InSAR在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用及發(fā)展前景

1、InSAR在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用及發(fā)展前景文章來源：資源網(wǎng)上傳時(shí)間：2010-01-151引言合成孔徑雷達(dá)（SyntheticApertureRadar,SAR）的概念始于20世紀(jì)50年代，是正在發(fā)展中的極具潛力的微波遙感技術(shù)。SAR具有全天時(shí)、全天候的工作能力，能夠穿透云層，對某些地物具有一定的穿透能力，并能夠在不同的微波頻段、不同極化狀態(tài)下得到地面目標(biāo)的高分辨率圖像，因此很快引起各國的熱切關(guān)注，得到飛速發(fā)展。合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)（InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR）出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末，它是SAR與射電天文學(xué)干涉測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。當(dāng)

2、掃過地面同一目標(biāo)區(qū)域時(shí)，利用成像幾何關(guān)系，通過成像、一些特殊的數(shù)據(jù)處理和幾何轉(zhuǎn)換，即可提取地表目標(biāo)區(qū)域的高程信息和形變信息。由于InSAR技術(shù)有效利用了SAR的回波相位信息，測高精度為米級甚至亞米級，而一般雷達(dá)立體測量方法只利用灰度信息來實(shí)現(xiàn)三維制圖，測高精度僅能達(dá)到數(shù)十米，因此該技術(shù)迅速引起了地學(xué)界及相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的極大興趣，現(xiàn)已成為微波遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)D-InSAR（DifferentInSAR，差分干涉）技術(shù)是在InSAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提供的相位信息為信息源，可從包含日標(biāo)區(qū)域地形和形變等信息的一幅或多幅干涉紋圖中提取地面目標(biāo)的微小形變信息。D-InSAR

3、具有高形變敏感度、高空間分辨率、幾乎不受云雨天氣制約和空中遙感等突出的技術(shù)優(yōu)勢，因而有人認(rèn)為它是獨(dú)特的基于面觀測的空間大地測量新技術(shù)，可補(bǔ)充已有的基于點(diǎn)觀測的低空間分辨率大地測量技術(shù)如全球定位系統(tǒng)（GPS）、甚長基線干涉（VLBI）和精密水準(zhǔn)等，從而可以揭示出更多的地球物理現(xiàn)象，最終為地球物理學(xué)提供一種全新的動態(tài)研究途徑。2InSAR、D-InSAR基本原理InSAR測量模式主要有兩種：一種是雙天線單軌（SinglePass）模式，主要用來生成數(shù)字高程模型，一般用于機(jī)載SAR；另一種是雙軌（TwoPass）模式，主要用于獲取地表變形，一般用于星載SAR。下面以重復(fù)軌道干涉測量為例，簡要介紹In

4、SAR技術(shù)的基本原理（見圖1）。假設(shè)衛(wèi)星以一定的時(shí)間間隔和軌道偏離（通常為幾十米到一公里左右）重復(fù)對某一區(qū)域成像，并在兩次飛行過程中處于不同的空間位置S1和S2,則空間干涉基線向量為B，長度用B表示；基線向量B與水平方向的夾角為基線傾角a；S1和S2至地面點(diǎn)P的斜距分別為R和R+AR；將基線沿視線方向分解，得到平行于和垂直于視線向的分量B、B；Hp丄為S到參考面的高度；從S1發(fā)射波長為入的信號經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)P反射后被S1接收，得到測量相位,同樣，另一空間位置S2上測量到相位2,式中arguj和argu2表示不同散射特性造成的隨機(jī)相位。假設(shè)兩幅圖中隨機(jī)相位的貢獻(xiàn)相同，則S和S2關(guān)于目標(biāo)P點(diǎn)的相位差也稱

5、為干涉相位（InterferometricPhase），可由經(jīng)過配準(zhǔn)的兩幅SARSLC（SingleLookComplex，單視復(fù)數(shù)）圖共扼相乘得到。根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系并利用余弦定理可得：（4）、（5）兩式即為InSAR確定高程的原理性公式監(jiān)測形變的D-InSAR技術(shù)的基本思想如下：首先選取重復(fù)時(shí)間間隔盡量短的SLC圖像對，用來生成反映數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）的干涉相位圖；然后選擇跨越同一目標(biāo)區(qū)域形變發(fā)生時(shí)間段的SLC圖像對生成包含地形和形變信息的相位圖；將前后兩幅相位圖相減，即得到反映視線向形變的相位圖；再根據(jù)相應(yīng)的成像幾何關(guān)系計(jì)算垂直、水平方向上

6、的形變。理論上，由相位解纏（相位模糊度解算）、成像幾何和軌道參數(shù)就可以重建DEM，但實(shí)際的處理過程相當(dāng)復(fù)雜，一般包括SAR信號預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、生成干涉圖、去除平地效應(yīng)、相位解纏、基線估計(jì)、地理編碼、DEM建立等過程。長期以來，成像處理、復(fù)數(shù)影像的精配準(zhǔn)、相位解纏、大氣效應(yīng)的改正等都是InSAR數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從InSAR理論提出以來，大部分研究工作都集中在這些方面。但是，至今相位解纏以及大氣效應(yīng)的改正仍未得到很好解決。3InSAR、D-InSAR在地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用作為一種新興的地面形變研究方法,InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測方面發(fā)揮了愈來愈明顯的作用，國內(nèi)外已有諸多實(shí)例。Bieger

7、t等（1997）應(yīng)用不同衛(wèi)星在美國加利福尼亞州Belridge和Lost山油田重復(fù)測量的合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)對該區(qū)的地面沉降進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示70天內(nèi)沉降量達(dá)到6厘米，此結(jié)果與該區(qū)每年30厘米的地面沉降速率相吻合Marcovander（2001）對該油田地面沉降的研究也證明了InSAR技術(shù)用于地面沉降的可行性。李德仁等（2000）利用歐空局ERS-1和ERS-2相隔1天的重復(fù)軌道SAR數(shù)據(jù)，經(jīng)過差分處理對天津市地面沉降進(jìn)行研究，得到反映地面沉降大小及分布的干涉條紋圖。此圖與19951997年重復(fù)水準(zhǔn)測量求得的地面沉降等值線圖比較，具有明顯的一致性和相似性。劉國祥等（2001）用衛(wèi)星雷達(dá)差分干涉技

8、術(shù)研究在近?；靥畹鼗辖⑾愀鄢嗯D角機(jī)場的穩(wěn)定性，獲得該機(jī)場在近1年內(nèi)的非均勻沉降場，地面分辨率為20米x20米，在填海區(qū)域內(nèi)下沉量呈050米的空間分布，與離散水準(zhǔn)測量結(jié)果吻合較好（相關(guān)系數(shù)0.89）。證實(shí)了ERS-2干涉系統(tǒng)對微小地面沉降敏感度高，精度小于1厘米。4發(fā)展前景GPS是20世紀(jì)70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著GPS接收機(jī)硬件性能的提高和軟件處理技術(shù)的進(jìn)步,GPS相對定位的精度從以前的10-7提高到10-9量級，其在地面沉降應(yīng)用中的精度已達(dá)到亞毫米級。GPS和InSAR起源于大地測量和遙感兩個不同的領(lǐng)域，但它們技術(shù)上的互補(bǔ)性使得它們可以共同應(yīng)用于在

9、獲得空間三維信息和地表變形監(jiān)測等領(lǐng)域。目前世界上許多國家建立了CGPS網(wǎng)（ContinuousGPSnetworks），用于連續(xù)和動態(tài)地監(jiān)測本地區(qū)的地面沉降情況。大部分CGPS網(wǎng)的時(shí)間分辨率為30秒，基本滿足實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測的要求，而空間分辨率卻只有幾十公里，不能滿足小區(qū)域地面沉降監(jiān)測的要求。而InSAR技術(shù)雖然具有很高的空間分辨率，星載SAR已達(dá)到約20米，但是雷達(dá)衛(wèi)星因其固有的運(yùn)行周期，所以時(shí)間分辨率還滿足不了要求。另外大氣參數(shù)的變化，衛(wèi)星軌道誤差等問題單純依靠InSAR數(shù)據(jù)本身難以解決，必須加入其它的輔助數(shù)據(jù)和必要的技術(shù)手段來加以改善。由GPS網(wǎng)絡(luò)得到的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出對流層的水蒸氣含量和電離

10、層干擾，這些結(jié)果可以修正InSAR中的大氣模型。由于GPS的坐標(biāo)系統(tǒng)與大地坐標(biāo)系統(tǒng)是聯(lián)系在一起的，所以在這種意義上，GPS獲得的坐標(biāo)系可以認(rèn)為是“絕對的”。相反，InSAR結(jié)果可認(rèn)為是“相對”測量值。另外，由于InSAR影像的高空間分辨率性，它在空間意義上可以用來加密GPS結(jié)果。所以顯然兩種技術(shù)是互補(bǔ)的。對于地面沉降監(jiān)測來說，具體的做法如下：第一步，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)獲得大氣模型改正，給出水蒸氣可降水量的預(yù)測值，從而得出電離層延遲。第二步，以GPS定位結(jié)果作為約束條件來減少或消除SAR衛(wèi)星軌道誤差。第三步，進(jìn)行內(nèi)插，首先在空間領(lǐng)域利用InSAR結(jié)果對GPS網(wǎng)內(nèi)插，然后在時(shí)間領(lǐng)域利用動態(tài)模型對加密的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，可以使用自適應(yīng)濾波的方法建立動態(tài)模型。第四步，在雙內(nèi)插結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波往前濾波方法對格網(wǎng)中所有點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)，從而得到某一時(shí)刻的變形值，這就達(dá)到了時(shí)間域和空間域的