InSAR在地面沉降监测中的应用及发展前景

InSAR在地面沉降监测中的应用及发展前景文章来源：资源网上传时间：2010-01-151引言合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）的概念始于20世纪50年代，是正在发展中的极具潜力的微波遥感技术。SAR具有全天时、全天候的工作能力，能够穿透云层，对某些地物具有一定的穿透能力，并能够在不同的微波频段、不同极化状态下得到地面目标的高分辨率图像，因此很快引起各国的热切关注，得到飞速发展。合成孔径雷达干涉技术（InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR）出现于20世纪60年代末，它是SAR与射电天文学干涉测量技术结合的产物。当扫过地面同一目标区域时，利用成像几何关系，通过成像、一些特殊的数据处理和几何转换，即可提取地表目标区域的高程信息和形变信息。由于InSAR技术有效利用了SAR的回波相位信息，测高精度为米级甚至亚米级，而一般雷达立体测量方法只利用灰度信息来实现三维制图，测高精度仅能达到数十米，因此该技术迅速引起了地学界及相关领域科研工作者的极大兴趣，现已成为微波遥感领域的研究热点D-InSAR（DifferentInSAR，差分干涉）技术是在InSAR的基础上发展起来的，它以合成孔径雷达复数据提供的相位信息为信息源，可从包含日标区域地形和形变等信息的一幅或多幅干涉纹图中提取地面目标的微小形变信息。D-InSAR具有高形变敏感度、高空间分辨率、几乎不受云雨天气制约和空中遥感等突出的技术优势，因而有人认为它是独特的基于面观测的空间大地测量新技术，可补充已有的基于点观测的低空间分辨率大地测量技术如全球定位系统（GPS）、甚长基线干涉（VLBI）和精密水准等，从而可以揭示出更多的地球物理现象，最终为地球物理学提供一种全新的动态研究途径。2InSAR、D-InSAR基本原理InSAR测量模式主要有两种：一种是双天线单轨(SinglePass）模式，主要用来生成数字高程模型，一般用于机载SAR；另一种是双轨（TwoPass）模式，主要用于获取地表变形，一般用于星载SAR。下面以重复轨道干涉测量为例，简要介绍InSAR技术的基本原理（见图1）。假设卫星以一定的时间间隔和轨道偏离（通常为几十米到一公里左右）重复对某一区域成像，并在两次飞行过程中处于不同的空间位置S1和S2，则空间干涉基线向量为B，长度用B表示；基线向量B与水平方向的夹角为基线倾角α；S1和S2至地面点P的斜距分别为R和R＋△R；将基线沿视线方向分解，得到平行于和垂直于视线向的分量Bp、B⊥；H为S1到参考面的高度；从S1发射波长为λ的信号经目标点P反射后被S1接收，得到测量相位Φ1，同样，另一空间位置S2上测量到相位Φ2，式中arg{u1}和arg{u2}表示不同散射特性造成的随机相位。假设两幅图中随机相位的贡献相同，则S1和S2关于目标P点的相位差Φ也称为干涉相位（InterferometricPhase)，可由经过配准的两幅SARSLC(SingleLookComplex，单视复数）图共扼相乘得到。根据图1中的几何关系并利用余弦定理可得：（4）、（5）两式即为InSAR确定高程的原理性公式监测形变的D-InSAR技术的基本思想如下：首先选取重复时间间隔尽量短的SLC图像对，用来生成反映数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）的干涉相位图；然后选择跨越同一目标区域形变发生时间段的SLC图像对生成包含地形和形变信息的相位图；将前后两幅相位图相减，即得到反映视线向形变的相位图；再根据相应的成像几何关系计算垂直、水平方向上的形变。理论上，由相位解缠（相位模糊度解算）、成像几何和轨道参数就可以重建DEM，但实际的处理过程相当复杂，一般包括SAR信号预处理、图像配准、生成干涉图、去除平地效应、相位解缠、基线估计、地理编码、DEM建立等过程。长期以来，成像处理、复数影像的精配准、相位解缠、大气效应的改正等都是InSAR数据处理的重点和难点。从InSAR理论提出以来，大部分研究工作都集中在这些方面。但是，至今相位解缠以及大气效应的改正仍未得到很好解决。3InSAR、D-InSAR在地面沉降监测中的应用作为一种新兴的地面形变研究方法，InSAR技术在地面沉降监测方面发挥了愈来愈明显的作用，国内外已有诸多实例。Biegert等（1997）应用不同卫星在美国加利福尼亚州Belridge和Lost山油田重复测量的合成孔径雷达数据对该区的地面沉降进行了研究，结果显示70天内沉降量达到6厘米，此结果与该区每年30厘米的地面沉降速率相吻合。Marcovander(2001)对该油田地面沉降的研究也证明了InSAR技术用于地面沉降的可行性。李德仁等（2000）利用欧空局ERS-1和ERS-2相隔1天的重复轨道SAR数据，经过差分处理对天津市地面沉降进行研究，得到反映地面沉降大小及分布的干涉条纹图。此图与1995～1997年重复水准测量求得的地面沉降等值线图比较，具有明显的一致性和相似性。刘国祥等（2001)用卫星雷达差分干涉技术研究在近海回填地基上建立香港赤腊角机场的稳定性，获得该机场在近1年内的非均匀沉降场，地面分辨率为20米x20米，在填海区域内下沉量呈0～50米的空间分布，与离散水准测量结果吻合较好（相关系数0.89）。证实了ERS-2干涉系统对微小地面沉降敏感度高，精度小于1厘米。4发展前景GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。随着GPS接收机硬件性能的提高和软件处理技术的进步，GPS相对定位的精度从以前的10-7提高到10-9量级，其在地面沉降应用中的精度已达到亚毫米级。GPS和InSAR起源于大地测量和遥感两个不同的领域，但它们技术上的互补性使得它们可以共同应用于在获得空间三维信息和地表变形监测等领域。目前世界上许多国家建立了CGPS网（ContinuousGPSnetworks），用于连续和动态地监测本地区的地面沉降情况。大部分CGPS网的时间分辨率为30秒，基本满足实时动态监测的要求，而空间分辨率却只有几十公里，不能满足小区域地面沉降监测的要求。而InSAR技术虽然具有很高的空间分辨率，星载SAR已达到约20米，但是雷达卫星因其固有的运行周期，所以时间分辨率还满足不了要求。另外大气参数的变化，卫星轨道误差等问题单纯依靠InSAR数据本身难以解决，必须加入其它的辅助数据和必要的技术手段来加以改善。由GPS网络得到的数据可以计算出对流层的水蒸气含量和电离层干扰，这些结果可以修正InSAR中的大气模型。由于GPS的坐标系统与大地坐标系统是联系在一起的，所以在这种意义上，GPS获得的坐标系可以认为是“绝对的”。相反，InSAR结果可认为是“相对”测量值。另外，由于InSAR影像的高空间分辨率性，它在空间意义上可以用来加密GPS结果。所以显然两种技术是互补的。对于地面沉降监测来说，具体的做法如下：第一步，根据GPS数据获得大气模型改正，给出水蒸气可降水量的预测值，从而得出电离层延迟。第二步，以GPS定位结果作为约束条件来减少或消除SAR卫星轨道误差。第三步，进行内插，首先在空间领域利用InSAR结果对GPS网内插，然后在时间领域利用动态模型对加密的网格点进行内插，可以使用自适应滤波的方法建立动态模型。第四步，在双内插结果的基础上，利用卡尔曼滤波往前滤波方法对格网中所有点进行估计，从而得到某一时刻的变形值，这就达到了时间域和空间域的双估计。由于入射角的关系，InSAR技术对高程信息特别敏感，理论上探测精度可达亚厘米级，上已述及，实际中受各种因素的影响，即使利用常规观测结果进行评价其探测精度只能达到厘米级或毫米级。提出用GPS观测数据修正InSAR结果中的诸如对流层、电离层、卫星轨道等误差，必然会提高InSAR技术的实际探测精度，使其接近或达到理论精度