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PS InSAR技术

在地表形变监测中的应用探讨

摘 要:利用InSAR技术监测地表形变,是目前国际上遥感领域发展较前沿的研究课题,而PS InSAR技术是InSAR技术的改进和提高。分析了制约InSAR技术监测地表形变的因素,介绍了PS InSAR的基本原理和数据处理的关键技术,结合国内外PS InSAR的应用现状展望了发展前景。关键词:PS InSAR;地表形变;监测 1 引 言

利用星载雷达进行差分干涉测量(InSAR)来监测地面地表形变,是目前国际上遥感领域发展较前沿的研究课题。它可以监测地球表面厘米级甚至毫米级的形变[1],如地震形变、地面沉降、火山运动、冰川漂移以及山体滑坡等。但雷达干涉测量技术受到多种条件的制约,例如基线几何去相关导致很多图像不能用于干涉测量、大气折射使得很多干涉图受到影响,有时,这些误差会严重污染形变信息,使得形变监测变得困难和不准确。意大利人Ferretti在研究同一地区的多幅干涉图时发现,在城市和岩石裸露的干燥地区存在大量稳定且亮度很高的反射 点,称为永久散射体(Permanent Scatterers,PS),由于这些反射点(一般而言小于一个像元)保持着良好的相位信息和幅度信息,可以通过监测这些离散点相位的变化来获取形变信息,这种方法很好地克服了时间去相干和大气信号对地表形变提取的影响[2]。本文分析了InSAR技术监测地表形变存在的问题,介绍了PS方法的基本原理和数据处理的关键技术,通过对国内外试验研究分析,证明即使周围地区的相关性不好,甚至生成单个干涉图时没有明显条纹,在PS上也能得到可靠的的数字高程模型,并监测毫米级的地表形变。2 InSAR技术监测地表形变存在的问题

InSAR技术的核心是利用相位观测值获取目标的几何特征及变化信息。干涉纹图中任一像元的相位表示的是雷达与该像元间距离的变化和该目标的散射相位变化之和。若两次观测期间散射相位保持稳定,则干涉相位反映的是两次观测期间目标与雷达间距离的变化,其中包含地形信息,地表形变以及大气活动引起的相位延迟。因此,可以根据各分量对干涉相位“贡献”的大小,分别解算出地形信息、两次观测期间目标沿雷达视线方向的变化量以及大气延迟量等[3]。由于干

涉相位对微小形变极其敏感,毫米级的形变在干涉相位中都会有所反映。因而,利用重复轨道观测获取的干涉相位,通过差分处理去除两次观测相位中的共有量(平地效应、地形相位和大气延迟等),可以得到形变相位,进而反算形变量。这就是差分干涉测量(D-InSAR)监测地表形变的基本原理[4]。制约InSAR技术监测地表形变的因素主要来自两个方面。2.1失相干

InSAR测量是根据干涉相位进行的,即由相位差求解变化量。对于干涉处理而言,一个重要的前提是存在相干性,即两景影像信号的相似性或相关性。准确获取干涉相位需满足相干条件失相干条件下难以获取真实的干涉相位。失相干可以分为3类[5],即:(1)空间失相干;(2)时间失相干;(3)目标的非相干移动。雷达两次观测同一目标时空间基线过长,则雷达观测视线张角增大,引起雷达回波信号数据谱和目标谱的偏移,当偏移量达到一定程度时,则完全失相干,这时的空间基线称为临界基线。受临界基线的限制,只有部分垂直基线小于临界基线的干涉像对才可以进行干涉处理。与空间失相干相比,时间失相干主要是由于重复观测期间目标散射特性变化,使得两次观测获取同一区域内信号不相干,如同一观测区域内地物类型的变化,植被生长因素影响等。雷达目标的非相干移动是指由于目标变化强度过大而空间范围较小,产生的相位梯度过大,超过了干涉相位的临界梯度。2.2大气延迟

受两次观测时刻大气波动影响,特别是对流层湿度和温度的变化,产生不同的相位延迟,在相位图上表现出延迟量的非均一性。对于大尺度微小形变监测而言,这种非均一的相位延迟量作为误差引入到形变相位中,影响了InSAR测量的精度。大气的成份随时间和空间的变化而变化,其变化特征在时间域呈高频,在空间域则相对较低。

分析上述两个问题可知:准确获取形变相位需要解决两个主要问题,即:(1)低相干性条件下相位解缠;(2)差分相位中形变相位与大气延迟相位的分离。前者在于利用少量相干目标的干涉相位来恢复真实相位,需要解决的是离散目标的相位解缠,以此反演地表变化,而后者则是研究从干涉相位或者差分相位中抑制或者分离出大气延迟相位,以提高待解算量。PS InSAR技术的基本原理

PS技术的核心思想是对永久散射体干涉相位进行时间序列分析,根据各相位分量的时空特征,估算大气波动,数字高程模型(Digital Elevation Mod-el,简称DEM)误差以及噪声等[6],将其从差分干涉相位中逐个分离,最终获取每个PS的线性和非线性形变速率、大气延迟(Atmosphere PhaseScreen)以及DEM误差。经PS方法处理,获取的年度形变率的精度可以达到毫米级[7]。该方法是基于大量的合成孔径雷达(SAR)数据(一般大于20甚至30景),从中筛选出具有稳定散射特性的相干点目标,构成离散点观测网络(较之常规的变形监测网密度更高),通过分析PS点目标相位变化获取地表形变状况。由于将永久散射体作为观测对象,降低了空间基线对相干性的影响,即使在临界基线的条件下,仍然可以通过分析PS差分干涉相位的变化反演形变信息。但该方法往往需要反映地表形变特征的先验模型,如线性形变速率模型。另外,为了提高散射体高程的估算精度,并进行大气校正,需要大量的SAR数据进行统计分析。

PS技术一般采用的线性形变模型提取点目标对应的形变量,如测量长时间下保持稳定移动速率的地表移动的现象。该方法的优点是能一次性地获取中尺度(约2000km2)范围内的地表形变信息。由于非线性形变可以用线性形变模型来模拟,因而一些非线性形变也可以通过线性形变测量得到。若观测对象表现出明显的非线性特征,并且形变量变化大,则在PS点目标覆盖的范围内出现了不连续的区域,产生不连续(空间和时间上的)的原因是由于形变本身超出了所采用的模型的边界条件。这种情况下,若利用基于线性模型估算的形变速率来反演一定时间内的形变量,则必将与实际情况相差较大。可以通过两种方法来弥补线性模型模拟非线性形变的不足,一种是采用非线性形变模型,另外一种是将长时间间隔分解为数个短时间段,利用函数模型模拟各个时间段内的形变量,进而求解非线性量[8]。非线性模拟的处理过程相当复杂,而且非常耗时,限制了其用于大面积的形变测量,但随着处理技术的进步,处理时间将逐步缩小,处理的范围也可以进一步扩大。PS InSAR数据处理的关键技术 4.1 影像配准

影像配准就是计算参考影像到待配准影像的影像坐标映射关系,再利用这个

关系对待配准影像实行坐标变换、影像插值和重采样,影像配准的精度要求达到子像元级[9],通常分粗配准和精配准两个阶段进行配准。如果在SAR图像中均匀地布设了一些角反射器,那么我们就可以用角反射器的精确位置来进行图像的配准和重采样。4.2 生成干涉图

给定要进行PS处理的N+1幅SAR图像,选择其中一个作为主图像,其余的作为从图像。主图像的选择主要考虑到空间基线、时间间隔、季节以及图象质量等因素;如果分析的结果表明主图像的相位受大气影响很大,则应该选取其他图像作为主图像。选定了一幅主图像和其他N幅从图像,就可以生成N幅干涉图,同时获得相干图以及重采样后的从图像等。在生成干涉图的同时,还应该去掉平地效应引起的相位。4.3 PS点的选取

PS点的选择对于地壳形变计算至关重要,一方面,PS点应该具有很高的稳定性,另一方面,探测PS点的概率应当尽可能的高,以至于大部分PS点可以有效地挑选出来。通常用设定相关阈值来判断PS点,如果某一目标的相关值始终大于某一给定的阈值,我们就认为它是一个P点。但是由于干涉图的基线偏差以及DEM误差,使得有的相关图无法判断PS点。如果DEM引起的相位变化以及目标运动引起的相位变化没有得到消除的话,相关值大小往往会被低估,因此有必要采用200~300m范围内的基线作为PS方法选取干涉影像的标准。4.4 地形相位去除

在生成干涉图的同时,我们已经去除了平地相位。为了分离出形变相位,还要通过外部DEM或者干涉生成的DEM来去除地形相位。4.5 获取形变信息

在去掉平地相位和地形相位之后,剩余的相位成份包括形变相位、大气相位(APS)、由DEM误差引起的地形误差相位、噪声相位等。有N幅干涉图,对每一个PS点也就有N个等式,假定一个相位变化模型(比如,线性模型)和大气模型,对这些等式进行联立运算,得到最优的形变速率、DEM误差和大气相位项APS。对经过APS修正的干涉图再次进行运算,就可以得到大气校正后的形变值。5 PS InSAR技术在地表形变监测中的应用实例

2001年,Ferretti等人首次将PS InSAR技术应用于监测意大利著名的Ancona大滑坡[9],该地区受到时间去相关的严重影响,用传统的InSAR技术效果甚微。这个城市收集到的所有34幅欧洲遥感卫星(ERS)雷达图像全部被利用,时间跨越超过5年,最大垂直基线超过1600m。结果表明,在PS点被确认的地方, DEM精度大大提高了,达到0.5m,而且,地表形变速度场也与地面真实情况相符[10]。

接着在Pomona沉降的研究中,Ferretti将PS技术与传统InSAR进行比较[11],表明PS技术在监测形变中有明显的优势,而且即使是最好的差分干涉情况(比如,很小的垂直基线),应用PS技术也能极大提高成果质量。之后,Colesanti等人又将PS方法与GPS、几何水准测量方法进行了比较[12],证明PS的结果是可信的,尤其适合大面积低成本的监测,协调使用这三种技术能更好地改善地面形变测量的质量和可靠度。

国内许多应用研究部门对此表现出浓厚兴趣。由中国科技部、欧空局等单位合作的“龙计划”,在三峡库区安装了角反射器,用于监测三峡地区泥石流、滑坡等地质灾害[13];中国地震局地壳应力研究所张景发、英国伦敦大学学院Peter等研究人员在西藏当雄活动断裂带区域安装了角反射器,用于监测地壳运动形变。虽然一时还无法得到最终结果,但该方法已显示出强大的生命力[14]。6 结论与展望

PS InSAR技术是雷达遥感发展的又一个新阶段,它充分发挥InSAR测量的优势,并对其所存在的失相关、大气影响、基线估计等问题进行了很好的解决,利用那些经历长时间间隔仍保持高相干性的单个像元的相位信息,将研究区所有可能得到的SAR影像充分利用起来,避免数据在时间上存在空隙,不仅可以监测毫米级地形形变,而且达到对整个区域面的连续监测,为精确研究地表形变提供了强有力的工具。但PS方法是基于统计学原理,其应用建立在海量SAR数据(大于20)之上,并且对数据的要求较高,这使得该方法的应用面和实时性有所局限。但是随着SAR数据的不断增加和更多的SAR卫星上天,数据资源越来越丰富,空间分辨率和重访周期也不断提高,PS InSAR的应用有望更加实用化。特别是人工角反射器的安装和利用,既可作为影像配准的控制点,又能提供高度可靠的相位信息,将会进一步提高PS InSAR技术的可行性和可靠性。

参考文献

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