单颗导航卫星载波相位定轨-教育路路通

1、测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 GPS-InSAR 数据融合方法与应用 1 焦明连 1，蒋廷臣 1，2， ( 1淮海工学院 测绘工程学院 ,江苏 连云港 222001 ； 2武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉市珞瑜路 129 号 武汉 430079 ) 摘 要：应用 GPS-InSAR集成技术监测地表形变是目前地学界研究的热点问题。 介绍了利用 GPS对InSAR 进行大气误差和轨道误 差改正的方法， 探讨了 GPS与 InSAR 数据融合的方案， 并通过一个实例证明应用 GPS-InSAR 集成技术可以达到毫米级监测精度并 具有十分广阔的应用前景。 关键词： 全球定位系统；合成孔径雷达

2、干涉测量；地表形变；数据融合 引言 合成孔径雷达干涉测量( Interferometric Synthetic Aperture Radar ，简称 InSAR )是根据 复雷达图象的相位差信息，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关 系，通过影像处理和几何转换来提取地面目标区地形的三维信息1 。最大特点是主动式遥感， 全天候成像，空间分辨率高，覆盖范围大。它固有的局限性在于对大气参数的变化、卫星轨道 参数的误差和地表覆盖的变化非常敏感，给 InSAR 图像的解译带来困难。 GPS 技术在地表形变 监测领域的应用日臻成熟，世界各国都投入大量经费布设GPS 监测网，对地表形变

3、进行连续或 定期观测，其显著特点是时间分辨率很高，采样率可达20Hz。但 GPS 定位为离散点定位，空 间分辨率可能是几十或几百公里 2 ，得不到连续的定位结果，为了提高监测的空间分辨率，需 要布设大量的 GPS监测点，高费用抑制了 GPS 对地表形变的监测能力。 两种对地观测技术， 信 息获取的侧重点有所区别，并带有一定的片面性。根据二者互补性的特点，将两种技术进行组 合应用，不但可以获得更多的信息，提高信息的可靠性，而且信息融合过程会挖掘更多的信息， 从而推动对地观测技术向更深更广的领域发展。 目前，我国对 GPS与InSAR 集成技术的研究还 处于起步阶段， 仍有许多问题值得研究。 本文

4、重点讨论 GPS与InSAR 合成的技术途径， 并通过 一个实例证明该方法切实可行并具有十分广阔的应用前景。 一、GPS与 InSAR合成的技术途径 InSAR 对于大气传播误差、卫星轨道误差、空间基线去相关等误差非常敏感3 ，当这些误差 出现在 InSAR 中时，会严重影响 InSAR 的精度甚至会引起错误解译。 GPS与 InSAR 数据融合 既可以改正 InSAR 数据本身难以消除的误差， 又可以实现 GPS 技术高时间分辨率和高平面位置 精度与 InSAR 技术高空间分辨率和高高程变形精度的有效统一。 1.1 GPS 对 InSAR 大气误差的校正 InSAR 获取地表形变信息是通过对

5、 InSAR 干涉图进行差分处理得到的。因此，只有 SAR 影像上两个点之间和两幅影像之间的相对大气延迟才会使 InSAR 获取的形变信息发生扭曲。同 作者简介 ：焦明连 (1963-), 男，河南商丘人，副教授，主要研究方向为遥感信息处理和测绘教育。 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 时，相位差以及地表形变总是相对于影像上面的某个固定点的，因此，站点之间和时域之间的 双差分算法可用于从 GPS 观测值中获取对 InSAR 的大气延迟改正 4。 1.1.1 单差分（ Single-differences ） 假定 A 点在 SAR 影像上是固定不动的，作为一个参考点。 B 是 SAR 影像上

6、的另一个点， 如果从 GPS估计出的站点 A和B在 SAR影像 j 时的对流层延迟分别为 DAj和DBj ，则站点之间的 延迟差为： DAjB DBj DAj（1） 用站点 A作为参考点，利用式（ 1）可以计算其他 GPS 站点与 A 点之间的单差分延迟，这 些单差分延迟经过内插可以生成一副与雷达的 SLC 数据相似的大气层延迟改正影像。 1.1.2 双差分（ Double-differences ） : 假定有两个站点 A 和 B 和两个时间 j （主 SLC 影像）和 k（副 SLC 影像），由式（ 1）可以 得到两个单差分，通过对这两个单差分进行差分可以得到一个双差分： DAjkB DA

7、kB DAjB （DBk DAk） （DBj DAj ） (DBk DBj ) (DAk DAj)(2) 式（2）表明有两种可能的方法进行双差分：一是先进行站点间差分，然后进行时域间差分 （BSBE），二是先进行时域间差分，然后进行站点间差分（BEBS）。一般人们更倾向于 BSBE法， 因为 BS差分能内插生成一副单差分延迟改正产品， 该产品只与 SLC影像有关， 只要 SLC影像形 成 InSAR 对， BS 能自由的形成下一步的 BE 差分组合。 1.2 GPS 对 InSAR 轨道误差的校正 因为仅仅采用星载 SAR 数据本身提供的轨道参数进行定位，误差可能达数公里，即使使用 经过精确校

8、正的轨道参数，精度往往也达不到应用的要求5。GPS 技术在 InSAR 应用中直接的 结合方式是对 InSAR 数据的处理结果进行精确的几何定位或地理编码。通常的步骤是事先设置 角反射器，适当地安装角反射器（如图 1所示），当 SAR 成像时将会强烈反射角反射器发射过 来的电磁波， 在影像中出现明显的特征点。 或者找到类似于角反射器的永久性散射体 （ permanent 图 1 角反射器图 2 角反射器在雷达图像上的表现 scatters，简称 PS），PS 是对电磁波具有强反射的地物，以人工地物居多，它们的几何形状和物 理特性在很长的时间内不会有明显变化，如裸露的岩石、高楼、灯塔等。用GPS

9、 精确测定角反 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 射器或永久性散射体的三维座标。而且这些点目标在 SAR 影像中非常突出（如图 2 所示），便 于准确地确定其在影像坐标系统和地理坐标系统中的位置，这样就可以准确地确定出这些点目 标对应的几何位置关系，作为控制资料精确校正由 InSAR 数据得到的 DEM 和变形分布图，以 消除大气影响、轨道参数的不确定性和其它系统性的误差6 。 1.3 GPS 与 InSAR 数据融合的方法 由上述可知， GPS和InSAR 在空间域和时间域的分辨率具有很强的互补性，因此，将两者 结合，无疑具有重要的意义。在城市，地面沉降变形主要是由于过量开采深层承压水引起

10、的， 这种地面沉降变形范围大、发展缓慢，在大部分情况下，每年的变形量在几个厘米左右。由于 这种变形缓慢， InSAR 的重复周期应该可以满足城市地面沉降变形监测对时间分辨率的要求， 不必在时间域内进行内插，但是城市地面沉降范围大，对空间分辨率要求较高。在矿区，地下 矿物开采引起的地面沉降变形的速度比城市的沉降变形要大的多，一个月左右的重复监测周期 大致可以满足要求，为了求取移动参数，在矿区地表移动的活跃阶段需要缩短重复监测周期， 因此， InSAR 数据在时间域内可能需要进行内插。而由于地震、滑坡等原因引起的地面变形， 在短时间内，可能产生较大的变形，需要在时间域内进行内插，以掌握其动态的变形

11、规律 7 。 GPS和InSAR 数据融合的方法为： 由 CGPS 网导出大气误差改正， 并利用 GPS 定位结果作为约束条件对 InSAR 轨道误差进 行修正。 用 GPS 改正后的 InSAR 数据作为地面沉降变形的空间分布模型， 在空间域内以网格为主 要方式加密 GPS结果，形成多个跨越 1个或几个 SAR 卫星重复周期的准 GPS变形结果。 通过高时间频率的 GPS 数据 （其所采集的变形量和地面沉降量 ），在时间域内对上述已加 密过的格网， 再行内插和加密， 从而将准 GPS结果在时间域内加密成准 GPS时间序列。 以上两 步实际上是在空间域及时间域内的双内插过程 8 。 在上面双内

12、插的基础上，利用卡尔曼滤波 （ 或其它方法 ）对所有格网点的 GPS 时间序列进 行估计，最终得到全面的地面动态变形信息 （地面水平变形和地面垂直变形 ）。 二、应用实例 如前所述，应用 GPS-InSAR合成技术时，需要一定规模的地面 CGPS网来支持 InSAR 对于 大气传输误差、 卫星轨道误差的各项改正， 以应用双插双估计 （ DIDP ）方法实现对 GPS和 InSAR 监测数据的加密 9 ，从而准动态地监测地面沉降或地质学与地球物理学所研究的其他各类地球 表面现象。迄今，国内外许多国家如美国、日本、加拿大、中国、韩国、德国、俄罗斯以及马 来西亚都已经建立或正在建立了规模不一的 CG

13、PS网。美国大地测量局在 1999年底， 已建立了 CGPS 网点 156 个，该网络系统除了为全美国的 GPS用户提供厘米级定位和导航之外，同时支 持地表形变监测、大气水汽分布研究和卫星遥感（包括雷达）应用等 10 。并早已提出了由于在 时间和空间大气变化的不确定性，对雷达信号会造成不同的传播延迟，从而会影响变形监测的 精度问题。为此，Galloway等人11用GPS-InSAR 组合技术分析了美国某地区由于地下开采造成 的地面沉降。其做法是，首先利用 CGPS数据对 InSAR 数据进行大气延迟误差改正，减弱大气 延迟对 InSAR 的影响，再利用 GPS 定位结果对 InSAR 轨道误差

14、进行校正，将计算结果与 GPS 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 控制点测量结果进行对比分析， 表明在 ERS-1/2和JERS-1重复过境数据支持下， 用 GPS-InSAR 组合技术能以毫米级的精度监测地面沉降变化。GPS 观测值与 GPS/InSAR 计算值对比结果如表 1 所示。 GPS 观测值与 GPS/InSAR计算值对比表表 1 控制点 号 GPS 观测值 （ mm） GPS/InSAR 计算值 （mm） 差值 （ mm） 控制点号 GPS 观测值 （ mm） GPS/InSAR 计算值 （mm） 差值 （ mm） 058 19 16 3 1102 21 27 -6 0519

15、7 12 -5 2103 86 88 -2 1060 43 38 5 1040 18 12 6 061 58 60 -2 1105 86 91 -5 20 73 78 -5 106 59 60 -1 62 2063 75 69 6 1107 65 60 5 0614 87 89 -2 3108 76 74 2 1065 65 63 2 3109 37 40 -3 1066 36 37 -1 4110 6 2 4 2067 25 29 -4 111 71 77 -6 078 40 37 3 1012 45 49 -4 1069 83 88 -5 1113 79 76 3 1070 84 90 -

16、6 1104 18 17 1 三、结论 分析和实例证明， GPS 和 InSAR 技术具有很强的互补性，一方面 GPS 为解决 InSAR 对于 大气参数的变化敏感和轨道误差校正提供了途径， 另一方面，可以利用 InSAR 技术提高 GPS的 空间分辨率，并能以毫米级的精度监测地表形变。因此，利用 GPS-InSAR 集成技术将突破单一 技术的应用局限，发挥各自的优势，极大地改善空间域和时间域的分辩能力，更好地为地表形 变监测提供服务。由于开展 GPS-InSAR 集成研究是一种新尝试，在技术层面还存在相位解缠算 法、区域水汽模型和大气层延迟误差改正模型、时间域和空间域的融合模型和算法等诸多问

17、题 12，但随着 CGPS的逐步完善、 SAR 分辨率和卫星轨道参数精度的提高，以及更高精度的数据 模型的采用等， GPS-InSAR 集成技术在大范围地表形变监测方面的优势将会得到更好的发挥。 参考文献： 1 李德仁 ,周月琴 ,马洪超 .卫星雷达干涉测量原理与应用 J.测绘科学 ,2000,251:9-12. 2 陈基伟 .GPS-InSAR 合成方法进行地面沉降研究与展望 J. 遥感信息 ,2003,4:48-50. 3 何敏, 何秀 凤.合成孔径雷达干涉测量技术及其在形变灾害监测中的应用 J.水电自动化与大坝监 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 测,2005,29(2):45-48.

18、 4 单新建,马瑾,王长林,等.利用差分干涉雷达测量技术 (D-InSAR) 提取同震形变场 J.地震学报,2002,24(04):413-420. 5 路旭,匡绍君,贾有良,等.用INSAR 作地面沉降监测的试验研究 J.大地测量与地球动力学 ,2002,224:66-70. 6 单新建 ,宋晓宇 ,柳稼航 ,等.星载 InSAR 技术在不同地形地貌区域的 DEM 提取及其应用评价 J. 科学通 报,2001,46(24):2074-20791. 7 周建民,何秀凤.SAR 差分干涉测量技术及其在地表形变监测中应用现 状J.河海大 学学报(自然科学 版),2005,33(4):463-465. 8 游新兆，李澍荪，杨少敏，等 .长江三峡工程库首区 InSAR 测量的初步研究 J. 地壳形变与地震 ,2001,