InSAR在地表变形监测中的应用(2)

2)应用外部因素来消除地形因素的效果，来获得地表形变量。外部因素主要是DEM数据。

3）利用第三幅合成孔径雷达图像，采用干涉的方法，来消除地形影响，获得干涉形变量；

4)利用四幅SAR图像，采用地表形变前后两两干涉的方法来消除地形影响，获得干涉形变量。

就现阶段来讲基线距为零的干涉图像对很少，所以方法一很难实现；方法二即所谓的两通或者两轨法干涉测量，由于其少用一景SAR图像，在InSAR数据源相对匮乏的今天来讲，该方法经济上具有很大优势，目前已有研究成果表明,两轨法干涉测量所得测量结果在整体上与三轨干涉基本一致，因此两轨法精度上是可行；方法三又称三通或三轨法干涉测量，是标准差分干涉测量方式；方法四即四通差分干涉测量，精度上更可靠，但适合干涉的SAR数据选取更加困难，经济上也不是很合理。

5.2永久散射体干涉测量（Permanent Scatterers Interferometric Synthetic Aperture Radar，PSInSAR）

尽管DInSAR技术在地表变形监测上，与其他方法相比颇具优势，然而一般来说较适合应用于植被较少，地形起伏和缓的区域。山区及植被较厚的地区，因地表特征物会随着时间而变化以及大气效应，会影响干涉结果的精度。Permanent Scatterers（永久散射体)技术是20世纪末由意大利学者首先提出的，以解决常规干涉中大气影响、失相干、DEM误差等问题,极大地拓展了InSAR技术的应用前景,为精确研究地壳形变提供了强有力工具。所谓永久散射体,即是指在相当长的时间内仍然保持稳定反射特性的散射体，这些永久散射体可提供信噪比极高的信号。在取出这些永久散射体于时间序列上的相位后，利用卫星基线与地形效应误差相关的关系，以及假设在一个特征尺度范围內大气效应为一致的情況之下，可将对于DInSAR结果影响最多的两项因素（即大气延迟误差和DEM误差）从信号中消除，达到对PS点的精密观测。一般情況来说，PS点位数量城市区域每平方公里可在数十个点以上，而郊区部份也可达每平方公里内有几个点，这样的资料密度，已经远超过多数地区GPS的站 位密度。PSInSAR的基本原理是：在给定的一组雷达干涉图像中，按照某种准则选择相位稳定的一系列点作为永久散射体,也就是PS点,并且根据给定的相位模型,去除这些PS点的大气附加相位，DEM误差和其他噪声,进而得到准确的地表形变。通常，PS技术需要处理同一地区30景以上的干涉图,以选取一组反射特性强、时间上稳定的地物目标作为PS点,保证计算结果的精确性。

5.3人工角反射器干涉测量技术（Corner Reflector InSAR，CRInSAR）

如果在所研究区域，譬如矿区，找不到足够密度的天然永久散射体，可以安装人工制作的散射体，通常称为角反射器（Corner Reflector）以增强地表反射雷达信号的能力。通过分析这些角反射器信号达到地表监测的目的。对于角反射器，其高程已精确确定，在常规DInSAR处理中可以避免高程误差对相位的影响从而提高观测精度。若有若干影像亦可对角反射器进行时间序列分析，其流程与PSInSAR相似。

5.4短基线干涉测量技术（Small Baseline Subset InSAR，SBAS）

该技术以基线较短的影像对中的相干点为观测对象，通过最小二乘或奇异值分解的方法从一系列影像中提取形变信息。相比于PSInSAR该方法可以获取更多可靠的相干点即PS点。在相位解缠有保证的前提下可以获取更丰富而可靠的形变信息。

六、DEM生成过程

展开的相位可以用来生成DEM，雷达信号获取到DEM生成的流程图如图3所示：

图3 由SAR干涉数据得到地面模型的处理过程

七、InSAR技术应用于地面沉降监测的国内外经验

InSAR技术的应用主要体现在以下几个方面：①大规模的数字高程模型(DEM)的建立和地形制图；②地球表面形变场的探测，包括地震位移测量、火山运动监测、冰川漂移、地表沉降与山体滑坡等引起的地表位移监测；③森林调查与制图；④海洋测绘以及土地利用与分类等。

干涉测量形变监测主要依据的技术原理在相关文献多有记述(Zebker，1986；Gabrieletal，1989；Santitamnont，1998)。国外率先应用InSAR技术进行开采沉陷监测。波兰学者Perski利用InSAR技术对Upper Silasia煤田开采下沉盆地进行了系统研究(Perski，1998；2000，Perski和Jura，1999)，作为对照，Upper Silssia煤田开采沉陷监测也采用了GPS技术(表2)。由于Upper Silasia煤田开采大量采用水沙充填，下沉量远小于自然冒落开采，因此，采用沉降监测要有较高精度。沉陷监测的实践表明，InSAR技术具有大面积、连续、快速的优势，可以达到厘米级的分辨率，完全满足精度要求，是水准测量和GPS测量的有效补充，在大面积、短周期沉陷区损害调查及预测中优势明显。

表2 Upper Silasia煤田开采下沉盆地GPS控制点的沉降量与InSAR对比表?

控制点 460 0458 1458 2240 GPS 观测沉降(mm) 48 38 42 30 InSAR 计算沉降(mm) 42 43 41 35 差值 (mm) -6 +5 -1 +5 5240 3259 0259 26 32 35 31 37 36 +5 +5 +1 国内，西南交通大学与香港理工大学合作，利用InSAR技术对香港赤腊角机场沉降场进行分析，认为InSAR对微小的地表沉降具有很高的敏感度，结果精度优于1cm(Liu，et al.2002)。

国内外InSAR技术用于城市地表沉降监测的实践表明，InSAR技术具有大面积、连续快速、准确的优势。因城市地面覆盖植被较少，城市用地变化较少，干涉测量在城市区域往往表现出较高相干性；且InSAR监测可得到一定面积空间的平均变化值，而传统方法只能得到点或线的差异。这些特点说明InSAR技术特别适合城市环境地面沉降监测。

八、InSAR技术的局限性

与其它方法(如GPS监测等)相比,用InSAR及D InSAR进行地面形变监测有很多优点，主要体现在:(1)覆盖范围大,方便迅速:(2)成本低,不需要建立监测网;(3)空间分辨率高,可以获得某一地区连续的地表形变信息;(4)可以监测或识别出潜在或未知的地面形变信息:(5)全天候,不受云层及昼夜影响。

但是也有局限性，地震、火山等引起的地表形变不只是垂直方向上的位移，也包含有水平方向上的位移。只有单一的垂直方向的位移的时候，我们可以根据目标与雷达的几何关系将视线方向上的形变量转换成垂直方向的位移。而既有垂直方向位移，又有水平方向位移的形变，视线方向上的形变量将如何转换还是需要进进一步研究的。

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CGSP网(cotinuous GPS net works),用于连续和动态地监测本地区的地面沉降情况。大部分CGSP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,必须加人其它的辅助数据和必要的技术手段来加以改善。

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