InSAR在地面沉降监测中的应用及发展前景

1、insarinsar 在地面沉降监测中的应用及发展前景在地面沉降监测中的应用及发展前景文章来源:资源网上传时间:2010-01-151 引言合成孔径雷达(synthetic aperture radar,sar)的概念始于 20 世纪 50 年代,是正在发展中的极具潜力的微波遥感技术。sar 具有全天时、全天候的工作能力,能够穿透云层,对某些地物具有一定的穿透能力,并能够在不同的微波频段、不同极化状态下得到地面目标的高分辨率图像,因此很快引起各国的热切关注,得到飞速发展。合成孔径雷达干涉技术(interferometric synthetic aperture radar,insar)出现于

2、20 世纪 60 年代末,它是 sar 与射电天文学干涉测量技术结合的产物。当扫过地面同一目标区域时,利用成像几何关系,通过成像、一些特殊的数据处理和几何转换,即可提取地表目标区域的高程信息和形变信息。由于 insar 技术有效利用了sar 的回波相位信息,测高精度为米级甚至亚米级,而一般雷达立体测量方法只利用灰度信息来实现三维制图,测高精度仅能达到数十米,因此该技术迅速引起了地学界及相关领域科研工作者的极大兴趣,现已成为微波遥感领域的研究热点d-insar(different insar,差分干涉)技术是在 insar 的基础上发展起来的,它以合成孔径雷达复数据提供的相位信息为信息源,可从包

3、含日标区域地形和形变等信息的一幅或多幅干涉纹图中提取地面目标的微小形变信息。d-insar 具有高形变敏感度、高空间分辨率、几乎不受云雨天气制约和空中遥感等突出的技术优势,因而有人认为它是独特的基于面观测的空间大地测量新技术,可补充已有的基于点观测的低空间分辨率大地测量技术如全球定位系统(gps)、甚长基线干涉(vlbi)和精密水准等,从而可以揭示出更多的地球物理现象,最终为地球物理学提供一种全新的动态研究途径。2 insar、d-insar 基本原理insar 测量模式主要有两种:一种是双天线单轨(single pass)模式,主要用来生成数字高程模型,一般用于机载 sar;另一种是双轨(t

4、wo pass)模式,主要用于获取地表变形,一般用于星载 sar。下面以重复轨道干涉测量为例,简要介绍 insar 技术的基本原理(见图 1)。假设卫星以一定的时间间隔和轨道偏离(通常为几十米到一公里左右)重复对某一区域成像,并在两次飞行过程中处于不同的空间位置 s1 和s2,则空间干涉基线向量为 b,长度用 b 表示;基线向量 b 与水平方向的夹角为基线倾角 ;s1 和 s2 至地面点 p 的斜距分别为 r 和 r +r;将基线沿视线方向分解,得到平行于和垂直于视线向的分量 bp、b;h 为 s1 到参考面的高度;从 s1 发射波长为 的信号经目标点 p 反射后被 s1 接收,得到测量相位

5、1,同样,另一空间位置 s2 上测量到相位 2,式中 argu1和 argu2表示不同散射特性造成的随机相位。假设两幅图中随机相位的贡献相同,则 s1 和 s2 关于目标 p 点的相位差 也称为干涉相位(interferometric phase),可由经过配准的两幅 sarslc(single look complex,单视复数)图共扼相乘得到。根据图 1 中的几何关系并利用余弦定理可得:(4)、(5)两式即为 insar 确定高程的原理性公式监测形变的 d-insar 技术的基本思想如下:首先选取重复时间间隔尽量短的slc 图像对,用来生成反映数字高程模型(digital elevatio

6、n model,dem)的干涉相位图;然后选择跨越同一目标区域形变发生时间段的 slc 图像对生成包含地形和形变信息的相位图;将前后两幅相位图相减,即得到反映视线向形变的相位图;再根据相应的成像几何关系计算垂直、水平方向上的形变。理论上,由相位解缠(相位模糊度解算)、成像几何和轨道参数就可以重建 dem,但实际的处理过程相当复杂,一般包括 sar 信号预处理、图像配准、生成干涉图、去除平地效应、相位解缠、基线估计、地理编码、dem 建立等过程。长期以来,成像处理、复数影像的精配准、相位解缠、大气效应的改正等都是 insar 数据处理的重点和难点。从 insar 理论提出以来,大部分研究工作都集

7、中在这些方面。但是,至今相位解缠以及大气效应的改正仍未得到很好解决。3 insar、d-insar 在地面沉降监测中的应用作为一种新兴的地面形变研究方法,insar 技术在地面沉降监测方面发挥了愈来愈明显的作用,国内外已有诸多实例。biegert 等(1997)应用不同卫星在美国加利福尼亚州 belridge 和 lost 山油田重复测量的合成孔径雷达数据对该区的地面沉降进行了研究,结果显示 70 天内沉降量达到 6 厘米,此结果与该区每年 30 厘米的地面沉降速率相吻合。marco van der (2001)对该油田地面沉降的研究也证明了insar 技术用于地面沉降的可行性。李德仁等(20

8、00)利用欧空局 ers-1 和 ers-2 相隔 1 天的重复轨道 sar 数据,经过差分处理对天津市地面沉降进行研究,得到反映地面沉降大小及分布的干涉条纹图。此图与 19951997 年重复水准测量求得的地面沉降等值线图比较,具有明显的一致性和相似性。刘国祥等(2001)用卫星雷达差分干涉技术研究在近海回填地基上建立香港赤腊角机场的稳定性,获得该机场在近 1 年内的非均匀沉降场,地面分辨率为 20 米x20 米,在填海区域内下沉量呈 050 米的空间分布,与离散水准测量结果吻合较好(相关系数 0.89)。证实了 ers-2 干涉系统对微小地面沉降敏感度高,精度小于 1 厘米。4 发展前景g

9、ps 是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。随着 gps 接收机硬件性能的提高和软件处理技术的进步,gps 相对定位的精度从以前的 10-7 提高到 10-9 量级,其在地面沉降应用中的精度已达到亚毫米级。gps 和 insar 起源于大地测量和遥感两个不同的领域,但它们技术上的互补性使得它们可以共同应用于在获得空间三维信息和地表变形监测等领域。目前世界上许多国家建立了 cgps 网(continuous gps networks),用于连续和动态地监测本地区的地面沉降情况。大部分 cgps 网的时间分辨率为 30 秒,基本满足实时动态监测的要求,而空

10、间分辨率却只有几十公里,不能满足小区域地面沉降监测的要求。而insar 技术虽然具有很高的空间分辨率,星载 sar 已达到约 20 米,但是雷达卫星因其固有的运行周期,所以时间分辨率还满足不了要求。另外大气参数的变化,卫星轨道误差等问题单纯依靠 insar 数据本身难以解决,必须加入其它的辅助数据和必要的技术手段来加以改善。由 gps 网络得到的数据可以计算出对流层的水蒸气含量和电离层干扰,这些结果可以修正 insar 中的大气模型。由于 gps 的坐标系统与大地坐标系统是联系在一起的,所以在这种意义上,gps 获得的坐标系可以认为是“绝对的”。相反,insar 结果可认为是“相对”测量值。另

11、外,由于 insar 影像的高空间分辨率性,它在空间意义上可以用来加密 gps 结果。所以显然两种技术是互补的。对于地面沉降监测来说,具体的做法如下:第一步,根据 gps 数据获得大气模型改正,给出水蒸气可降水量的预测值,从而得出电离层延迟。第二步,以 gps 定位结果作为约束条件来减少或消除 sar 卫星轨道误差。第三步,进行内插,首先在空间领域利用 insar 结果对 gps 网内插,然后在时间领域利用动态模型对加密的网格点进行内插,可以使用自适应滤波的方法建立动态模型。第四步,在双内插结果的基础上,利用卡尔曼滤波往前滤波方法对格网中所有点进行估计,从而得到某一时刻的变形值,这就达到了时间域和