第3章 区域地壳形变监测-2-2014

《地壳形变》主页第三章区域地壳形变监测武汉大学许才军GPS技术用于地壳垂直形变监测1）有可能利用GPS观测直接得到毫米级的大地高数据。重复GPS观测可以求定大地高的变化（或站心坐标系的U分量的变化）。2）正常高是地面点沿正常重力线方向至似大地水准面的距离;大地高是地面点沿法线方向到椭球面的距离。重复水准给出监测点正常高的变化。

3)由于椭球体法线与正常重力线夹角很小（通常为“分”的量级），大地高和正常高方向基本重合，所以可以用大地高的变化代替正常高的变化，也就是可以利用重复GPS观测取代精密水准以监测地面的升降变化。GPS测量站坐标系的U分量与正常高变化的关系U与h的关系为过B点似大地水准面垂线与过A点的球半径之间的夹角的大小与B点处的垂线偏的大小及局部椭球局部ITRF的定向有关，是个微小量当A，B两点间相距不大时（<110km），可以忽略，此时有所以当A，B两点大约100km时，可以用即可由GPS测量结果代替水准测量的正常高的变化！代替而卫星雷达干涉测量InSARInSAR(InterferometricSAR):是以SAR雷达天线记录到的回波信号为信息源，利用干涉测量技术获取地球表面的三维地形、地表形变和地物特征变化等信息的一种测量技术。InSAR是SAR的一个新的应用领域。InSAR发展历程InSAR应用领域InSAR基本原理及处理流程InSAR时序分析技术SAR:全称为SyntheticApertureRadar含义为合成孔径雷达分类真实孔径雷达合成孔径雷达（SAR）加拿大魁北克地区1953年第一幅机载SAR影像星载合成孔径雷达（SAR）是一种以卫星为载体平台的对地观测技术，用来获得地物的高分辨率雷达图像。全球范围，不受国界领空限制；高度高，可视范围大，成像测绘带宽；全天候，不受气象条件限制；轨道稳定，多次成像重复性好；飞行平稳，没有运动补偿问题；下视角相对小，图像阴影少。星载SAR的优点轨道固定，侦察不灵活；卫星飞行速度高，成像带宽度大，设计参数约束条件多；距离远，图像信噪比提高困难；受星-地数据传输链路信道容量制约。星载SAR的局限方位向(Azimuth)距离向(Range)分辨单元轨道高度H距离R下视角掠地角入射角下视角≠入射角飞行方向轨道高度H星载SAR成像几何关系下视角下视角入射角1978年Seasat卫星—第一次获得卫星成像雷达数据主要参数国家：美国高度：800km轨道倾角：108度波长：23.5cm（L波段）入射角：23度极化方式：HH地面分辨率：25m25m工作时间：105天重复周期：3天1991年ESA发射ERS-1—里程碑意义的商业雷达卫星主要参数国家：欧空局高度：782km轨道倾角：98.5度波长：5.6cm（C波段）入射角：23度极化方式：VV地面分辨率：25m25m设计寿命：5年重复周期：35天ERS-11992年JERS卫星主要参数国家：日本高度：570km轨道倾角：97.7度波长：23.5cm（L波段）入射角：35度极化方式：HH地面分辨率：18m18m工作寿命：6年重复周期：44天JERS1995年可变视角卫星Radarsat-1主要参数国家：加拿大高度：798km轨道倾角：98.6度波长：5.6cm（C波段）入射角：20-49度极化方式：HH地面分辨率：25m28m计划寿命：5年重复周期：24天Radarsat-1ERS-2卫星Envisat卫星Tandem模式ASAR、多视角、多模式ERS-2与EnvisatENVISATImage模式图象2003年12月11日01:57:02VV极化丹东鸭绿江入海口Image模式ENVISAT卫星AlternatingPolarisation模式的图象与Image模式一样，具有约30米的空间分辨率的图象，以及同样IS1~IS7的7种不同入射角的成象位置；HH极化图象VV极化图象ENVISATAlternatingPolarisation模式图象2003年12月9日14:15:00河南北部另，AlternatingPolarisation模式提供同一地区两种不同极化方式的图象，用户可根据需要从以下三种极化方式组合中选择一种(VV和HH；HH和HV；VV和VH)；ENVISAT卫星WideSwath模式采用ScanSAR技术，可以提供更宽的成象条带，幅宽为405公里，空间分辨率150米，可以HH或VV极化方式成像ENVISATWideSwath模式图象2003年12月10日02:31:45VV极化湖南ENVISAT卫星2000年2月22日,美国奋进号航天飞机在圆满完成为期11天的航天飞机雷达地形测绘使命(SRTM)后,安全返回地面。此次飞机共采集了80个小时,约9.8万亿字节的地形数据,覆盖了全球80%以上的陆地表面。US

Shuttle

Radar

Topography

Mission美国航天飞机雷达地形测绘使命SRTMSRTM任务具有2个独创之处:①通过长达60m的可伸缩天线杆,实现了单轨道雷达干涉测量;②同时实现了双频(X,C波段)及多极化(HH,VV,HV和VH)雷达地形数据的获取。全部原始数据的处理约化两年的时间,最终获取平面精度±20m,高程精度±16m的全球数字高程模型(DEM)。此外,利用重复轨道的SRTM雷达数据,可实现差分干涉测量,用于地壳形变及冰川变化的监测,精度可达到厘米级。SRTMSRTM成果2006年ALOS卫星多视角、多模式2007年Radarsat-2Radarsat-22007年TerraSAR-X主要参数国家：德国高度：514km轨道倾角：97.4度波长：3.1cm（X波段）入射角：20-45度极化方式：HH/VV/HV/VH地面分辨率：3m2m计划寿命：5年重访周期：11天波段：X波段极化方式：多极化观测方式：侧视轨道类型：太阳同步回归周期：11天轨道高度：512－530千米TerraSAR-X是德国的首颗多用途侦察卫星，也是目前世界上探测精度较高的卫星，由德国航天局及欧洲阿斯特留姆公司联合研发制造，耗资1.3亿欧元，运行高度在512－530公里，倾角98度的太阳同步轨道上，重访周期为11天；TerraSAR-X卫星为了达到不同的观测角，以前的卫星通常需要转动整个星体，而TerraSAR-X卫星只需用有源天线转动“眼睛”，即扫描条带。随着地球在这条轨道下方自转，该卫星可逐条带地扫描地球的所有区域，亦可在更短时间内对任何重点目标进行优先观测；TerraSAR-X是固态有源相控阵的X波段合成孔径雷达（SAR）卫星，分辨率可高达1米。由于TerraSAR-X可控制雷达信号的发射、接收的方向及模式，因此具有极高的灵活性；TerraSAR-X重访周期为11天，然而由于具有电子光束控制机制，对地面任一点的重复观测可达到4.5天，90%的地点可在2天内重访。同时，卫星具有256G的机上存储空间，并可实时下传，保证了极高获取效率；能进行聚束式、条带式、扫描式成像，三种成像方式均可有多种极化；

聚束式（SpotLight）1米分辨率，覆盖范围5x10公里条带式（StripMap）3米分辨率，覆盖范围30x50公里扫描式（ScanSAR）16米分辨率，覆盖范围100x150公里影像获取模式可快速切换：聚束式（SpotLight），连续两景之间的距离为20公里，条带式（StripMap）和扫描式（ScanSAR）为17公里；

国防、安全

形变监测各种地形、专题制图农业：农作物制图，精确农业（灌溉、施肥、喷撒农药等应用）识别森林类型，支持计算监控森林覆盖率城市及区域规划，环境保护海岸带管理及船只监控地质灾害管理（洪水监测等）规划监测供应网络（如石油管道等）TerraSAR-X产品与服务可为很多地理信息应用提供数据

X波段可用于对地表特征进行制图并可解译较小地物；多种同步的极化模式，提高地物识别能力；高几何分辨率，识别小型地物；高辐射分辨率以区分多种专题分类；高重访周期，TerraSAR-X可采取不同侧视角度，在不同天气、光照情况下均可进行拍摄，可进行经常性、定期的观测、监控及地图更新；灵活性及高性能：获取模式快速切换，可进行大区域详细观测，危害诊断产品可几乎实时提供；TerraSAR-X卫星TanDEM-X卫星2007年COSMO-SkyMed星座主要参数国家：意大利高度：620km轨道倾角：97.9度波长：3.1cm（X波段）入射角：20-45度极化方式：HH/VV/HV/VH地面分辨率：3m2m计划寿命：5年重复周期：12小时三种工作模式、共5种不同分辨率的成像模式

COSMO-Skymed卫星COSMO-Skymed雷达卫星的最高分辨率为1米，扫描带宽为11公里，具有雷达干涉测量能力。作为一颗分辨率高达1米的雷达卫星，它具备全天候全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高重访周期、1米高分辨率等优势，将广泛应用于农业、林业、城市规划、灾害管理、地质勘测、海事管理、环境保护等领域；2006年遥感卫星一号遥感卫星一号是遥感系列卫星的第一颗；主要用于科学试验、国土资源普查、农作物估产和防灾减灾等领域，将对中国国民经济发展发挥积极作用。机载SAR系统InSAR应用领域InSAR应用领域地形测量Gtopo30USGSSRTM地形测量地壳运动研究冰川研究森林调查与制图地表沉降地表沉降InSAR基本原理及处理流程5.6cm780km振幅：目标物的反射特性，是雷达波参数和目标物参数的函数振幅相位相位：雷达天线与目标物间双程距离中不足整周的部分影像特征相位：雷达天线与目标物间双程距离中不足整周的部分路径差（相位偏差）5.6cm780km重轨InSAR工作原理单视复影像Singlelookcomplex(SLC)InSAR基本原理根据距离-多普勒原理，多普勒频率表示为

因为

所以

干涉相位

远场情况下：InSAR几何关系上式左边表示邻近像素的干涉相位差，右边第一项表示目标高程变化引起的相位，右边第二项表示无高程变化的平地引起的相位，称之为平地相位(flatphase)。相位：雷达天线与目标物间双程距离中不足整周的部分1stTime2ndTime当地表无形变重轨InSAR工作原理相位：雷达天线与目标物间双程距离中不足整周的部分1stTime2ndTime当地表发生形变InSAR基本原理

视线向的形变1周视线向形变等于半个物理波长InSAR基本原理对形变的敏感度是地形的1000+以上荷兰DelftDORIS(Unix/Linux/Cygwin)http://doris.tudelft.nl/Doris_download.htmlCaltechROI_PAC(Unix/Linux)/projects/ROI_PAC瑞士GAMMA(Unix/Linux/Cygwin)http://www.gamma-rs.ch/ENVISARSacpe(Windows)/language/en-us/productsservices/envi/sarscape.aspx加拿大EarthView(Windows/Solaris)/ApolloTG/products/earthview.htm常用的SAR软件InSAR处理流程通常，图像的配准误差必须在1/8个像元以下才对干涉纹图的质量没有明显的影响图像配准生成干涉图配准后的图像对进行复共轭相乘就得到了复干涉纹图平地相位消除P为什么要消除平地相位？即使是平地也会产生距离差，从而产生相位差。平地相位消除方法直接计算，主辅SAR图像上同一点成像时，对应的主辅卫星位置，计算斜距差，从而得到平地相位去地形影响在InSAR处理基础之上，消除地形相位，获得地表形变相位信息。两轨法，外来DEM模拟干涉相位，获得地形相位信息三轨/四轨法，由未有形变的干涉SAR图像对获得地形相位信息干涉图滤波由于干涉相位图一般都受到了系统噪声和相干斑噪声的影响，使得相位值偏离其所反映物理量的真实值，这将严重影响下一步相位解缠的准确性圆周期中值/均值滤波法加权圆周期中值滤波Goldstein滤波及其改进方法原始干涉图圆周期均值圆周期中值加权圆周期Goldstein改进的Goldstein影像B:080201影像A:07112320080109，西藏改则地震干涉图=相位A–相位B振幅相位1个条纹=2.83cm相位解缠相位解缠为什么要进行相位解缠？ReIm定义相位解缠：一切将相位由相位差值或主值恢复为真实值的过程数学描述给定一个二维相位矩阵ψi,j，为了解缠该矩阵，需要对每个点(i,j)加上或减去2π的整数倍从而得到一个连续的函数ϕi,j，即解缠条件一致性：任意两点间的相位差与路径无关精确性：解缠后相位忠实地恢复原始相位函数地理编码地理编码是指将雷达坐标系下的干涉图转换到大地坐标系或者制图坐标系下。在地形相位生成过程中，已经得到了DEM模拟的幅度影像与主影像之间的关系（查找表），通过这个对应关系，就可以将雷达坐标系下的干涉图转换到大地坐标系下。最终的InSAR产品：地理编码后的解缠相位。

InSAR时序分析技术单幅SAR图像实际观测的相位：InSAR研究的难点：成像时间间隔所导致的时间去相干，使得像元内的散射特性发生变化，得到的干涉条纹变成随机分布，无法获得有用的信息——对散射相位的消除

D-InSAR提取的地表形变信息的正确解释。确立合适的理论模型，融合D-InSAR的结果与其他观测结果，加强对各种地表形变场的物理解释——对形变相位的描述大气噪声信号的消除。这是目前D-InSAR研究的难点。如何定量化分析大气附加相位以及如何有效消除尚无定论——对大气相位的消除目前传统差分干涉SAR测量面临两大问题：长时间基线导致的时间去相干大气的非均匀延时作用1天间隔15个月间隔在所获取的所有图像中选择那些在长时间尺度上保持相干的点——PS点，减小时间去相干的影响；同时这些点往往小于像素的尺寸，因此也减小了空间去相干的影响，突破了极限基线的限制，增加了可以利用的图像对；建立线性形变模型，利用这些选择出来的PS点上的相位通过调整模型参数，求得这些可靠点上的DEM以及形变速率；通过对这些离散点的形变速率进行插值，获得连续的形变场，DEM误差的补偿获得改进的DEM；通过线性形变模型估计的相位对所得到的干涉相位进行补偿，进而得到反映大气影响，非线性形变以及噪声的残差相位。PS技术1、干涉条纹图2、PS点处的干涉相位3、由PS点处的通过插值获得的规则形变图PS技术大量SAR图像离散高相干点估计长时间尺度上的形变序列:估计大气影响估计高程误差比GPS和水准测量具有更高的时间和空间采样率PS技术线性形变速率非线性形变SAR图像的相位组成：干涉相位的组成：差分相位的组成：如用精轨数据，可以忽略高程误差去地形去平地InSAR时序分析技术最小二乘法(leastsquares,LS)(Usai2001,Usai2003)永久散射体法(permanentscatterers,PS)(Ferretti1999,Ferretti2000,Ferretti2001)小基线集法(smallbaselinesubsets,SBAS)(Berardino2002,Berardino2003a,2003b,Lanari2004)相干目标法(coherenttargets,CT)(Mora2003a,Mora2003b)共同点克服传统DInSAR技术的缺陷：避免时间和空间去相干在长时间范围内，选择相位和幅度变化都稳定的点（高相干点）作为研究对象，从这些点上反演研究区的形变信息流行的四种方法*LevelingD

SARσ≈0.8mm/yearσ≈0.8mm/yearσ≈1.3mm/yearσ≈0.7mm/yearσ≈1.0mm/yearσ≈0.5mm/yearStandarddeviationvalue:≈1mm/yearInSAR时序分析技术NapolibayareaInSAR时序分析技术Napolibayarea*Levelingdata