山地冰川運動地基InSAR監(jiān)測試驗

柳　林，江利明，高斌斌，孫亞飛，孫永玲，汪漢勝

(1. 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077； 2. 中國科學院大學，北京 100049)

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山地冰川運動地基InSAR監(jiān)測試驗

柳林1,2，江利明2，高斌斌1,2，孫亞飛1,2，孫永玲1,2，汪漢勝2

(1. 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077； 2. 中國科學院大學，北京 100049)

Measuring Mountain Glacier Flow Velocity by Means of Ground-based InSAR

LIU Lin，JIANG Liming，GAO Binbin，SUN Yafei，SUN Yongling，WANG Hansheng

摘要：利用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)，在新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦附近的一處山地冰川進行了冰面流動速度連續(xù)觀測。結果表明，該冰川平均表面流動速度為2.63 mm/h，且在空間上呈現(xiàn)從冰川中上游向下游遞增的趨勢，但冰川末端的流動速度明顯減緩。在觀測時間內，冰川運動狀態(tài)較為平穩(wěn)，基本處于連續(xù)滑動狀態(tài)。研究結果為揭示冰川基本性質及其動力學機制提供了重要的基礎數(shù)據(jù)，初步驗證了地基InSAR技術測量冰川表面流速的可行性及其廣闊的應用前景。

關鍵詞：山地冰川；表面流動速度；地基InSAR；時間序列

冰川是氣候變化的理想指示器，也是冰凍圈的重要組成部分，已經成為全球和區(qū)域氣候、環(huán)境變化研究的熱點之一[1]。冰川表面流速作為評估冰川運動狀態(tài)的關鍵指標之一，是揭示冰川基本性質和冰川動力學機制的重要基礎數(shù)據(jù)[2]。目前，測量冰川表面流速的技術主要有兩種：花桿測量和衛(wèi)星遙感。傳統(tǒng)的花桿測量法是利用全站儀和GPS等測量儀器在不同時間多次精確測量冰川上花桿的坐標值，從而得到一段時間間隔內花桿坐標的變化量，并由此計算花桿所在點的冰流速度[3]。這種方法雖然可以精確測量各花桿處的冰流速度，但是由于氣候條件、地理環(huán)境和經費等限制，其測量的花桿數(shù)量往往都非常有限，因此難以獲取整個冰川的冰流速度場。20世紀末以來，隨著衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，特別是星載合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)的不斷進步，研究人員獲取了大量的冰流速度場結果[4-5]。但是，由于衛(wèi)星遙感重返周期較長，難以獲取連續(xù)的冰川運動信息，并且受限于相對較低的空間分辨率，在測量地形起伏較大和規(guī)模較小的山地冰川時仍存在一定的挑戰(zhàn)。

地基合成孔徑雷達干涉測量(ground-based interferometry synthetic aperture radar，GB-InSAR)是近10年發(fā)展起來的一種微變形遠程監(jiān)測技術。與星載InSAR相比，地基InSAR具有高精度、高空間分辨率、高采樣頻率和多角度觀測等突出技術優(yōu)勢[6]。由于集成了步進頻率連續(xù)波或調頻連續(xù)波、合成孔徑雷達和雷達干涉測量等多種先進技術，地基InSAR可實現(xiàn)對目標區(qū)域的長時間連續(xù)觀測，且形變測量精度可達0.1 mm。因此，該技術為連續(xù)、高精度測量較小規(guī)模山地冰川的冰流速度場，提供了一項新的極具應用前景的可行方案。目前，該技術已經在國內外得到了廣泛應用，如山體滑坡[7]、礦坑邊坡[8]、水利工程[9]和火山[10-11]等。

本文利用IBIS-L地基InSAR設備在天山山脈西段的一處小型山地冰川進行了冰流速度測量研究。詳細介紹了IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)的主要技術參數(shù)，以及數(shù)據(jù)采集和處理的基本方法，對冰川區(qū)域的SAR回波信號質量進行了詳細探討，深入分析了冰川表面流速場的空間特征及其時間序列變化結果，初步驗證了地基InSAR連續(xù)觀測山地冰川表面流速的可行性。

一、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山山脈西段，新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣備戰(zhàn)鐵礦附近的一處小型冰川(以下簡稱：鐵礦冰川)。鐵礦冰川屬于亞大陸型冰川，面積約為2 km2，長度約為1 km，冰川末端的海拔高度為3746 m。冰川表面的基本形態(tài)及周邊地理環(huán)境如圖1所示。近年來，在全球氣候變暖的作用下，研究區(qū)所處西天山區(qū)域，冰川主要呈現(xiàn)持續(xù)消融狀態(tài)[12]。本文關注的鐵礦冰川位于靜縣備戰(zhàn)鐵礦的礦區(qū)范圍內，鐵礦開采和礦石運輸?shù)热祟惢顒右彩怯绊懕ㄗ兓闹匾蛩刂弧Ａ硗?，鐵礦冰川末端十分靠近備戰(zhàn)鐵礦的礦石運輸專用道路，兩者之間的直線距離不超過200 m，冰川融水已經在道路上方形成了一個初具規(guī)模的湖泊(如圖1所示)，是該路段不可忽略的潛在危險。

圖1　鐵礦冰川表面基本形態(tài)及周邊環(huán)境

二、數(shù)據(jù)和方法

1. IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)介紹

IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)是意大利IDS公司和佛羅倫薩大學長期合作研究開發(fā)的產品，其主要技術參數(shù)見表1。該系統(tǒng)利用步進頻率連續(xù)波技術(stepped frequency continuous wave，SFCW)保證傳感器始終發(fā)射頻率為16.6～16.9 GHz(Ku波段)的雷達波。Ku波段具有較高頻率，不易受微波輻射干擾，具有較遠的有效傳輸距離。雷達傳感器具有較大帶寬，可對目標區(qū)進行細致分割，以實現(xiàn)距離向的高分辨率(0.5 m)。由于采用了合成孔徑雷達技術，IBIS-L系統(tǒng)可以將尺寸較小的真實雷達天線孔徑用數(shù)據(jù)處理方法合成為較大的等效雷達天線孔徑，提高了測量的角度向分辨率。通過對比不同時刻雷達回波的相位信息，利用InSAR技術獲取目標區(qū)的位移值，其測量精度可達0.1 mm。

表1　IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)的主要技術參數(shù)

2. 數(shù)據(jù)采集及預處理

為了測量鐵礦冰川的表面流速場，2015年7月3日利用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)對研究區(qū)域進行了約4.8 h的連續(xù)觀測。圖2為地基InSAR觀測現(xiàn)場，鐵礦冰川處于兩座巖石山體之間的峽谷中。由于兩側山體坡度較大，可供架設儀器的相對平坦位置非常有限，且野外觀測現(xiàn)場沒有大型吊裝設備，因此將IBIS-L測站設置在距離鐵礦冰川末端大約50 m處的一處平臺上(如圖1所示)，臨近備戰(zhàn)鐵礦的礦石運輸專用道路。

圖2　鐵礦冰川野外測量現(xiàn)場

經過連續(xù)觀測，共獲取47景IBIS-L原始雷達數(shù)據(jù)。進行雷達干涉測量處理前，需對上述數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)定標和影像聚焦等。基本處理過程如下：首先選取一部分連續(xù)的原始測量數(shù)據(jù)(15～20景)；然后在IBIS-DV軟件中對其進行分析，從而確定適合所有數(shù)據(jù)(47景)的定標和聚焦參數(shù)；最后再利用上述參數(shù)對所有原始雷達數(shù)據(jù)進行處理，得到雷達干涉處理所需要的單視復數(shù)(SLC)數(shù)據(jù)。

3. 地基SAR干涉測量

為了高精度獲取目標區(qū)的形變量，利用星載SAR干涉測量基本原理和方法對IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)采集的單視復數(shù)數(shù)據(jù)進行處理。在雷達系統(tǒng)對同一區(qū)域進行兩次測量的時間間隔內，若某一點發(fā)生了變化，則該點在兩景SAR影像中所對應的相位信息存在差異。SAR干涉測量技術就是通過計算同一目標在不同時間段雷達圖像中的相位差，從而獲取目標在前后兩段時間內的微小形變值。根據(jù)干涉測量的基本原理，形變值d與相位差φint的關系為

(1)式中，λ為雷達波長。因此，在獲取SAR影像上每一個點相位差的基礎上，即可利用式(1)計算所對應研究區(qū)的形變測量結果。在星載SAR干涉測量處理的過程中，所獲取的相位差主要包括以下組成部分

φint=φtopo+φdisp+φatm+φnoise

(2)

式中，φtopo為空間基線引起的地形相位；φdisp為地表形變相位；φatm為大氣擾動相位；φnoise為噪聲相位(如斑點噪聲和熱噪聲等)。

與星載InSAR不同，地基InSAR在連續(xù)測量過程中儀器位置不發(fā)生變化，空間基線為0，因此地形相位φtopo為0；同時，地基InSAR測量范圍在幾千米之內，所獲取原始數(shù)據(jù)的質量相對較高，噪聲影響較小，在選擇合適濾波方法之后，噪聲相位φnoise的影響基本可以忽略。但是，在長時間連續(xù)觀測過程中，地基InSAR受到大氣擾動的影響較大，需通過氣象模擬或地面控制點(GCP)校正等方法對大氣擾動相位φatm加以改正。因此，對于地基SAR干涉測量數(shù)據(jù)濾波后，式(2)可改寫為

φint=φdisp+φatm

(3)

三、結果與討論

1. SAR數(shù)據(jù)反射強度及相干性

SAR數(shù)據(jù)的信噪比和相干性是評價地基InSAR數(shù)據(jù)質量的主要參數(shù)。信噪比代表目標區(qū)雷達信號的反射強度，值越大表明目標物的信號反射能力越高，數(shù)據(jù)質量越好。相干性代表目標物在不同時間的信號干涉性能，最大值為1，最小值為0，相干性越接近于1，表明相應目標物的信號干涉性能越好。

圖3(a)和(b)分別為地基InSAR測量數(shù)據(jù)的反射強度和相干性，圖中黑色曲線為鐵礦冰川的邊界線，曲線外部為冰川兩側的基巖等非冰川區(qū)域。本研究旨在提取鐵礦冰川的表面流速，因此以下結果分析只考慮黑色曲線內的冰川區(qū)域。在鐵礦冰川中下游(圖3中的A區(qū)域)，由于距離地基InSAR儀器較近(小于700 m)，且不存在遮擋物，因此該區(qū)域具有非常高的反射強度(均值大于20 dB)和相干性(均值大于0.9)。在鐵礦冰川中上游，由于受到中下游冰川和兩側基巖的遮擋(圖3中的B區(qū)域)，地基InSAR系統(tǒng)幾乎難以捕捉到回波信號，大部分區(qū)域的反射強度和相干性都趨近于0；在通視條件較好的目標區(qū)(圖3中的C區(qū)域)，由于距離較遠(大于1100 m)，雷達回波信號的反射強度和相干性都低于A區(qū)域，但是仍然具有較高的平均值(分別約為15 dB和0.8)。綜上所述，在不存在遮擋的情況下，即使距離超過1000 m，IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)也具有較高的反射強度和較好的相干性，證明了該系統(tǒng)測量山地冰川表面流速場的可行性。

圖3　測量數(shù)據(jù)質量分析

2. 冰川表面流速場及其時間序列

由式(3)可知，在地基InSAR系統(tǒng)連續(xù)觀測過程中，其測量結果會受到大氣擾動的影響。在本文研究中，將采用地面控制點校正方法對其進行改正。根據(jù)研究區(qū)周邊地理環(huán)境及雷達信號的反射強度和相干性，在鐵礦冰川兩側的巖石山體上選取了3個地面控制點，分別為圖4中的GCP1、GCP2和GCP3。經過大氣改正，最終得到的鐵礦冰川表面流速場如圖4所示。

圖4　鐵礦冰川表面流速場

從圖4中可看出，在距離較近且正對儀器的鐵礦冰川中下游(圖3中的A區(qū)域)，IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)獲取了非常好的表面流速場結果；在距離較遠但通視條件較好的冰川中上游(圖3中的C區(qū)域)，也測得了較為完整的冰流速度場；而在大部分區(qū)域受到遮擋的冰川中上游(圖3中的B區(qū)域)，只有少數(shù)地方獲取了表面流速信息。研究結果進一步證實了地基InSAR技術測量山地冰川表面流速的能力。但是，在野外作業(yè)過程中，應在條件允許的情況下，盡量將儀器架設在具有更大測量范圍的位置，或采用2～3次測站方式，彌補一次測站中往往不可避免的數(shù)據(jù)空洞，從而測得整個冰川完整的表面流速場。

地基InSAR系統(tǒng)測得鐵礦冰川的平均表面流速為2.63 mm/h。盡管測量結果在冰川中上游存在較大的空洞，根據(jù)圖4依然可以看出該冰川的表面流速在空間上呈現(xiàn)從冰川中上游向下游遞增的趨勢，但冰川末端的流動速度明顯減緩。表2為冰川中軸線上所選取的4個監(jiān)測點的形變和表面流速信息，結果表明，從冰川中上游的P4點，到中下游的P3點及下游的P2點，其表面流速依次增加，分別為0.86、2.27和3.44 mm/h。但是，位于冰川末端的P1點與臨近的P2點相比，其表面流速明顯減小，僅為0.82 mm/h。

表2　監(jiān)測點形變值及冰川表面流速

圖5為鐵礦冰川所選監(jiān)測點形變值的時間序列，可以看出各個監(jiān)測點的斜率基本不變，表明在觀測時間內各監(jiān)測點處的冰川表面流速基本穩(wěn)定。但是，各個監(jiān)測點的形變時間序列曲線都存在著比較明顯的波動，甚至在個別時間段出現(xiàn)了形變值變小的情況，這可能是由于大氣擾動相位消除不完全所引起的。在以后的工作中，將綜合利用氣象模擬和GCP校正等方法，進一步抑制大氣擾動對地基InSAR測量結果的影響，以得到更加精確、可靠的山地冰川表面流速信息。

四、結束語

本文將地基InSAR技術應用于新疆和靜縣鐵礦冰川表面流速的連續(xù)觀測。結果表明，利用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)采集的雷達數(shù)據(jù)在山地冰川的大部分區(qū)域具有較強反射強度，且連續(xù)觀測可以很好地保持冰川表面的相干性，測得鐵礦冰川的平均表面流速為2.63 mm/h。因此，利用地基InSAR技術可以快速、高精度地獲取山地冰川的連續(xù)表面流速信息。但是，由于觀測現(xiàn)場的儀器架設位置限制，部分冰川區(qū)域幾乎沒有雷達回波信號，后續(xù)野外測量工作應設置多個測站，以獲取整個冰川完整的表面流速場。本研究初步驗證了地基InSAR技術連續(xù)測量山地冰川表面流速的可行性及其廣闊的應用前景，研究成果將為揭示人類活動對冰川變化的影響，以及評估冰川融水對備戰(zhàn)鐵礦生成的潛在威脅提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

圖5　監(jiān)測點形變時間序列

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中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0054-04

作者簡介：柳林(1985—)，男，博士生，主要研究方向為山地冰川流動速度和質量平衡等。E-mail：liulin@whigg.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金(41274024；41431070；41321063)；中國科學院“百人計劃”人才項目(Y205771077)

收稿日期：2016-01-06

引文格式： 柳林，江利明，高斌斌,等. 山地冰川運動地基InSAR監(jiān)測試驗[J].測繪通報，2016(4)：54-57.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0120.