基于相干点目标的长时序InSAR地表形变监测


来源: 航天宏图    时间:2016/09/27

一、引言

InSAR技术利用两幅合成孔径雷达图像中的相位信息可以获取大范围、高精度的地表三维信息和形变信息,使得人们从空间对全球地表进行长时间序列的监测成为可能。其中,获取地表形变的InSAR技术又被称为DInSAR。但就实现测量的工作原理而言,差分干涉(D-InSAR)较之直接干涉(InSAR)有根本性的区别,前者达到毫米级的形变测量精度,而后者一般只能达到几米的地形测绘精度(如TanDEM-X  Global DEM绝对精度为4-8m)。因为前者是与相位变化直接相关的,半个波长代表一个整周(360度)的变化,1度的相位变化相对于C波段的SAR数据所反演的实际地表变化也不足1mm。以ERS1/2系统为例,当地表位移半个波长(2.8cm)时,就可以产生相位2π的变化,而只有当h≥4500cm时,才能产生同样的效果。

图1  雷达干涉的几何关系示意图


自上世纪80年代初,以美国SEASAT雷达卫星数据为研究对象开启干涉测量技术研究以来,以雷达相位干涉测量为代表的遥感技术为空间大地测量、全球及区域尺度的地形测绘与形变监测提供了新的方法与手段,改变了以往依靠水准、GPS等点位测量方式在空间测量点密度、监测范围和重复观测频率上的不足。

二、时序InSAR监测地表形变技术流程

基于重复轨道的合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)技术以其短周期,广覆盖,低成本的优势,自问世以来就被后人积极地研究并应用着,但是传统DInSAR技术易受由时间空间失相关引起的相位噪声和大气延迟效应的干扰,降低形变测量结果的可靠性。为了克服这些限制因素的影响,一些崭新的以永久散射体技术和小基线集技术为代表的时间序列InSAR技术陆续被提出,它们的共同点是对那些在时间序列保持稳定散射特性的像元进行分析。目前相关的研究方法主要有最小二乘(LS)方法、永久散射体(PS)方法、小基线集(SBAS)方法、相干目标方法(CT)以及最新的SqueeSAR分布散射体干涉方法。下图给出了基于相干点目标时序InSAR形变监测的一般技术流程。

图2  时序InSAR形变监测技术流程


小基线方法目前应用较为广泛,它主要研究低分辨率、大尺度上的形变。小基线方法较永久散射体方法,在时序影像数量、基线分布上要求较低。

图3  SBAS-InSAR数据处理工作流程图


三、相比传统形变监测手段的技术优势

在大范围区域地表形变、地震形变场快速获取方面,InSAR较传统的水准、GPS测量,具有独特的技术优势。

3.1 观测点密度

传统测量多是基于离散点,用单个点代表一定范围的变化情况。而InSAR观测的对象是地面上随机分布的若干个相干像元,观测相位是一定分辨单元内所有目标散射相位的相干叠加。每一个目标反映了整个分辨单元的变化,较之传统的点更具有统计意义。最主要的是,当相干性良好的情况下,相干像元的密度很高,直接获取的就是连续的面,反映变形场总体的分布情况,而这恰恰是形变测量的根本目标。另外,可以从沉降图中很方便地看出沉降区的空间分布,且更容易界定沉降边界。

图4  京津冀地区2012-2014年InSAR形变监测成果


3.2空间范围

由于InSAR是卫星遥感监测方式,一次性成像空间范围很广,往往是数千数万平方公里,而且是高密度的点位采样。这一点上,传统手段要解决大范围、高密度监测,难度很大。比如水准测量,路线越长,误差累积增加,测量的时间也增大。

3.3监测频率

对于大范围区域性地表形变监测而言,传统的监测手段主要是通过在野外人工布设一、二等水准网,再经过严密的平差运算,提取出每一时期微小的地表形变值。但这种方法野外作业周期长,成本高,无法满足所有观测点位时间上的同步性,加上传统监测布网空间覆盖范围有限,行政区划限制统一测量。

InSAR则是同步完成对观测对象信息的获取,重复观测时所有观测目标的时间间隔是相等的,是同步的。目前的卫星设计都朝着短周期的方向发展,以编队组网的模式缩短重复观测的时间间隔,大大提高了InSAR监测时序地表形变的频率。

3.4经济效益

着眼于监测的精细程度,InSAR大范围监测的成本一般会低于水准、GPS监测。但小范围监测中,则可能高于水准和GPS等传统地面监测手段。当前,许多监测方案都采用了联合地面和InSAR两种手段的方式,从不同尺度和精度要求上统计评价经济效益。

四、时序InSAR技术应用前景

从单纯的应用领域而言,InSAR形变监测主要分为突发地灾的应急与日常监测应用两大类。一类是地震、重大滑坡等灾后调查应用;另一类主要是面向活动断裂、区域性地面沉降、滑坡监测、矿山塌陷、重大工程与城市开发建设等目标。下面主要从以下几个方面分析了InSAR技术的应用前景。

1)、一些新型高分辨率SAR传感器如意大利COSMO-SkyMed、德国TerraSAR-X、加拿大RadarSat-2、欧空局的Sentinel-1A/1B、日本的ALOS-2的陆续升空给InSAR时序分析带来新的活力与挑战。SAR卫星越来越多,积累的数据也更加充分,不仅满足对各类变形场的近实时监测,也可支撑历史回溯。在应用层面,更多的行业倾向于利用InSAR数据,地球物理、地质、地震、遥感等学科的工程师与科学家的共同参与及多学科的融合,极大地提升了InSAR监测数据的应用层次。

图5  新一代星载雷达卫星


2)、从SAR数据保障上,国外两代SAR卫星数据已经初步培养了我国InSAR研究和用户群。目前,我国也在积极筹划研制自己的SAR卫星,特别是InSAR应用目标的配置,将会促进InSAR技术的整体进步。我国不久将发射的“海洋三号”卫星,将具备海陆观测快速重访、干涉重访能力,能够进行1:5万-1:1万全球DEM数据获取、毫米级陆表形变监测。结合“海洋二号”动力环境卫星可实现厘米级海面高度观测,实现对海上目标、重要海洋灾害、地面沉降、全球变化信息的全天候全天时观测,满足海洋目标监测、陆地资源监测等多种需求。

3)、新一代的雷达卫星具有3米乃至1米的分辨率,且具有短重访周期,利用这些高分辨率影像能获得更为细致的形变信息,使得特定目标(例如单个建筑物 、地下工程、大型建筑施工、二氧化碳地下存储、水库大坝、大型管线、桥梁、高速公路、铁路等)的定向监测成为可能,实现工程级应用。

图6  SAR干涉测量应用领域


4)、InSAR技术目前已经发展成熟,SAR卫星系统专业化发展、行业支撑和应用驱动,加上InSAR从业者的不断认识和研究,将必然发展成为一项常规的空间对地观测技术,在形变测量意义上会与GPS技术类似。

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