基于INSAR技術(shù)的地表形變監(jiān)測探究

朱瑞杰　師帥　劉歡

摘 要：近年來，由于地表形變引發(fā)的地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全，因此加強地表形變監(jiān)測具有十分重要的意義。隨著科技的不斷進步，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)難以滿足現(xiàn)代社會的發(fā)展要求，INSAR技術(shù)作為一種新型的空間對地觀測技術(shù)，具有精確度高、實時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點，在地表形變監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。本文簡單分析了INSAR技術(shù)的基本工作原理及其在地表形變監(jiān)測中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：INSAR；地表形變；監(jiān)測

中圖分類號： TP79 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）29-158-2

0 引言

由于受到過度抽取地下水、大量開采煤礦等人為因素以及冰川漂流、火山運動等自然因素的影響，地球表面時刻發(fā)生著細微的形變，當形變積累到一定程度，將會引發(fā)嚴重的地質(zhì)災害，例如火山、地震、海嘯、滑坡等，對自然環(huán)境以及人們的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重的危害。在這種情況下，加強先進監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用成為相關(guān)地質(zhì)部門和企業(yè)的重要任務(wù)。隨著雷達遙感技術(shù)的不斷進步，INSAR技術(shù)獲得發(fā)展，為大范圍地表形變的監(jiān)測提供了有效保障，在地表形變監(jiān)測中體現(xiàn)出較高的形變敏感度和空間分辨率，同時不會受到惡劣天氣的影響，因此，INSAR技術(shù)具有十分重要的應(yīng)用價值，值得相關(guān)部門和企業(yè)進行深入研究和推廣。

1 INSAR技術(shù)簡析

1.1 INSAR技術(shù)的基本工作原理

INSAR技術(shù)即為合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)，其基本理論根據(jù)與干涉測量法有關(guān)。干涉測量法主要是通過兩個光源同時向同一目標發(fā)射相干光，然后以兩束相干光的相位差為依據(jù)，分析和計算出目標的位置距離。INSAR技術(shù)則是利用兩組天線裝置進行同步觀測，或者進行兩次平行觀測，從而得到地面上同一景觀的圖像，因為目標位置與兩組天線裝置的位置存在一定的幾何關(guān)系，從而在圖像中產(chǎn)生相位差，形成干涉條紋圖，將斜距向上的點和兩組天線的位置差等具體信息數(shù)據(jù)記錄下來。因此，INSAR技術(shù)可以通過雷達波長、傳感器高度、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系，精確地測量出圖像上每一點的三維位置和變化信息。

1.2 INSAR技術(shù)的相關(guān)工作流程

1.2.1 圖像配準處理

在INSAR技術(shù)中，圖像對的精確配準是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。圖像配準處理主要針對不同傳感器在不同時間或不同視角對同一景物所形成的兩幅圖像或多幅圖像進行匹配和疊加的過程。對于星載INSAR生成的兩幅圖像，由于并非同步得到，圖像之間的像素點不能夠一一對應(yīng)，這就需要進行圖元配準，采用曲線插值或擬合等方法，將兩幅圖像中的相同位置的像素與地面同一回波點進行對應(yīng)，從而形成干涉條件。圖像配準一般來說包括粗配準和精配準，粗配準存在大約一個像素的誤差，精配準可以達到亞像元精度。

1.2.2 干涉圖的生成

不同傳感器在不同時間或不同角度對同一地面景物測得復雷達圖像對，由于兩組天線裝置與地面同一目標之間的距離不相同，使得復雷達圖像對中的同名像點之間出現(xiàn)相位差，進而形成干涉紋圖。一般而言，圖像的配準誤差要低于八分之一個像元，才能減少對干涉條紋的影響。相位差的測量數(shù)值，地面目標的三維空間位置與該相位差存在一定的幾何關(guān)系，根據(jù)飛行軌道的參數(shù)進行分析，就可以確定地面目標的三維坐標位置，進而生成干涉圖。

1.2.3 干涉圖的濾波

利用INSAR技術(shù)進行成像處理，干涉相位圖經(jīng)常受到各種噪聲的影響，造成干涉條紋不明顯。其中噪聲的來源十分廣泛，包括圖像不匹配噪聲、相干斑點噪聲、信號處理噪聲、基線相關(guān)損失、接收機熱噪聲、觀測區(qū)域地形等多種影響因素，如果噪聲源過大，甚至會覆蓋過原本的干涉條紋，這就需要對干涉相位圖進行濾波處理，減少噪聲因素引起的殘余點數(shù)量，從而提高干涉條紋的質(zhì)量，有利于對干涉相位圖的二維相位進行處理。

1.2.4 去平地效應(yīng)

INSAR形成的干涉圖不僅要進行噪聲去除處理，還要去除干涉圖產(chǎn)生的平地效應(yīng)。平地效應(yīng)指的是干涉圖中高度相同的平地上的干涉條紋表現(xiàn)出隨著方位向和距離向的變化而產(chǎn)生變化的現(xiàn)象，同時平地效應(yīng)的變化存在一定的周期特性。在INSAR干涉圖中，如果地形起伏所引起的條紋和平地效應(yīng)引起的條紋出現(xiàn)夾雜的問題，則不能夠準確地反映地表形變信息，這種情況下就要利用干涉條紋乘以復相位函數(shù)的方法來進行去除處理。

1.2.5 相位解纏

干涉相位圖在進行去平地效應(yīng)后還要進行相位解纏。相位解纏的基本含義就是在相位測量值加上2kπ的相位周期，解出相位模糊度，從而準確計算出目標點的高程。其中的相位模糊度產(chǎn)生的原因是由于相位差形成干涉相位圖的條紋，該條紋與地面位置以2π為模形成相位，測出的相位差不到一個周期，從而失去了2kπ的相位模糊度。目前INSAR技術(shù)的相位解纏基本分為兩個步驟，第一步是以纏繞相位為基礎(chǔ)對解纏相位的相位梯度進行估算；第二步是采用積分法進行相位解纏，例如最小二乘法、路徑跟蹤法等，其中路徑跟蹤法的穩(wěn)定性和靠性更高。在完成相位解纏處理之后，計算出地表形變信息，并將形變圖投影到地理坐標體系中。

2 INSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測中的具體應(yīng)用

2.1 火山研究

目前地球上存在很多火山存在爆發(fā)的風險，尤其是在人口聚集區(qū)，一旦火山爆發(fā)將會對人們的生命財產(chǎn)安全造成嚴重的影響，因此加強火山地區(qū)的地表監(jiān)測具有十分重要的意義。由于火山爆發(fā)大都沒有規(guī)律可循，傳統(tǒng)的GPS測量技術(shù)難以進行準確判斷，一些火山在噴發(fā)前往往存在明顯的地表形變，這種情況下就可以采用INSAR技術(shù)對火山周圍的地表形變進行監(jiān)測，進而有效的預測火山的爆發(fā)情況。相對于傳統(tǒng)的地面形變監(jiān)測技術(shù)，INSAR技術(shù)在火山活動監(jiān)測中存在以下幾點優(yōu)勢：第一，不用進行先期的地面控制；第二，傳統(tǒng)的方法只能提供有限測量點的數(shù)據(jù)，而INSAR技術(shù)可以提供大范圍的覆蓋數(shù)據(jù)。如D-INSAR技術(shù)提供的數(shù)據(jù)可以繪制整個火山附近的地圖，準確的反映出巖漿移動情況的信息，實現(xiàn)對火山活動情況的全面監(jiān)控和爆發(fā)預警。目前，很多國家已經(jīng)采用D-INSAR技術(shù)對火山形變情況進行研究，例如阿拉斯加活火山、意大利Etna火山等。

2.2 冰山研究

隨著科技的不斷進步，我國的科學家早就對南北極冰川展開了科學研究，冰川的融化現(xiàn)象對全球氣候造成的影響成為環(huán)境科學家高度關(guān)注的研究課題。由于極地的自然環(huán)境十分惡劣，這就需要更加先進、科學的技術(shù)進行實時的監(jiān)測，從而為科學家進行研究提供可靠數(shù)據(jù)。星載SAR技術(shù)在冰川和冰蓋的監(jiān)測方面顯現(xiàn)出非常重要的應(yīng)用價值。相關(guān)數(shù)據(jù)研究表明，冰川隨著氣溫變化情況十分明顯，在季節(jié)變化的過程中，冰川存在明顯移動和融化現(xiàn)象，而冰蓋的變化較為穩(wěn)定，這就要應(yīng)用星載SAR技術(shù)加強對極地地表形變情況的監(jiān)測和研究，可以從以下兩方面入手，一方面使用INSAR技術(shù)獲得精度較高的地形數(shù)據(jù)；另一方面，利用D-INSAR技術(shù)對冰蓋的緩慢漂移進行測量，并對其他變化情況進行評估。

2.3 細微地表變化的研究

目前很多城市存在地表下沉的問題，尤其是不均勻地表下沉存在嚴重的危害性，對城市的建筑物和公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴重影響。通常，相關(guān)部門采用GPS數(shù)據(jù)測量方法來對城市的地表形變進行監(jiān)測，這種測量方法存在一定的局限性，需要耗費大量的人力、物力、財力等資源，還需要對GPS監(jiān)測點進行長期的維護，除此之外，GPS測量技術(shù)只能獲得離散點的下沉量，而無法對下沉的趨勢和范圍進行全面的把控。而應(yīng)用INSAR技術(shù)能夠有效克服上述缺陷，由于城市周圍的地勢一般較為平坦，沒有過多的植被覆蓋，雷達能夠進行良好的反射，從而可以大大提高干涉圖像的質(zhì)量，使得INSAR技術(shù)具有更加理想的應(yīng)用效果。此外，對于西部的一些常規(guī)地面測量手段難以進行地形圖測繪與更新的地區(qū)以及大型的庫區(qū)及周邊的地表變形監(jiān)測，INSAR技術(shù)也具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

總而言之，INSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測中具有十分重要的應(yīng)用價值，通過空中對地面及地面多孔徑雷達的全新監(jiān)測方法，大大提高了地表形變監(jiān)測的可靠性。我國地域遼闊，一些地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境十分復雜，自然條件惡劣，傳統(tǒng)的測量技術(shù)難以進行實時有效的監(jiān)測，利用INSAR技術(shù)可以對各種區(qū)域情況進行地表形變監(jiān)測，從而有效預測各種地質(zhì)災害，保障人們的生命財產(chǎn)安全。

參 考 文 獻

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