InSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用

■何楊楊柳

（1長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院 陜西西安710064；2洛南縣環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站 陜西洛南726100）

InSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用

■何楊1楊柳2

（1長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院 陜西西安710064；2洛南縣環(huán)保局環(huán)境監(jiān)測站 陜西洛南726100）

InSAR技術(shù)是近年來發(fā)展起來并逐漸得到重視的一種，對地表形變進(jìn)行監(jiān)測的新方法。隨著InSAR技術(shù)的逐漸成熟及新一代星載系統(tǒng)的發(fā)射，其圖像分辨率和產(chǎn)品精度仍會繼續(xù)得到提高。由于其在地表形變監(jiān)測中最高可以達(dá)到毫米級的精度，所以目前應(yīng)用范圍及其廣泛。主要涉及到地殼變形、地震監(jiān)測和震后形變測量、火山運動、地面下沉以及冰川漂移等方面。本文主要介紹InSAR的基本原理、發(fā)展及其特點。

地表形變InSAR監(jiān)測

0　引言

地表形變所引發(fā)的各種地質(zhì)災(zāi)害已成為國內(nèi)外普遍關(guān)心的問題之一[1]。隨著地表形變探測技術(shù)的發(fā)展，InSAR技術(shù)在用于地表形變時，具有高形變敏感度、空間分辨率高，幾乎不受云雨天氣的限制，同時綜合了遙感等一系列突出的技術(shù)優(yōu)勢，因此，InSAR技術(shù)在研究地表形變方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景，在實地監(jiān)測中表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢[2]。

1　 InSAR基本原理與方法流程

1.1InSAR基本原理

通過兩副天線同時對地觀測，或者通過一副天線兩次對同一地面目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)觀測，從而獲取同一地區(qū)的兩幅復(fù)數(shù)影像。這樣的兩幅復(fù)數(shù)影像由于具有相位差，因而可以形成雷達(dá)干涉圖，人們可以通過測定相位差的方式測定地面目標(biāo)的高程[3]。一般地，現(xiàn)在人們使用三種雷達(dá)干涉模式，即交叉軌道干涉測量方式，重復(fù)軌道干涉測量模式和沿軌道干涉測量方式[4]。

1.1.1交叉軌道雷達(dá)干涉測量

交叉軌道雷達(dá)干涉測量是在同一飛行平臺上安裝兩副雷達(dá)天線，其中一副雷達(dá)天線發(fā)射電磁波信號，兩副天線都接收從地面反射的信號，兩副天線連線與飛行的方向保持垂直。同一目標(biāo)的相位差就代表了地面目標(biāo)至兩副天線的距離差，而距離差的大小與該地面點的高程有關(guān)。因此，通過處理這些相位差即可以獲得地面點的高程。

1.1.2單天線重復(fù)軌道雷達(dá)干涉測量

單天線重復(fù)軌道雷達(dá)干涉測量是采用同樣的一副天線，在兩個不同的軌道上對同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)飛行測量而獲取的具有重疊的雷達(dá)影像。一般地，星載的側(cè)視雷達(dá)通常都采用這種模式。

1.1.3沿軌道干涉測量

沿軌道干涉測量又可以稱為縱向(方位向)干涉測量。這種方法目前只被用于機(jī)載干涉雷達(dá)測量系統(tǒng)中，星載的系統(tǒng)還在試驗中。該方法是利用沿軌道，即方位向安置兩副雷達(dá)天線同時發(fā)射和接收信號。

1.2InSAR方法流程

InSAR數(shù)據(jù)處理的主要目的之一是為了從雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取地面目標(biāo)的三維信息。一般地，合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的步驟包括：原始干涉雷達(dá)信號的處理、成像參數(shù)的歸一化、影像的糾正和配準(zhǔn)、干涉圖的生成、噪聲消除和濾波、基線估算、平地效應(yīng)消除、相位解纏、高程計算和糾正(地理編碼處理)等步驟。根據(jù)干涉合成孔徑雷達(dá)的特點和不同的處理方法，其中的一些步驟可能需要經(jīng)過迭代處理來逐漸精化和準(zhǔn)確地改善處理結(jié)果。另外，在某些應(yīng)用時，往往還需要一定數(shù)量的地面控制點來解算有關(guān)的參數(shù)[5]。

2　主要應(yīng)用

2.1地面沉降

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)已有實例。李德仁等“利用歐空局ERS-1和ERS-2相隔1d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，得到反應(yīng)地面沉降大小及分布的干涉條紋圖。與1995～1997年重復(fù)水準(zhǔn)測量求得的地面沉降等值線圖比較，具明顯的一致性和相似性。

2.2滑坡

Fruneau等通過法國阿爾卑斯地區(qū)滑坡體研究，首次證實用雷達(dá)差分干涉測量確定中等滑移速率(每天數(shù)cm)、滑坡體運移場的能力。Rott等指出，如果環(huán)境條件在較長時間跨度內(nèi)保持一致，用該技術(shù)可以觀測到每年以數(shù)cm速度運移的滑坡體運動。Vietmeier等則對法國南部阿爾卑斯La Valette附近的滑坡體研究，也顯示了用該方法確定中等滑移速率、滑坡體運移場絕對值的能力。

2.3地震形變

此項是InSAR技術(shù)在地面形變研究中較早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。Massonnet等率先將InSAR技術(shù)引入到地震形變測量中，即利用間隔幾個月的歐洲遙感衛(wèi)星ESR-1 SAR圖像測量美國Landers地震的同震形變場，獲得了反映該形變場的干涉紋圖，與野外觀測到的斷距、地表形變及彈性位錯模型結(jié)果吻合，驗證了InSAR技術(shù)測量同震形變的能力，推動了該技術(shù)在地震形變研究中的應(yīng)用。此后該技術(shù)在地震監(jiān)測中得到了逐步發(fā)展。

2.4冰川運動

Goldstein等(1993)最先將雷達(dá)干涉技術(shù)引入冰川運移研究中。由干涉條紋計算出冰川表對于災(zāi)情的掌握及災(zāi)害范圍的評估有很大作用。利用InSAR技術(shù)對冰川的監(jiān)測，主要是通過對同一區(qū)域不同時間的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉成像，然后對干涉像對上的信息進(jìn)行分析，既而得到相應(yīng)的分析結(jié)論。

3　展望

盡管在應(yīng)用方面受到諸多因素限制，但I(xiàn)nSAR已經(jīng)在地形測量、地面形變監(jiān)測、火山活動及其它地質(zhì)災(zāi)害評估與監(jiān)測方面得到了廣泛的應(yīng)用，也取得了許多相應(yīng)的成果。隨著衛(wèi)星雷達(dá)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)及處理方法的不斷提高，此技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1]張宗枯.環(huán)境地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害.第四紀(jì)研究 [J],2005,25(1):1-5.

[2]舒寧.雷達(dá)影像干涉測量原理 [M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003(4):13-14.

[3]王超.利用航天飛機(jī)成像雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)提取數(shù)字高程模型 [J].測繪學(xué)報,2001,30 (4):225-342.

[4]隋立春.主動式雷達(dá)遙感 [M].北京:測繪出版社,2009.

[5]李德仁,周月琴,馬洪超.衛(wèi)星雷達(dá)干涉測量原理與應(yīng)用 [J].測繪科學(xué),2000,25(1):9-12.

P217[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-157-1