InSAR在地表变形监测中的应用

InSAR在地表变形监测中的应用

一、概述

近年来地震、火山、滑坡和地面沉降等地质灾害越来越严重地威胁着人类的生存空间，针对这种灾害而发展起来的地表形变监测和测量技术就显得尤为重要。20世纪70年代后期，空间影像雷达在遥感中开始扮演重要角色。1978年美国国家航空与航天局(NASA)发射了第一颗用于观测地球表面的SEASAT卫星。而后发现，合成孔径雷达(SAR)可以广泛地用于研究陆地、冰川和海洋、由于空间影像雷达使用微波信号(厘米至分米波段)很少受气象条件及是否有太阳照射影响，可以在任何时候获取全球表面信息，因此非常适用于地表面监测工作。侧视成像、脉冲压缩技术及合成孔径技术的综合应用，可以保证空间影像雷达获得几米到几十米精度的地面几何分辨率。

InSAR英文全称为Interferometric SyntheticAperture Radar,InSAR，中文含义为“合成孔径雷达干涉技术”，是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，InSAR传感器可以通过记载或星载的方式对地球表面成像，由于航天技术的发展，商用卫星的InSAR系统已投入应用，并不断地趋于完善，使该项技术被认为是前所未有的新的空间观测技术。研究表明：其能够生成大规模的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，InSAR用于差分模式(D-InSAR)能以cm级甚至毫米级精度在大的时间与空间尺度上探测到地球表面位移，并已应用于地震与火山研究、冰川运动监测、地球构造运动研究、地面沉降监测等领域。Goldstein等人应用欧洲遥感卫星(或称地球资源卫星)ERS-1间隔6d的数据在没有地面控制点情况下直接测定冰川速率。Massonnet等人首先利用ERS-1资料计算出1992年美国Landers地震的同震位移，获得的地面至卫星方向上的变化量与野外断层滑动测量结果，与GPS观测结果非常一致。Massonnet等人的方法在SAR数据处理时应用了已有的数字地面模型。美国喷气推进实验室(JPL)的Zebker等人应用差分InSAR方法获得了类似的结果，他们的方法是利用3～4圈卫星数据进行差分干涉，同时获得数字地形与形变量。

InSAR是20世纪发展起来的一种新型的空间对地观测技术，它具有高空间分辨率、高精度和面矩阵测量等优点。雷达干涉测量已经广泛的应用于地形测绘、地球表面的形变场探测、海洋研究、森林制图和土地分类与应用等方面，得到了国际地学界的广泛关注。

二、可用于干涉的雷达卫星

目前已发射的多颗合成孔径雷达卫星见表1。

SEASAT海洋卫星是美国国家航空与航天局发射的第一颗利用微波传感器进行海洋监测的卫星，卫星上搭载了SAR传感器，获取的SAR图像被广泛应用于冰川、地质、陆地分析等研究领域。ALMAZ-1卫星是前苏联发射的一颗对地观测卫星，载有S波段SAR系统，遗憾的是，发射10个月后由于故障卫星停止工作，但仍留下许多有用的SAR数据。ERS-1是欧洲空间局(ESA)的第一颗卫星，其SAR数据在海洋、冰川、火山、地形绘制、地形变监测、森林调查、农业等诸多方面的成功应用，极大地增强了人们对InSAR应用的信心，现在人们已经能够以mm级精度监测地表面变化；为进一步增强ERS的应用效率，1995年ESA发射了SAR系统与ERS-1完全相同的ERS-2卫星，所不同的仅是ERS-2仅以35d重复周期工作。两颗卫星可以1d或8d的时间间隔对同一区域成像，利用这种所谓前后串接(Tandem)模式开展InSAR研究。JERS-1是日本的一颗载有光学传感器合成孔雷达的卫星，以能源、森林、农业、海洋、湖泊、沼泽、冰雪等研究为主要目标。Radarsat是加拿大研制的一颗兼顾商用与科学研究试验的雷达遥感卫星，主要任务是供冰川与海洋信息、勘测可再生资源(如林业与农业)和不可再生资源(如地质)。加拿大在两年内即将发射的第二颗Radarsat-2卫星将

携带一套军事监视系统，2005年内计划发射的Radarsat-3卫星主要任务是增强防务监视能力。

表1 已经发射的星载合成孔径雷达 卫星 发射时间 波段/波长 (mm) SEASAT ALMAZ-1 ERS-1 ERS-2 JERS-1 Radarsat SIR-C SRTM 1978-06-28 1991-03-31 1991-07-16 1995 1992-02-11 1995-11 1994 2000-02 1 C/57.7 X,C,L C/56 C 24 可调 35 35 可变 可变 可变 15～45 800 215 233 800 25～30 25～40 30×30 5～150 500 15～90 广扫描 5～5000 C/56.7 L/235 C/56.7 3,35,168 35 44 23 35 785 568 25 18×18 100 75 23 S/96 定向控制 300±10 785 25 100 30×15 2×172 L/235 轨道重复周期 (d) 3 中央入射角 (。) 23 （km） 800 (m) 25×25 轨道高 空间分辨率 扫描宽 度 (km) 100 ENVISAT 2002-03-0航天飞机影像雷达(Shuttle Imaging Radar，SIR)是美国NASA受SEASAT SAR成功鼓舞而实施的星载SAR计划。SIR-A与SIR-B按计划分别于1981年与1984年实施。1994年实施的SIR-C计划是迄今为止惟一的在太空同时获取多波段、多极化的雷达数据。SIR-C搭载了单极化X波段(3cm)传感器，以及全极化L(24cm)波段与C(6cm)波段传感器。为进行重复轨道干涉，SIR-C于1994年4月与10月进行了两次飞行。

航天飞机雷达地形测图计划(SRTM)是美国NASA、美国国防制图局(DMA)与德国空间局合作开展的20世纪第一次载人航天飞行雷达地形测图计划，通过装载在“奋进”号航天飞机的雷达和从航天飞机上伸出60m长臂端的另一雷达天线构成干涉雷达系统，经过222h23min的连续工作，完成了北纬60°至南纬56°的地球表面三维地形测绘，获取了前所未有的高精度地形数据。

ENVISAT是欧洲航天局迄今生产的最先进的地球环境观测卫星，携带有10台地球和大气观测仪器，其中包括先进合成孔径雷达(ASAR)，它将在未来5年里以每100min绕地球运转一周的速度对整个地球的环境进行观测，向地面即时传回数据供科学家进行研究分析。

三、SAR干涉基本原理

图1 SAR干涉基本原理图

如图1，SAR传感器在两个不同位置观测地面某点P，P(x，y，z)点相对于参考平面的高为h=z(x，y)。假设信号发射的方向垂直于轨道运行方向，根据成像几何，高程h可简单表达为：

h?H?R1cos? (1)

θ为雷达视角。为方便讨论，我们假设两次成像期间地面反射物无任何变化，无大气影响。我们称两成像点之间的距离B为基线，如图1定义垂直基线(perpendicular)为B⊥，平行基线(parallel)为B‖，水平基线(horizontal)为Bh，方位垂直基线(vertical)为Bv。通常雷达基线相对于雷达至成像点的距离小得多(B＜＜R)。实际上相干处理本身就对基线有要求，太长的基线不可能相干。可以近似地，R2?B??R1，基线与水平方向夹角为?。SAR信号经地面单元i反射，接收信号相对于发射信号的相移可以表达为： ? ?i??0?4??Ri (2)

φi为地面单元i的相移，它是一个包含许多参数的函数，包括目标类型(点、体散射)，它们的介电常数、含水量、结构以及它们的亮度(极化方式、入射角、频率)等。假设在两个不同的轨道位置对同一地面单元成像时地面单元的特征维持不变，即?01??02,设卫星至地面单元i的距离差R??R1?R2。?R为参考相位(振幅a≡1)，可以得到相位差Φ：

???1??2??R???

根据式(1)，

4??B???R (3)

d?4?dB?4?????B? (4) d??d???

dh?R1sin? (5) d?则高程模糊度(ambiguity)为： ?

dhdhd??R1sin? (6) ???d?d?d?4?B?R1sin??R1sin?????? (7)

4?B?4?Bhcos??Bvsin?于是高程h可表达为： ? h??可以通过迭代求h(先设h=0)。α、B、H是已知量，斜距差可以根据相应的相位差来求

解，理论上可达很高精度(达到子波长级精度)。如ERS-1/2波长为5.6cm，理论上可分辨到2.8mm。最后可利用式(1)求解高程h而得到数字高程模型(DEM)。实际上，利用相位差可以生成干涉相位图，整周是模糊的，相位在1～2π之间。因此必须利用相位解缠(Phase Unwrapping)求解相位整周数。基线数据B和α的确定也是求解地面高程的关键，精密的地面控制点对于DEM的精度非常重要，通常使用的方法是在地面安装角反射器，可有效改善InSAR精度。

地球表面并非平面，曲率本身就会造成干涉条纹，实际上总相位差Φ中包含两个部分：高差相位Φh与地平相位ΦR。即???h??R。?R??4??B???。由于地平相位的存在，

增加了相位解缠与噪声抑制的难度，数据处理时应该去掉。通常是在配准、形成干涉图后，从相位图中直接减去地平相位。去掉的地平相位在相位解缠后应加回到非模糊相位图中。

四、InSAR监测变形的基本原理

? SAR差分干涉原理(D-InSAR)的几何示意图见图2，轨道方向向里，即该图表示距离向平面图，所有角度按逆时针方向定义。地面点P位于椭球面高度h,P 0为P在椭球面的投影(即h=0)，相应的侧视角为θ0；???0???。假设1与2这对影像地面无任何形变，无大气影响，无任何误差，称之为地形对(topo-pair)；而1与3之间存在地形变，称之为形变对(defo-pair)。

对于地形对，基线的垂直与水平分量分别为

B?0?Bcos??0???;B?0?Bsin??0???，干涉相位为?＝-? ???4??B?，改正到椭球面：

4???B?B? (8)

??0对于形变对，假设在雷达视线方向(距离)形变量为△r，可表达为?r??形变△r引起的相位。形变对的干涉相位为：

???r,??r为4??'??

4???B??r? (9)

'?根据图2所示D-InSAR几何，我们不难导出形变△r引起的??r：

'B???r???0? (10)

B?0'

图2 D-InSAR监测变形原理

这是利用3幅单视复图像数据提取地形变量的一个非常重要的公式，通过两幅干涉图垂直基线之比，便能提取地形变干涉条纹，无需解算θ值。要注意前面的假设，地形对无任何形变。

如果研究区域已有足够高精度的DEM，??r可通过DEM数据、SAR成像几何和轨道数据模拟合成，能直接从2幅单视复图像提取地形变信息。

五、InSAR监测变形技术

5.1差分干涉测量（Differential Interferometric Synthetic Aperturem Radar，DInSAR）

差分干涉测量技术是应用重复轨道的方式，在不同的时间获取同一地区雷达影像，利用此两幅影像进行差分干涉，可获得此地区于该时段地表及卫星间的距离变化所造成的雷达波相位差，这种相位差以干涉条纹的形式呈现，构成上包含地形引起的相位差，影像获取期间形变引起的相位差，对流层延迟误差，轨道误差等。通过引入外部DEM（Digital Elevation Model）可将地形相位消除，其他误差通常假定量级较小，或者利用模型将其消除，即可获取地表形变。由于该方法中大气影响难以很好的消除，并且在大量区域存在着信号失相关现象，其测量精度在cm级，其应用领域也在不断扩大如地震、火山、冰川运动、地面沉降、滑波监测、活动板块和构造监测等方面。

5.1.1 D-InSAR基本原理

合成孔径雷达干涉测量的相位贡献，主要来自于地形相位、形变相位、平球相位和大气延迟相位。如果想要获取地表形变信息，则必须要消除区域地形相位、平球相位和大气延迟的相位信息。平球相位可通过卫星轨道和地球椭球严密的几何关系来形成严整的几何算法，大气延迟相位贡献份额是最少的，规律尚且不明显，有专门研究。现阶段，消除区域地形相位方法有四种：

1)选取基线距为零的干涉图像对，无须考虑地形影响，即可获得地表形变量；

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