TanDEM-X雙站SAR干涉測(cè)量及研究進(jìn)展

孫亞飛， 江利明， 柳林， 孫永玲， 汪漢勝

(1.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

TanDEM-X雙站SAR干涉測(cè)量及研究進(jìn)展

孫亞飛1，2， 江利明1， 柳林1，2， 孫永玲1，2， 汪漢勝1

(1.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

較全面、系統(tǒng)地介紹了TanDEM-X/TerraSAR-X雙站SAR科學(xué)計(jì)劃，重點(diǎn)涉及其科學(xué)目標(biāo)、TanDEM-X衛(wèi)星參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)以及干涉數(shù)據(jù)獲取模式等相關(guān)內(nèi)容，并討論了雙站SAR成像、極化InSAR和數(shù)字波束成形等干涉測(cè)量新技術(shù)及其研究進(jìn)展。這些雙站SAR新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將大大地推動(dòng)SAR干涉測(cè)量在全球地形測(cè)繪、冰川學(xué)、海洋學(xué)及地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

TanDEM-X科學(xué)計(jì)劃；雙站SAR干涉測(cè)量；新SAR技術(shù)；全球地形測(cè)繪；地學(xué)應(yīng)用

0 引言

近幾十年來(lái)，星載SAR技術(shù)與應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展，SAR影像已成為十分重要的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)源[1]。干涉SAR(InSAR)是雷達(dá)遙感的重要發(fā)展方向。2000年美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)圖計(jì)劃(SRTM)展示了InSAR技術(shù)在地形測(cè)繪方面的卓越性能[2]。作為X-SAR/SRTM計(jì)劃的延續(xù)，德國(guó)宇航局分別于2007年6月15日和2010年6月21日成功發(fā)射了TerraSAR-X(TSX)衛(wèi)星和TanDEM-X(TDX)衛(wèi)星，2顆衛(wèi)星編隊(duì)飛行，構(gòu)建雙站SAR干涉系統(tǒng)，獲取全球范圍的高分辨、高精度DEM數(shù)據(jù)[3]。這些數(shù)據(jù)對(duì)于地形測(cè)繪、冰川學(xué)、水文學(xué)和海洋學(xué)等地球科學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。

本文較為詳細(xì)地闡述了TanDEM-X雙站SAR科學(xué)計(jì)劃，重點(diǎn)分析了雙站SAR成像、極化InSAR和數(shù)字波束成形等TDX/TSX雙站SAR干涉測(cè)量新技術(shù)，并評(píng)述了該技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力及國(guó)內(nèi)外最新研究成果。

1 TanDEM-X雙站SAR科學(xué)計(jì)劃

2010年6月21日德國(guó)宇航局成功發(fā)射TanDEM-X衛(wèi)星，與之前的TerraSAR-X衛(wèi)星進(jìn)行雙星星座模式運(yùn)行，開(kāi)創(chuàng)了真正意義的星載雙站SAR干涉測(cè)量[4]。與其他衛(wèi)星星座運(yùn)行方式相比，TanDEM-X雙站SAR干涉測(cè)量采用近距離螺旋結(jié)構(gòu)運(yùn)行，消除了時(shí)間去相干和大氣去相干等去相干源，TDX/TSX衛(wèi)星飛行效果如圖1所示。

圖1 TanDEM-X /TerraSAR-X衛(wèi)星飛行效果Fig.1 Flight’s view of TanDEM-X/TerraSAR-X satellite formation

與2000年NASA獲取的SRTM數(shù)據(jù)相比，TanDEM-X DEM由南北緯60°范圍的覆蓋擴(kuò)展到全球覆蓋，包括南北極的全部地區(qū)，且分辨率和高程精度分別提高到12 m和2 m[5]，根據(jù)用戶需求，甚至可以分別達(dá)到6 m和0.8 m。未來(lái)幾年內(nèi)，TanDEM-X DEM將會(huì)替代SRTM，成為新一代全球DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，TanDEM-X科學(xué)計(jì)劃將會(huì)探索一些新SAR技術(shù)，如雙站SAR成像、極化InSAR、數(shù)字光束成形和超高分辨率圖像等[6]。

1.1 TanDEM-X/TerraSAR-X衛(wèi)星簡(jiǎn)介

TanDEM-X衛(wèi)星的系統(tǒng)參數(shù)和成像模式與TerraSAR-X衛(wèi)星的基本一致，但TanDEM-X衛(wèi)星安裝了協(xié)調(diào)星座間運(yùn)行的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，以及接收TerraSAR-X衛(wèi)星GPS位置信息和狀態(tài)信息的天線裝置[7]。2顆衛(wèi)星的基本參數(shù)如表1所示。

表1 TanDEM-X/TerraSAR-X衛(wèi)星基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of TanDEM-X/TerraSAR-X satellites

1.2 科學(xué)目標(biāo)

TanDEM-X雙站SAR科學(xué)計(jì)劃的首要目標(biāo)是獲得一個(gè)全球的、連續(xù)的和高分辨率的DEM。TanDEM-X衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為5 a，與TerraSAR-X衛(wèi)星至少有3 a的編隊(duì)飛行時(shí)間[8]。在3 a的重疊期中，首先進(jìn)行6個(gè)月的試運(yùn)行階段，之后2 a內(nèi)將會(huì)調(diào)整空間基線范圍，獲取全球DEM數(shù)據(jù)。其中,在重疊期的最后半年，將獲取地形復(fù)雜地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)[9]；重疊期之后，TanDEM-X計(jì)劃將專注于獲取大基線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表2可知，第一年的垂直基線范圍為200 ～ 450 m，第二年的垂直基線將會(huì)擴(kuò)大到第一年的1.3倍，范圍為450 ～ 600 m。之后半年內(nèi)，TanDEM-X計(jì)劃將調(diào)整垂直基線范圍為500 ～ 3 000 m，以減小陰影、疊掩和透視收縮所引起的誤差，獲取復(fù)雜地形的DEM。3 a后，TerraSAR-X衛(wèi)星如果仍能與TanDEM-X衛(wèi)星保持編隊(duì)飛行，TanDEM-X計(jì)劃將進(jìn)行各種基線的數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)。歐空局為使其保持長(zhǎng)期編隊(duì)飛行，在TerraSAR-X衛(wèi)星停止運(yùn)行后，將會(huì)發(fā)射TerraSAR-X2繼續(xù)維持編隊(duì)飛行[10]。

表2 TanDEM-X任務(wù)時(shí)間表Tab.2 TanDEM-X mission timeline

1.3 軌道結(jié)構(gòu)

TanDEM-X和TerraSAR-X衛(wèi)星在非常接近的軌道面上協(xié)同運(yùn)行[6]，通過(guò)調(diào)整雙星編隊(duì)飛行結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)線角度、近地點(diǎn)角度、軌道扁率和雙星相位，結(jié)合在不同升降軌節(jié)點(diǎn)偏離軌道平面的位移和在不同扁率矢量垂直方向放射狀的偏離，這種雙星編隊(duì)形成了一種沿軌道螺旋狀衛(wèi)星之間的相對(duì)飛行[11]，形成螺旋(helix)飛行結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。該軌道結(jié)構(gòu)不存在相交情況，保證了2顆衛(wèi)星安全運(yùn)行。2顆衛(wèi)星空間基線的順軌方向分量小于1 km，甚至在預(yù)定緯度上可以小于250 m，交叉軌方向分量在200 ～ 600 m之間，以滿足不同應(yīng)用的需求。Helix編隊(duì)可保持穩(wěn)定的高程模糊度(height of ambiguity)，且使南北半球同一緯度能以相同的有效基線觀測(cè)，如圖2(b)所示[12]。

(a) TanDEM-X/TerraSAR-X軌道結(jié)構(gòu) (b) 有效基線與軌道位置的關(guān)系[12]

圖2 TanDEM-X/TerraSAR-X雙星編隊(duì)飛行示意圖

Fig.2 Formation flying for TanDEM-X/TerraSAR-X

1.4 干涉數(shù)據(jù)獲取模式

TDX/TSX衛(wèi)星編隊(duì)采用3種協(xié)作模式獲取干涉數(shù)據(jù)(圖3)，并且這3種模式與聚焦、條帶和寬幅SAR成像模式自由組合[6]。其中雙站模式是TanDEM-X計(jì)劃中生成DEM的最常用模式，而其他數(shù)據(jù)獲取模式只進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定和驗(yàn)證。

(a) 雙站模式(b) 單站追蹤模式(c) 雙站交替模式

圖3 3種數(shù)據(jù)獲取模式[4]

Fig.3 Three data acquisition modes[4]

1)雙站模式。如圖3(a)所示，在該模式下，任何一顆衛(wèi)星都可以作為雷達(dá)脈沖發(fā)射衛(wèi)星，2顆衛(wèi)星同時(shí)接收回波信號(hào)，消除了時(shí)間去相干源和大氣去相干源，但必須保證2顆衛(wèi)星間PRF(pulse repetition frequency)同步。雙站模式是TanDEM-X計(jì)劃中獲取DEM的標(biāo)準(zhǔn)模式。

2)單站追蹤模式。如圖3(b)所示，單站追蹤模式不需要保持2顆衛(wèi)星同步，可以單獨(dú)運(yùn)行。為避免2顆衛(wèi)星雷達(dá)信號(hào)的干擾，2顆衛(wèi)星空間基線在順軌方向分量必須大于10 km，除了在植被、中高風(fēng)速水面等地區(qū)外，大部分地物都能保證較高的相干性。該模式與傳統(tǒng)重復(fù)軌道干涉模式相似，但在時(shí)間去相干方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于重復(fù)軌道干涉模式。

3)雙站交替模式。如圖3(c)所示，雙站交替模式要求TanDEM-X和TerraSAR-X輪流發(fā)射雷達(dá)脈沖，同時(shí)接收回波信號(hào)。2顆衛(wèi)星輪流發(fā)射完一次脈沖稱為一次交替，每次發(fā)射脈沖的衛(wèi)星獲得的圖像稱為主圖像，相應(yīng)另一顆衛(wèi)星獲得的圖像稱為輔圖像。雙站交替模式一次交替獲取2幅主圖像和2幅輔圖像，同一顆衛(wèi)星的主圖像和輔圖像用來(lái)測(cè)定振蕩器引起的相位誤差，進(jìn)行雙站SAR干涉測(cè)量精確相位校正。相位校正后，2幅輔圖像可以合為一個(gè)雙倍PRF的輔圖像。同時(shí)，一次交替生成2幅具有不同高程模糊度的干涉圖：

①一顆衛(wèi)星的主圖像與另一顆衛(wèi)星的輔圖像生成一幅干涉圖，干涉圖的高程模糊度為

hamb=(λrsinθi)/B⊥,

(1)

式中:λ為脈沖波長(zhǎng);r為斜距;θi為入射角;B⊥為視線向垂直基線。

同樣地，另一對(duì)主圖像和輔圖像也生成一幅干涉圖。通過(guò)合并2幅干涉圖來(lái)提高相位校正精度。

②2幅主圖像也可以生成一幅干涉圖，且相位模糊度為第一幅干涉圖的2倍。該干涉圖的高程模糊度為

hamb=(λrsinθi)/2B⊥,

(2)

雙站交替模式采用交替發(fā)射脈沖方式，獲取2種不同相位模糊度的干涉圖。這2種干涉圖既能夠提高干涉相位解纏質(zhì)量和效率，又能夠區(qū)分一次散射和二次散射。

2 雙站SAR新技術(shù)

TanDEM/TerraSAR雙站SAR新技術(shù)主要包括雙站SAR成像、極化InSAR、數(shù)字波束成形、超高分辨率及多基線InSAR數(shù)據(jù)處理等[7]。

1)雙站SAR成像。雙站SAR成像技術(shù)是將主圖像和輔圖像融合為多角度觀測(cè)圖像的技術(shù)?；诶走_(dá)信號(hào)特征的雙站雷達(dá)散射面對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，通過(guò)比較雙站SAR圖像的后向散射系數(shù)進(jìn)行圖像分割和圖像分類。雙站SAR成像還可應(yīng)用于海洋狀態(tài)參數(shù)反演、地表粗糙度估算和地形坡度計(jì)算，以及林業(yè)、立體航空攝影測(cè)量、氣象學(xué)和大氣學(xué)等領(lǐng)域。

2)極化InSAR[13]。采用多種極化數(shù)據(jù)減小干涉相位變化，可以獲取高質(zhì)量干涉圖和高分辨率DEM。結(jié)合星載或機(jī)載L波段極化SAR數(shù)據(jù)，反演出森林樹(shù)高和樹(shù)冠層等農(nóng)林參數(shù)，生成數(shù)字表面模型(digitalsurfacemodel,DSM)。

3)數(shù)字波束成形。數(shù)字波束成形是結(jié)合一些無(wú)方向的小天線模擬成一條大且?guī)Х较虻奶炀€。TerraSAR-X衛(wèi)星和TanDEM-X衛(wèi)星具有雙天線接收設(shè)備，能夠獲取4個(gè)中心的相位數(shù)據(jù)。數(shù)字波束成形能夠獲取一個(gè)高分辨率寬刈幅圖像，且能解決交替雙星模式的時(shí)間沖突問(wèn)題。

4)超高分辨率。2顆衛(wèi)星接收同一地面點(diǎn)的回波信號(hào)具有不同的角度，通過(guò)合成這2種信號(hào)生成超高分辨率SAR圖像。

5)多基線InSAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)。TanDEM-X可以獲取寬幅SAR、聚焦干涉、雙基線雙站交替干涉和分離帶寬干涉SAR等各種SAR數(shù)據(jù)，擴(kuò)大DEM的覆蓋區(qū)域，提高其分辨率。此外，TanDEM-X將進(jìn)行多基線數(shù)據(jù)處理，提高DEM精度，獲取高階差分相位和雙差分InSAR相干值。與之前ERS開(kāi)創(chuàng)的重復(fù)軌道干涉測(cè)量一樣，TanDEM-X將開(kāi)創(chuàng)多樣SAR干涉處理新時(shí)代。

3 雙站InSAR主要應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)實(shí)際需求的不同，按照交叉軌干涉SAR技術(shù)和順軌干涉SAR技術(shù)分別對(duì)TanDEM-X應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析與展望。

3.1 交叉軌干涉SAR的應(yīng)用領(lǐng)域

交叉軌干涉SAR技術(shù)主要用來(lái)生成高精度DEM。對(duì)2條SAR天線獲取的圖像進(jìn)行相位差值，并將相位轉(zhuǎn)換成高程生成DEM數(shù)據(jù)。精確的DEM或DEM副產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、冰川學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)、地質(zhì)學(xué)、城區(qū)制圖、導(dǎo)航、災(zāi)害應(yīng)急管理、土地覆蓋和植被等領(lǐng)域。

1)全球地形測(cè)繪。目前，獲取局部地區(qū)高分辨率和高精度的DEM相對(duì)容易，但獲取一個(gè)全球的、高分辨率、高精度和有統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式及投影的DEM比較困難[14]。2000年NASA航天飛機(jī)獲取SRTMDEM覆蓋了全球南北緯60°之間的范圍，但存在年數(shù)久遠(yuǎn)、分辨率低、精度低以及未能全球覆蓋和有數(shù)據(jù)空洞等問(wèn)題。TanDEM-X計(jì)劃作為SRTM項(xiàng)目的延續(xù)，其主要目的仍是全球地形測(cè)繪，將生成精度滿足HRTI-3(highresolutionterraininformation)標(biāo)準(zhǔn)的全球覆蓋、12m高分辨率的DEM用于科學(xué)研究和商業(yè)用途[15]。

2)冰川學(xué)。冰川物質(zhì)平衡、冰川氣候相互影響和冰川盆地徑流的監(jiān)測(cè)及建模，都需要精確的DEM，且多期DEM可以進(jìn)行時(shí)序物質(zhì)平衡探測(cè)和冰川退縮監(jiān)測(cè)[16]。而TanDEM-X脈沖信號(hào)為低穿透性的X波段，可以提供冰川物質(zhì)平衡變化和冰川退縮引起海平面上升方面的精確數(shù)據(jù)。DEM還可以作為一個(gè)重要輸入?yún)?shù)[17]，用于極地冰川變化模擬。盡管CryoSAT-2數(shù)據(jù)也能提供冰川地形[18]，但分辨率較低，而TanDEM-X可提供高分辨的DEM。

3)水文學(xué)。高分辨率DEM可用于區(qū)域洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和與水文有關(guān)的地貌特征提取(如水系網(wǎng)、集水區(qū)和地表濕潤(rùn)系數(shù)等)[19]。TanDEM-X提供的高精度DEM可縮小現(xiàn)有水文模型的差距，開(kāi)辟遙感在水文學(xué)方面新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4)海洋學(xué)。目前只有ERSSAR和ENVISATASAR星載單天線SAR能夠進(jìn)行洋流波形測(cè)量[20]。而TanDEM-X干涉數(shù)據(jù)有望克服傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺陷，提高海洋波譜的估計(jì)精度。另外，SAR圖像顯示的精細(xì)洋流信息也可開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，譬如洋流-波形相互作用參數(shù)。TanDEM-X還可以提供海洋學(xué)中的2個(gè)重要參數(shù)，即二維海洋波譜和風(fēng)場(chǎng)參數(shù)。且TanDEM-X的SAR數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出二維海洋波譜的波高、波傳播方向和波長(zhǎng)參數(shù)以及高分辨率風(fēng)場(chǎng)。

5)地質(zhì)學(xué)。高精度的DEM是地質(zhì)科學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地面沉降、火山、地震和海嘯等地質(zhì)災(zāi)害都需要最新且精確的DEM，用以計(jì)算災(zāi)害發(fā)生前后的變化信息[21-23]。目前，只有TanDEM-X計(jì)劃能夠獲取全球高精度的DEM數(shù)據(jù)。

6)城區(qū)制圖。城市土地利用、城市規(guī)劃、城市環(huán)境和城市安全等領(lǐng)域都需要精確的DSM[24-25]。TanDEM-X將提供高分辨率且適合提取城市地區(qū)DSM的干涉對(duì)數(shù)據(jù)，解決了陰影、疊掩和多路徑效應(yīng)導(dǎo)致SAR圖像及干涉相位解譯的困難。

3.2 順軌干涉SAR的應(yīng)用領(lǐng)域

順軌干涉SAR技術(shù)是通過(guò)計(jì)算2幅同一地區(qū)、不同時(shí)刻的SAR圖像相位差，探測(cè)移動(dòng)目標(biāo)并估計(jì)其速度。與交叉軌干涉SAR相比，順軌干涉的2幅SAR數(shù)據(jù)獲取時(shí)間方面存在短時(shí)間的差異。這種差異可以通過(guò)調(diào)整2顆衛(wèi)星在順軌方向的距離實(shí)現(xiàn)，也可采用單顆衛(wèi)星的雙天線接收(DRA)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。2顆衛(wèi)星間距可以在0～1 000m范圍內(nèi)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同速率的動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測(cè)和估算。順軌干涉SAR可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)海洋洋流、冰川流速和交通流量等領(lǐng)域。

1)洋流和河流流速提取。海岸帶洋流地圖集的制作、深海變化監(jiān)測(cè)、潮汐發(fā)電機(jī)位置確定和不能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的洋流和河流流速提取等，都需要高分辨的流場(chǎng)數(shù)據(jù)[26]。順軌干涉測(cè)量技術(shù)能夠提供該類數(shù)據(jù)。2000年的SRTM項(xiàng)目已成功獲取順軌干涉測(cè)量數(shù)據(jù)，而TanDEM-X順軌干涉測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并可根據(jù)用戶需求提供實(shí)驗(yàn)區(qū)的時(shí)序數(shù)據(jù)。

2)冰川流速監(jiān)測(cè)。除冰川地形和接地線位置外，冰川流速也是計(jì)算冰川物質(zhì)平衡變化的重要參數(shù)[27]。TanDEM-X能夠提供適合的時(shí)間基線和空間基線，有效監(jiān)測(cè)各種流速的冰川變化，成為監(jiān)測(cè)冰川流速的最佳手段之一。

3)交通流量監(jiān)測(cè)。交通流量監(jiān)測(cè)需要探測(cè)移動(dòng)目標(biāo)及其速度等參數(shù)[28]。TanDEM-X計(jì)劃的雙站順軌干涉，尤其2顆衛(wèi)星上的DRA設(shè)備，在沒(méi)有外部參考數(shù)據(jù)情況下能夠精確測(cè)量動(dòng)態(tài)目標(biāo)的前后偏移量、速度和加速度等參數(shù)。

4 TanDEM-X研究新成果

自TanDEM-X衛(wèi)星成功發(fā)射以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)TanDEM-X雙站SAR干涉測(cè)量研究越來(lái)越重視，已在城區(qū)DEM提取、森林制圖、生物量估算、冰川地形提取及質(zhì)量平衡估算、火山監(jiān)測(cè)、洋流和河流流速提取等領(lǐng)域取得了突出的研究成果。

1)城區(qū)DEM提取。城市擴(kuò)張監(jiān)測(cè)及城市測(cè)繪等城區(qū)管理方面均需要高精度DEM。由于傳統(tǒng)重復(fù)軌道數(shù)據(jù)獲取模式在時(shí)間去相干和時(shí)間基線等方面存在缺陷，難以在城區(qū)DEM提取方面得到廣泛推廣。Rossi等[29]采用TanDEM-X雙站SAR數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)多視技術(shù)，結(jié)合TanDEM-X雙站SAR高相干特性，提取了德國(guó)柏林地區(qū)10m分辨率DEM。

2)森林制圖。碳排放量是影響氣候變化的一個(gè)重要因素，擁有有效的森林覆蓋率監(jiān)測(cè)手段尤為重要。TanDEM-X獲取了全球覆蓋、高分辨率的雙站SAR數(shù)據(jù)，克服了時(shí)間去相干、體散射去相關(guān)等相關(guān)源，成為森林土地覆蓋、森林分類的重要數(shù)據(jù)源。Schlund等[30]采用TanDEM-X雙站SAR數(shù)據(jù)的相干特性，有效地進(jìn)行了森林分類及土地覆蓋監(jiān)測(cè)。

3)植被生物量估算。目前，利用航空激光雷達(dá)、光學(xué)遙感等手段可以進(jìn)行生物量的估算，但受數(shù)據(jù)精度低、連續(xù)性差及云雨天氣等的影響，在大范圍、高精度生物量估算方面受到限制。Solberg等[31]通過(guò)TanDEM-X雙站SAR干涉測(cè)量，提取了挪威森林的時(shí)間序列DSM，并對(duì)森林隨時(shí)間變化的DSM進(jìn)行分析，得到了森林DSM與生物量之間的關(guān)系。Caicoya[32]，Lange[33]和Treuhaft[34]等也采用TanDEM-X數(shù)據(jù)對(duì)Boreal,Lardal及Brazil地區(qū)進(jìn)行了植物生物量估算和植被分類。

4)冰川地形提取及質(zhì)量平衡估算。山岳冰川和冰原的消融對(duì)全球氣候變化和區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境具有顯著影響。GRACE重力衛(wèi)星資料在監(jiān)測(cè)南北極冰蓋和冰架質(zhì)量平衡方面發(fā)揮了重要的作用，但受400km分辨率限制，難以準(zhǔn)確估算山岳冰川的質(zhì)量變化。利用TanDEM-X雙站數(shù)據(jù)，JaberW[35]和Jiang[36]等已成功提取了南美Patagonia冰原、青藏高原Puruogangri冰原、格陵蘭Petermann冰川以及喜馬拉雅ChhotaShigri冰川、阿爾卑斯Otztal冰川等的高分辨率、高精度DEM，并與SRTM等DEM進(jìn)行差值分析，獲取了較為可靠的冰川高程變化及質(zhì)量平衡參數(shù)[35-39]。

5)火山監(jiān)測(cè)?；鹕降匦巍Ⅲw積及其增長(zhǎng)率是火山研究的重要參數(shù)，傳統(tǒng)重復(fù)軌道InSAR數(shù)據(jù)重訪周期為11～35d，較低的相干性很難監(jiān)測(cè)火山變化。Charbonnier[40]，F(xiàn)roger[41]和Kubanek[42]等利用TanDEM-X雙站SAR提取了Merapi和Pitondela等火山的地形及噴發(fā)前后的體積變化等信息，并對(duì)噴發(fā)火山進(jìn)行了災(zāi)害評(píng)估。

6)洋流和河流流速提取。TanDEM-X與TerraSAR-X衛(wèi)星能夠構(gòu)成單站追蹤模式獲取順軌干涉數(shù)據(jù)，且每顆衛(wèi)星安裝有雙接收天線設(shè)備(DRA)。這種靈活多樣的順軌數(shù)據(jù)獲取模式能夠用來(lái)提取海洋洋流和河流流速信息。Runge[43]和Desroches[44]等利用TanDEM-X順軌數(shù)據(jù)(ATI)和雙接收天線數(shù)據(jù)(DRA)成功提取了洋流和河流流速。

5 結(jié)論

TanDEM-X科學(xué)計(jì)劃運(yùn)行了全球首個(gè)星載雙站InSAR系統(tǒng)，這是高分辨率星載SAR發(fā)展的重要里程碑。本文詳細(xì)介紹了TanDEM-X科學(xué)計(jì)劃，分析了該計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)、TanDEM-X衛(wèi)星參數(shù)、Helix軌道結(jié)構(gòu)和干涉數(shù)據(jù)獲取模式。雙站InSAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙站SAR成像、極化InSAR、超高分辨率、數(shù)字波束成形和多基線SAR干涉等新SAR技術(shù)，大大促進(jìn)了星載InSAR技術(shù)的發(fā)展，并在全球地形測(cè)繪、冰川學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)及地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用前景。

志謝： 本研究得到了德國(guó)宇航局(DLR)MichaelEineder博士和DanaFloricioiu博士的幫助與指導(dǎo)。本文所采用的TanDEM-X雙站SAR數(shù)據(jù)由DLRTanDEM-X任務(wù)AO項(xiàng)目(No.XTI_LAND0413)提供，在此一并志謝。

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(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

TanDEM-X bistatic SAR interferometry and its research progress

SUN Yafei1，2, JIANG Liming1, LIU Lin1，2, SUN Yongling1，2, WANG Hansheng1

(1.StateKeyLaboratoryofGeodesyandEarth’sDynamics,InstituteofGeodesyandGeophysics,CAS,Wuhan430077，China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049，China)

This paper comprehensively describes the scientific research plan of the TanDEM-X/TerraSAR-X bistatic SAR mission, with emphasis placed on its scientific objectives, TanDEM-X satellite parameters, orbital configuration and data acquisition modes. Then, the advantages of the new InSAR techniques including bistatic SAR, Pol-InSAR and digital beam forming are briefly discussed and the progress of the techniques of TanDEM-X bistatic SAR interferometry is analyzed. These new SAR techniques will greatly promote the application potential of SAR interferometry in Earth sciences such as global topography mapping, glaciology, oceanography and geology.

TanDEM-X scientific research plan; bistatic SAR interferometry; new SAR techniques; global DEM mapping; earth science applications

2013-10-16；

2013-12-27

中國(guó)科學(xué)院碳專項(xiàng)(編號(hào)： 304201020)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)： 41274024，41321063)、國(guó)家973計(jì)劃課題(編號(hào)： 2012CB957702)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(編號(hào)： 2011BAK12B02)及中科院百人計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)： Y205771077)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.03

孫亞飛,江利明,柳林,等.TanDEM-X雙站SAR干涉測(cè)量及研究進(jìn)展[J].國(guó)土資源遙感,2015,27(1):16-22.(Sun Y F,Jiang L M ,Liu L,et al.TanDEM-X bistatic SAR interferometry and its research progress[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1):16-22.)

TP 79

A

1001-070X(2015)01-0016-07

孫亞飛(1986-)，男，研究生，主要從事TanDEM-X雙站InSAR數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。Email： yfsun2013@126.com。

江利明(1976-)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事InSAR大地測(cè)量與衛(wèi)星遙感方面的研究。Email： jlm@whigg.ac.cn。