 与国际经典大气水汽插值技术相比， 精度提高可达到 50%。 （2）提出了基于最小二乘平差的 InSAR 失相关噪声最优滤波的理论与技术体系。 兼顾了噪声滤除和条纹信息保持，建立了量化的综合目标函数，形成了一套 InSAR 失 相关噪声抑制技术，与国际经典滤波技术相比，改善 20%以上。 （3） 建立了附加约束的 InSAR 地表形变测量平差理论与技术体系， 发明了基于人 工角反射器约束的 PS-InSAR 技术， 解决了传统方法无起算数据的问题， 精度显著改善； 在国际上率先引入了地表物理力学约束，突破了传统方法地表匀速运动假设的限制， 可靠性显著提高。 （4） 提出了融合多源异质 InSAR 的三维形变估计理论与技术体系， 形成了基于方 差分量估计的 InSAR 方差后验估计方法，解决了 InSAR 测量值难以精确定权的难题； 发明了基于卡尔曼滤波的 InSAR 三维形变序贯平差技术，在国际上率先实现了 InSAR 三维形变序列的实时估计。 该项目获授权发明专利 6 项、软件著作权 4 项，发表 SCI/EI 收录论文 270 篇。 国际测量工作者联合会第六委员会用项目成果表述国际同期进展；排名世界大学前五 的加州理工学院 Simons 和 Rosen 教授、 美国 SIO 的 Bock、 日本 IEEE GRS 协会主席 Ouchi 等及国内李德仁院士团队、 郭华东院士团队等都正面评价了相关成果， 日本 SEG 前主席 Matsuoka 教授命名该项目的滤波方法为:“Li 滤波器” ，并证明是最有效的滤波 方法； 国际期刊 IEEE GRSL 选用项目成果做封面； 受邀在地学顶级刊物 Earth-Science Reviews （影响因子 7.0）发表综述文章。 项目成果，解决了 InSAR 在噪声抑制、数据融合和变形探测等方面的关键技术难 题，大幅提高了 InSAR 地表形变测量的精度、可靠性和工程化应用能力。在国际上打 破了西方在 InSAR 领域的技术优势，被印尼技术评估局应用于 Anak Krakatau 火山研 究，解决了火山大气误差改正问题；应用于 Yogyakarta 地震断层观测，解决了断层区 域地形复杂条件下观测噪声处理问题；被德国地学中心用来改进斯坦福大学研制的国 际著名 InSAR 软件 StaMPS。在国内，应用于投资 90 亿元的“国家先进技术光伏示 范基地” ，保障了国家首个光伏项目的安全实施；应用于世界锑都冷水江，保障了湖南 2 万人生命财产安全，并为我国编制矿山地面塌陷沉降监测技术指南提供了重要参 考；应用于珠三角，重庆、安徽等地，及国土、矿山、电力等多个行业、保障了多个 重大地质灾害项目的实施等；应用于芦山地震，获得了国家减灾中心表彰。湖南省科 技厅主持科技成果鉴定，专家一致认为该项目： “总体达到了国际先进水平，其中在 InSAR 大气改正、多源数据融合、形变测量质量控制等方面居国际领先水平” 。 客观评价： 1. 主要学术评价 （1）2013 年 5 月 11 日湖南省科技厅主持科技成果鉴定，专家一致认为： “在国 内外产生了显著影响，总体达到国际先进水平，其中在 InSAR 大气改正、多源数据融 合、形变测量质量控制等方面居国际领先水平” ； （2）国际测量工作者联合会（FIG）第六委员会主席、加拿大大地测量中心主任 Chrzanowski 教授在 FIG 变形测量委员会进展报告(2006-2008)中， 用该项目的成果表述 了国际同期的进展； （3）加州理工学院 Simons 和 Rosen 教授，在地球物理专著卷 3-大地测量学 的 InSAR 专题InSAR 大地测量中多次引用项目成果； （4）日本勘探地球物理协会（SEG）前主席、京都大学 T. Matsuoka 教授领导的 国际合作团队，对比研究了国际经典的 Goldstein 滤波、Baran 滤波以及该项目提出的 滤波技术，多项指标比较得出结论：该项目滤波技术“远比其他两种滤波技术有效， 能显著的提高干涉图的质量，是干涉图相位解缠前滤波的最佳滤波技术” 。全文 8 次 引用项目成果； （5）日本 IEEE GRS 协会前主席、国际 IEEE 协会会士、国际电磁科学院院士、 日本防卫大学教授 Kazuo Ouchi 在最新的综述文章中指出： “想了解更多细节，可以 参考两篇很好的 InSAR 大气综述文章612,613” ； （6）武汉大学宋小刚博士和李德仁院士等；中国科学院对地观测与数字地球科学 中心的孙中昶博士和郭华东院士等、香港中文大学陈思来博士和林珲教授等都引用并 正面评价该项目成果； （9）国际大地测量委员会空间大地测量分支主席、IPCC 报告首席撰稿科学家之 一、美国俄亥俄州立大学 C.K. Shum 教授领导的团队在最新发表的论文中 10 次引用该 项目的约束建模成果，并将该项目提出的约束建模算法应用于青藏高原北部冻土区， 证明其是估计冻土季节性形变的有效方法； （10） 美国 JPL 客座科学家、 意大利国家研究理事会 A. Pepe 研究员在论文中指出： “提出了一种创新性的基于卡尔曼滤波的融合方法，特别是可以融合多轨道数据获取 高时空分辨率形变场26” ； （11）受 Tim Horscroft（Elsevier 地球科学杂志的 Review Papers Coordinator）的邀 请在国际顶级期刊 Earth-Science Reviews(IF:7.051)上撰写综述论文， 并得到了多名国际 著名 InSAR 专家（如美国地质调查局 M.P. Poland 研究员、利兹大学 A. Hooper 教授、 西班牙土地测量部 M. Crosetto 主任等）的引用和推介； 2. 主要应用评价 （1）印度尼西亚技术评估与应用局的 Agustan 等在研究 Anak Krakatau 火山时， 指出由于没有 GPS 观测数据和其他外部数据，该项目发展的“基于地形高程信息的大 气相位建模策略是研究该火山地区唯一可选的技术” ； （2）日本京都大学的 Tsuji 等在研究印度尼西亚 Yogyakarta 地震断层时，指出该 项目“提出的自适应滤波技术，显著地改善了观测结果” ； （3）德国 GFZ“雷达与光学遥感地质灾害分析”研究组主席 M. Motagh 博士采 用该项目大气改正技术改进斯坦福大学研制的 InSAR 软件 StaMPS，结果表明经改正 后相位和 DEM 的相关系数减少了 80%； （4）成功应用于“大同采煤沉陷区国家先进技术光伏示范基地” （总规模 300 万 千瓦，第一期 100 万千瓦，已投入 90 亿元） ，对大同采煤沉陷区近 2000 平方公里范围 的地表进行持续监测，精度达到毫米级，为光伏基地选址、建设、安全运行和维护及 灾害防护提供了科学依据，节约了大量的人工成本； （5）成果应用于湖南宝大兴矿区地面沉降监测，湖南省国土资源厅评价： “准 确获取了宝大兴矿区的沉降序列图，发现了多个沉降漏斗，揭示了矿区沉降漏斗的发 展和演化情况，得到了综合治理过程中整体地表形变规律，为国家重点治理项目（3.2 亿）宝大兴塌陷区的监测预警、塌陷区治理方案的制定和实施提供了重要支撑” ； （6）参加了国家减灾中心组织的芦山地震抗震救灾及评估工作，国家减灾委员会 认为： “提供了专家支持、数据共享服务和技术支撑，有力保障了芦山地震灾害评估 工作的科学有序开展与圆满完成” ； （7）成果应用于中国地质环境监测院承担的典型矿山地质环境监测预警关键技 术方法公益性行业专项，中国地质环境监测院评价： “为编制我国矿山地面塌陷 监测技术指南提供了重要的参考，为国土资源公益性行业专项提供了重要的监测 技术支撑” ； （8）成果应用到珠三角地面沉降监测，广东省地质局评价： “突破了珠三角大 气水汽影响严重、相干性低以及形变估计基准难统一等问题，为珠江三角洲及周边 地区地面沉降地质灾害监测项目（投入 8000 万）的实施提供了有效的技术手段，为 珠三角地面沉降的监测、预警、控制与治理提供了重要的科技支撑” ； （9）成果应用到太原市地面沉降监测，山西省地质环境监测中心评价： “准确 地获取了太原的地面沉降序列图，为太原市的防灾减灾、城市规划、水利防洪设施建 设、管线建设等提供了重要依据，为太原市地质灾害防治规划编制提供了重要参 考” ； （10）成果应用于湖南湘潭换流站、四川双龙换流站、四川乌东德水电站、重庆 滑坡监测等湖南、四川、重庆、广东等多个省份、城市、电力、矿山等多个行业，为 相关项目成的安全运营和地质灾害预警提供了重要科学依据，并且节约了由传统地面 测量导致的大量人工成本。 推广应用情况： 在国际上，成果被印度尼西亚技术评估与应用局应用于印度尼西亚 Anak Krakatau 火山研究，并被认为该项目发展的“基于地形高程信息的大气相位建模策略是研究该 火山地区唯一可选的技术” ； 被日本京都大学应用于印度尼西亚 Yogyakarta 地震断层的 活动监测研究，并被认为该项目“提出的自适应滤波技术，显著地改善了观测结果”； 被德国地球科学研究中心（GFZ）应用于改进斯坦福大学研制的 InSAR 软件 StaMPS， 结果表明经改正后相位和 DEM 的相关系数减少了 80%。 在国内，成果已经成功应用于湖南、安徽、山西、四川、重庆、广东、辽宁等多 个省份，及城市、电力、矿山、国土、减灾、公路铁路等多个行业，为相关项目的安 全运营和地质灾害预警提供了重要科学依据，为相关行业部门的技术指南、政府部门 的规划编制提供了重要参考，并且节约了由传统地面测量导致的大量人工成本。应用 于面积约 1687 平方公里的大同采煤沉陷区监测，有力支持了“大同采煤沉陷区国家先 进技术光伏示范基地”项目的建设，为光伏基地选址、建设、安全运行和维护及灾害防 护提供了科学依据，节约了大量的人工成本；应用于湖南冷水江锡矿山地质灾害最为 严重的宝大兴塌陷区监测，为国家重点治理项目（3.2 亿）宝大兴塌陷区的监测预警、 塌陷区治理方案的制定和实施提供了重要支撑；应用于珠江三角洲及周边地区地面沉 降地质灾害监测， 为 珠江三角洲及周边地区地面沉降地质灾害监测 项目 （投入 8000 万）的实施提供了有效的技术手段，为珠三角地面沉降的监测、预警、控制与治理提 供了重要科技支撑；应用于太原市由于地下水过度开采导致的地面沉降监测，为太原 市的防灾减灾、城市规划、水利防洪设施建设、管线建设等提供了重要依据，为太 原市地质灾害防治规划编制提供了重要参考；应用于中国电力工程顾问集团中南电 力设计院有限公司的电力工程变形监测，为湖南湘潭换流站、四川双龙换流站、四川 乌东德水电站等电力工程的安全运营和地质灾害预警提供了重要科学依据，并且节约 了由传统地面测量导致的大量人工成本；应用于重庆市滑坡地质灾害监测，为滑坡灾 害的监测、预报提供了及时准确的决策支持，在重庆市地灾普查和重要灾害点应急预 案编制中也获得应用，对各区县的地灾防治规划编制具有重要意义；应用于安徽省皖 北煤电集团钱营孜煤矿的塌陷区监测，为矿区地表规律系列研究提供了重要支撑，为 塌陷区治理方案制定提供了重要的依据。 主要知识产权证明目录： 知识 产权 类别 知识产权具体名 称 国家 （地 区） 授权号 授权 日期 证书 编号 权利 人 发明人 发明专 利有效 状态 发明 专利 一种基于 InSAR 技术的矿区开采 监测方法 中国 ZL201 310011 306.2 2014 年 7 月 30 日 1450 558 中南 大学 朱建军、 杨泽 发、李志伟、 胡俊 有效专 利 发明 专利 一种利用单个 InSAR 干涉对获 取矿区地表三维 形变场的方法 中国 ZL2012 1044087 5.4 2015 年 1 月 28 日 1575 705 中南 大学 朱建军、 杨泽 发、李志伟、 胡俊 有效专 利 发明 专利 一种基于时域离 散 InSAR 干涉对 的矿区地表时序 形变监测方法 中国 ZL2014 1033358 0.6 2016 年 8 月 24 日 2213 625 中南 大学 朱建军、 杨泽 发、李志伟、 胡俊、赵蓉、 杜亚男 有效专 利 发明 专利 一种基于平地相 位的 SAR 干涉基 线精确估计方法 中国 ZL2014 1081467 1.1 2017 年 2 月 22 日 2389 381 中南 大学 李志伟、许 兵、朱建军、 杨亚夫 有效专 利 发明 专利 一种利用 InSAR 反演地下流体体 积变化和三维地 表形变的方法 中国 ZL2015 1048621 2.X 2017 年 4 月 26 日 2468 405 中南 大学 胡俊、丁晓 利、李志伟、 朱建军 有效专 利 发明 专利 InSAR 监测高速 公路路面沉降方 法 中国 ZL200 910227 141.6 2012 年 1 月 18 日 8987 01 中南 大学 朱建军、胡 俊、丁晓利、 李志伟 未按时 缴纳年 费失效 的专利 软件 著作 权登 记权 InSAR 高速公路 形变提取与分析 软件 中国 2010S R0036 83 2010 年 1 月 21 日 0191 956 中南 大学 朱建军、 李志 伟、汪长城、 宋才秀 其他有 效的知 识产权 软件 著作 权登 记权 CRInSAR 高速公 路形变提取与分 析软件 中国 2010S R0036 84 2010 年 1 月 21 日 0191 957 中南 大学 朱建军、 李志 伟、汪长城、 易恒 其他有 效的知 识产权 软件 著作 权登 记权 光伏发电地基沉 降监测信息管理 系统 中国 2017S R3501 86 2017 年 7 月 6 日 1935 103 中南 大学 李志伟， 许兵 其他有 效的知 识产权 软件 著作 权登 记权 形变监测与分析 SAR 软件 中国 2017S R3498 19 2017 年 7 月 6 日 1935 470 中南 大学 李志伟， 许兵 其他有 效的知 识产权 主要完成人情况： 1. 朱建军，排名 1，重点实验室主任，教授，工作单位：中南大学，完成 单位：中南大学，是该成果的总负责人，是项目总体方案制定和成果应 用的主要实施者。对主要创新点（1）、（3）、（4）均有重要贡献， 具体完成了创新点（1）中大气延迟插值模型研究，创新点（3）中附加 约束的 InSAR 形变测量平差技术研究，创新点（4）中多源异质观测量 后验方差估计研究和多时域 InSAR 测量值序贯平差技术研究。 2. 李志伟 ，排名 2，系主任，教授，工作单位：中南大学，完成单位：中 南大学，对主要创新点（1）、（2）、（3）、（4）均有重要贡献，具 体完成了主要创新点（1）中的考虑高程信息和融合多源资料的 InSAR 大气延迟改正技术研究，创新点（2）兼顾失相干噪声滤除和条纹保持 的最小二乘滤波技术研究， 创新点 （3） 中附加物理模型的 SBAS-InSAR 形变测量平差技术，创新点（4）中多源异质 InSAR 及其他形变观测值 联合估计地表三维形变的函数模型研究。 3. 丁晓利，排名 3，副院长，教授，工作单位：香港理工大学，完成单位： 香港理工大学，对主要创新点（1）、（2）、（3）、（4）均有重要贡 献，具体完成了创新点（1）大气延迟改正技术的研究，创新点（2）中 失相关噪声处理技术研究， 创新点 （3） 中附加物理模型的 SBAS-InSAR 形变测量平差技术，创新点（4）中多时域 InSAR 测量值序贯平差技 术研究。 4. 胡俊，排名 4 ，教授，工作单位：中南大学，完成单位：中南大学，对 主要创新点（3）、（4）均有重要贡献，具体完成了创新点（3）中附 加物理模型约束的 SBAS-InSAR 形变测量平差技术研究，创新点（4） 中多源异质观测量后验方差估计研究和多时域 InSAR 测量值序贯平 差技术研究。 5. 张勤，排名 5 ，教授，工作单位：长安大学，完成单位：长安大学，对 主要创新点（3）、（4）均有重要贡献，具体完成了创新点（3）中附 加物理模型约束的 SBAS-InSAR 形变测量平差技术研究及在滑坡监测 中的应用研究，创新点（4）中的建立了多源异质 InSAR 及其他形变观 测值联合估计地表三维形变的函数模型研究及在城市地表沉降、 滑坡监 测中的研究。 6. 张杏清 ，排名 6，大队长、党委书记，教授级高工，工作单位：广东省 地球物理探矿大队，完成单位：广东省地质测绘院，对主要创新点（3） 有重要贡献，具体完成了创新点（3）附加约束的 InSAR 地表形变测 量平差理论与技术在深圳市区、 珠三角地区、 雷州半岛地区的应用研究。 7. 谢荣安，排名 7，总工程师，教授级高级工程师，工作单位：广东省地 质测绘院，完成单位：广东省地质测绘院，对主要创新点（3）有重要 贡献，具体完成了创新点（3）附加约束的 InSAR 地表形变测量平差 理论与技术在深圳市区、珠三角地区、雷州半岛地区的应用研究。 8. 陈国良，排名 8，重点实验室副主任、系副主任，教授，工作单位：中 国矿业大学，完成单位：中国矿业大学，对主要创新点（3）有重要贡 献，具体完成了创新点（3）附加约束的 InSAR 地表形变测量平差理 论与技术在矿区的应用研究， 将项目的研究成果推广到皖北煤电集团钱 营孜煤矿应用。 9. 戴吾蛟，排名 9，副院长，教授，工作单位：中南大学，完成单位：中 南大学，对主要创新点（3）有重要贡献，具体完成了创新点（3）附加 约束的 InSAR 地表形变测量平差理论与技术研究。 10. 冯光财，排名 10，副教授，工作单位：中南大学，完成单位：中南大 学，对主要创新点（3）有重要贡献，具体完成了创新点（3）附加约束 的 InSAR 地表形变测量平差理论与技术研究及在地震同震形变监测研 究。 主要完成单位及创新推广贡献： 单位名称单位名称 中南大学中南大学 排名排名 1 对本项目科技创新 和推广应用情况的 贡献 项目主持单位， 与香港理工大学一起开展了理论和算法研究的 攻关工作，主导完成了该项目的所有科技创新，并联合香港理 工大学将研究成果应用于湖南省锡矿山的地面沉降监测， 联合 中国矿业大学将研究成果应用于皖北煤电集团钱营孜煤矿的 地面沉降监测， 联合广东省地质测绘院将研究成果应用于深圳 市区、珠三角地区和雷州半岛地区的地面沉降监测。 单位名称单位名称 香港理工大学香港理工大学 排名排名 2 对本项目科技创新 和推广应用情况的 贡献 完成了该项目的科技创新点“ InSAR 大气改正、噪声探测与处 理的理论与方法研究”和“基于卡尔曼滤波的多时域 InSAR 测 量值动态平差方法”，并与中南大学一起将研究成果应用于湖 南省锡矿山的地面沉降监测。与项目主持单位一起获得 2013 年教育部自然科学一等奖“InSAR 大气影响研究” 和测绘科技 进步一等奖“InSAR 高精度地表形变测量的理论方法研究与应 用” 。 单位名称单位名称 中国矿业大学中国矿业大学 排名排名 3 对本项目科技创新 和推广应用情况的 贡献 参与了该项目的科技创新点“附加约束的 InSAR 地表形变测量 平差理论与方法研究”，并与中南大学一起将研究成果应用于 皖北煤电集团钱营孜煤矿的地面沉降监测。 单位名称单位名称 广东省地质测绘院广东省地质测绘院 排名排名 4 对本项目科技创新 和推广应用情况的 贡献 参与了该项目的科技创新点“附加约束的 InSAR 地表形变测量 平差理论与方法研究”，并与中南大学一起将研究成果应用于 深圳市区、珠三角地区和雷州半岛地区的地面沉降监测。与项 目主持单位一起获得 2013 年中国测绘科技进步一等奖 “InSAR 高精度地表形变测量的理论方法研究与应用”。 单位名称单位名称 长安大学长安大学 排名排名 5 对本项目科技创新 和推广应用情况的 贡献 参与了该项目的科技创新点“基于人工角反射器等约束形变测 量方法”的研究，并与中南大学、香港理工大学一起将成果应 用于太原市地表沉降监测、重庆市滑坡地质灾害监测。 完成人合作关系说明： InSAR 毫米级地表形变监测的关键技术及应用项目由中南大学牵 头，联合香港理工大学，中国矿业大学，广东省地质测绘院及长安大学共 同完成，本项目主要完成人的合作关系明确，具体合作如下： 1