InSAR在地表变形监测中的应用

InSAR在地表变形监测中的应用

一、概述

近年来地震、火山、滑坡和地面沉降等地质灾害越来越严重地威胁着人类的生存空间，针对这种灾害而发展起来的地表形变监测和测量技术就显得尤为重要。20世纪70年代后期，空间影像雷达在遥感中开始扮演重要角色。1978年美国国家航空与航天局(NASA)发射了第一颗用于观测地球表面的SEASAT卫星。而后发现，合成孔径雷达(SAR)可以广泛地用于研究陆地、冰川和海洋、由于空间影像雷达使用微波信号(厘米至分米波段)很少受气象条件及是否有太阳照射影响，可以在任何时候获取全球表面信息，因此非常适用于地表面监测工作。侧视成像、脉冲压缩技术及合成孔径技术的综合应用，可以保证空间影像雷达获得几米到几十米精度的地面几何分辨率。

InSAR英文全称为Interferometric SyntheticAperture Radar,InSAR，中文含义为“合成孔径雷达干涉技术”，是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，InSAR传感器可以通过记载或星载的方式对地球表面成像，由于航天技术的发展，商用卫星的InSAR系统已投入应用，并不断地趋于完善，使该项技术被认为是前所未有的新的空间观测技术。研究表明：其能够生成大规模的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，InSAR用于差分模式(D-InSAR)能以cm级甚至毫米级精度在大的时间与空间尺度上探测到地球表面位移，并已应用于地震与火山研究、冰川运动监测、地球构造运动研究、地面沉降监测等领域。Goldstein等人应用欧洲遥感卫星(或称地球资源卫星)ERS-1间隔6d的数据在没有地面控制点情况下直接测定冰川速率。Massonnet等人首先利用ERS-1资料计算出1992年美国Landers地震的同震位移，获得的地面至卫星方向上的变化量与野外断层滑动测量结果，与GPS观测结果非常一致。Massonnet等人的方法在SAR数据处理时应用了已有的数字地面模型。美国喷气推进实验室(JPL)的Zebker等人应用差分InSAR方法获得了类似的结果，他们的方法是利用3～4圈卫星数据进行差分干涉，同时获得数字地形与形变量。

InSAR是20世纪发展起来的一种新型的空间对地观测技术，它具有高空间分辨率、高精度和面矩阵测量等优点。雷达干涉测量已经广泛的应用于地形测绘、地球表面的形变场探测、海洋研究、森林制图和土地分类与应用等方面，得到了国际地学界的广泛关注。

二、可用于干涉的雷达卫星

目前已发射的多颗合成孔径雷达卫星见表1。

SEASAT海洋卫星是美国国家航空与航天局发射的第一颗利用微波传感器进行海洋监测的卫星，卫星上搭载了SAR传感器，获取的SAR图像被广泛应用于冰川、地质、陆地分析等研究领域。ALMAZ-1卫星是前苏联发射的一颗对地观测卫星，载有S波段SAR系统，遗憾的是，发射10个月后由于故障卫星停止工作，但仍留下许多有用的SAR数据。ERS-1是欧洲空间局(ESA)的第一颗卫星，其SAR数据在海洋、冰川、火山、地形绘制、地形变监测、森林调查、农业等诸多方面的成功应用，极大地增强了人们对InSAR应用的信心，现在人们已经能够以mm级精度监测地表面变化；为进一步增强ERS的应用效率，1995年ESA发射了SAR系统与ERS-1完全相同的ERS-2卫星，所不同的仅是ERS-2仅以35d重复周期工作。两颗卫星可以1d或8d的时间间隔对同一区域成像，利用这种所谓前后串接(Tandem)模式开展InSAR研究。JERS-1是日本的一颗载有光学传感器合成孔雷达的卫星，以能源、森林、农业、海洋、湖泊、沼泽、冰雪等研究为主要目标。Radarsat是加拿大研制的一颗兼顾商用与科学研究试验的雷达遥感卫星，主要任务是供冰川与海洋信息、勘测可再生资源(如林业与农业)和不可再生资源(如地质)。加拿大在两年内即将发射的第二颗Radarsat-2卫星将

携带一套军事监视系统，2005年内计划发射的Radarsat-3卫星主要任务是增强防务监视能力。

表1 已经发射的星载合成孔径雷达 卫星 发射时间 波段/波长 (mm) SEASAT ALMAZ-1 ERS-1 ERS-2 JERS-1 Radarsat SIR-C SRTM 1978-06-28 1991-03-31 1991-07-16 1995 1992-02-11 1995-11 1994 2000-02 1 C/57.7 X,C,L C/56 C 24 可调 35 35 可变 可变 可变 15～45 800 215 233 800 25～30 25～40 30×30 5～150 500 15～90 广扫描 5～5000 C/56.7 L/235 C/56.7 3,35,168 35 44 23 35 785 568 25 18×18 100 75 23 S/96 定向控制 300±10 785 25 100 30×15 2×172 L/235 轨道重复周期 (d) 3 中央入射角 (。) 23 （km） 800 (m) 25×25 轨道高 空间分辨率 扫描宽 度 (km) 100 ENVISAT 2002-03-0航天飞机影像雷达(Shuttle Imaging Radar，SIR)是美国NASA受SEASAT SAR成功鼓舞而实施的星载SAR计划。SIR-A与SIR-B按计划分别于1981年与1984年实施。1994年实施的SIR-C计划是迄今为止惟一的在太空同时获取多波段、多极化的雷达数据。SIR-C搭载了单极化X波段(3cm)传感器，以及全极化L(24cm)波段与C(6cm)波段传感器。为进行重复轨道干涉，SIR-C于1994年4月与10月进行了两次飞行。

航天飞机雷达地形测图计划(SRTM)是美国NASA、美国国防制图局(DMA)与德国空间局合作开展的20世纪第一次载人航天飞行雷达地形测图计划，通过装载在“奋进”号航天飞机的雷达和从航天飞机上伸出60m长臂端的另一雷达天线构成干涉雷达系统，经过222h23min的连续工作，完成了北纬60°至南纬56°的地球表面三维地形测绘，获取了前所未有的高精度地形数据。

ENVISAT是欧洲航天局迄今生产的最先进的地球环境观测卫星，携带有10台地球和大气观测仪器，其中包括先进合成孔径雷达(ASAR)，它将在未来5年里以每100min绕地球运转一周的速度对整个地球的环境进行观测，向地面即时传回数据供科学家进行研究分析。

三、SAR干涉基本原理

图1 SAR干涉基本原理图

如图1，SAR传感器在两个不同位置观测地面某点P，P(x，y，z)点相对于参考平面的高为h=z(x，y)。假设信号发射的方向垂直于轨道运行方向，根据成像几何，高程h可简单表达为：

h?H?R1cos? (1)

θ为雷达视角。为方便讨论，我们假设两次成像期间地面反射物无任何变化，无大气影响。我们称两成像点之间的距离B为基线，如图1定义垂直基线(perpendicular)为B⊥，平行基线(parallel)为B‖，水平基线(horizontal)为Bh，方位垂直基线(vertical)为Bv。通常雷达基线相对于雷达至成像点的距离小得多(B＜＜R)。实际上相干处理本身就对基线有要求，太长的基线不可能相干。可以近似地，R2?B??R1，基线与水平方向夹角为?。SAR信号经地面单元i反射，接收信号相对于发射信号的相移可以表达为：  ?i??0?4??Ri (2)

φi为地面单元i的相移，它是一个包含许多参数的函数，包括目标类型(点、体散射)，它们的介电常数、含水量、结构以及它们的亮度(极化方式、入射角、频率)等。假设在两个不同的轨道位置对同一地面单元成像时地面单元的特征维持不变，即?01??02,设卫星至地面单元i的距离差R??R1?R2。?R为参考相位(振幅a≡1)，可以得到相位差Φ：

???1??2??R??

根据式(1)，

4??B???R (3)

d?4?dB?4?????B? (4) d??d??

dh?R1sin? (5) d?则高程模糊度(ambiguity)为： 

dhdhd??R1sin? (6) ???d?d?d?4?B?R1sin??R1sin?????? (7)

4?B?4?Bhcos??Bvsin?于是高程h可表达为：  h??可以通过迭代求h(先设h=0)。α、B、H是已知量，斜距差可以根据相应的相位差来求

解，理论上可达很高精度(达到子波长级精度)。如ERS-1/2波长为5.6cm，理论上可分辨到2.8mm。最后可利用式(1)求解高程h而得到数字高程模型(DEM)。实际上，利用相位差可以生成干涉相位图，整周是模糊的，相位在1～2π之间。因此必须利用相位解缠(Phase Unwrapping)求解相位整周数。基线数据B和α的确定也是求解地面高程的关键，精密的地面控制点对于DEM的精度非常重要，通常使用的方法是在地面安装角反射器，可有效改善InSAR精度。

地球表面并非平面，曲率本身就会造成干涉条纹，实际上总相位差Φ中包含两个部分：高差相位Φh与地平相位ΦR。即???h??R。?R??4??B?。由于地平相位的存在，

增加了相位解缠与噪声抑制的难度，数据处理时应该去掉。通常是在配准、形成干涉图后，从相位图中直接减去地平相位。去掉的地平相位在相位解缠后应加回到非模糊相位图中。

四、InSAR监测变形的基本原理

 SAR差分干涉原理(D-InSAR)的几何示意图见图2，轨道方向向里，即该图表示距离向平面图，所有角度按逆时针方向定义。地面点P位于椭球面高度h,P 0为P在椭球面的投影(即h=0)，相应的侧视角为θ0；???0???。假设1与2这对影像地面无任何形变，无大气影响，无任何误差，称之为地形对(topo-pair)；而1与3之间存在地形变，称之为形变对(defo-pair)。

对于地形对，基线的垂直与水平分量分别为

B?0?Bcos??0???;B?0?Bsin??0???，干涉相位为?＝- ???4??B?，改正到椭球面：

4???B?B? (8)

??0对于形变对，假设在雷达视线方向(距离)形变量为△r，可表达为?r??形变△r引起的相位。形变对的干涉相位为：

???r,??r为4??'??

4???B??r? (9)

'?根据图2所示D-InSAR几何，我们不难导出形变△r引起的??r：

'B???r???0? (10)

B?0'

图2 D-InSAR监测变形原理

这是利用3幅单视复图像数据提取地形变量的一个非常重要的公式，通过两幅干涉图垂直基线之比，便能提取地形变干涉条纹，无需解算θ值。要注意前面的假设，地形对无任何形变。

如果研究区域已有足够高精度的DEM，??r可通过DEM数据、SAR成像几何和轨道数据模拟合成，能直接从2幅单视复图像提取地形变信息。

五、InSAR监测变形技术

5.1差分干涉测量（Differential Interferometric Synthetic Aperturem Radar，DInSAR）

差分干涉测量技术是应用重复轨道的方式，在不同的时间获取同一地区雷达影像，利用此两幅影像进行差分干涉，可获得此地区于该时段地表及卫星间的距离变化所造成的雷达波相位差，这种相位差以干涉条纹的形式呈现，构成上包含地形引起的相位差，影像获取期间形变引起的相位差，对流层延迟误差，轨道误差等。通过引入外部DEM（Digital Elevation Model）可将地形相位消除，其他误差通常假定量级较小，或者利用模型将其消除，即可获取地表形变。由于该方法中大气影响难以很好的消除，并且在大量区域存在着信号失相关现象，其测量精度在cm级，其应用领域也在不断扩大如地震、火山、冰川运动、地面沉降、滑波监测、活动板块和构造监测等方面。

5.1.1 D-InSAR基本原理

合成孔径雷达干涉测量的相位贡献，主要来自于地形相位、形变相位、平球相位和大气延迟相位。如果想要获取地表形变信息，则必须要消除区域地形相位、平球相位和大气延迟的相位信息。平球相位可通过卫星轨道和地球椭球严密的几何关系来形成严整的几何算法，大气延迟相位贡献份额是最少的，规律尚且不明显，有专门研究。现阶段，消除区域地形相位方法有四种：

1)选取基线距为零的干涉图像对，无须考虑地形影响，即可获得地表形变量；

2)应用外部因素来消除地形因素的效果，来获得地表形变量。外部因素主要是DEM数据。

3）利用第三幅合成孔径雷达图像，采用干涉的方法，来消除地形影响，获得干涉形变量；

4)利用四幅SAR图像，采用地表形变前后两两干涉的方法来消除地形影响，获得干涉形变量。

就现阶段来讲基线距为零的干涉图像对很少，所以方法一很难实现；方法二即所谓的两通或者两轨法干涉测量，由于其少用一景SAR图像，在InSAR数据源相对匮乏的今天来讲，该方法经济上具有很大优势，目前已有研究成果表明,两轨法干涉测量所得测量结果在整体上与三轨干涉基本一致，因此两轨法精度上是可行；方法三又称三通或三轨法干涉测量，是标准差分干涉测量方式；方法四即四通差分干涉测量，精度上更可靠，但适合干涉的SAR数据选取更加困难，经济上也不是很合理。

5.2永久散射体干涉测量（Permanent Scatterers Interferometric Synthetic Aperture Radar，PSInSAR）

尽管DInSAR技术在地表变形监测上，与其他方法相比颇具优势，然而一般来说较适合应用于植被较少，地形起伏和缓的区域。山区及植被较厚的地区，因地表特征物会随着时间而变化以及大气效应，会影响干涉结果的精度。Permanent Scatterers（永久散射体)技术是20世纪末由意大利学者首先提出的，以解决常规干涉中大气影响、失相干、DEM误差等问题,极大地拓展了InSAR技术的应用前景,为精确研究地壳形变提供了强有力工具。所谓永久散射体,即是指在相当长的时间内仍然保持稳定反射特性的散射体，这些永久散射体可提供信噪比极高的信号。在取出这些永久散射体于时间序列上的相位后，利用卫星基线与地形效应误差相关的关系，以及假设在一个特征尺度范围內大气效应为一致的情況之下，可将对于DInSAR结果影响最多的两项因素（即大气延迟误差和DEM误差）从信号中消除，达到对PS点的精密观测。一般情況来说，PS点位数量城市区域每平方公里可在数十个点以上，而郊区部份也可达每平方公里内有几个点，这样的资料密度，已经远超过多数地区GPS的站 位密度。PSInSAR的基本原理是：在给定的一组雷达干涉图像中，按照某种准则选择相位稳定的一系列点作为永久散射体,也就是PS点,并且根据给定的相位模型,去除这些PS点的大气附加相位，DEM误差和其他噪声,进而得到准确的地表形变。通常，PS技术需要处理同一地区30景以上的干涉图,以选取一组反射特性强、时间上稳定的地物目标作为PS点,保证计算结果的精确性。

5.3人工角反射器干涉测量技术（Corner Reflector InSAR，CRInSAR）

如果在所研究区域，譬如矿区，找不到足够密度的天然永久散射体，可以安装人工制作的散射体，通常称为角反射器（Corner Reflector）以增强地表反射雷达信号的能力。通过分析这些角反射器信号达到地表监测的目的。对于角反射器，其高程已精确确定，在常规DInSAR处理中可以避免高程误差对相位的影响从而提高观测精度。若有若干影像亦可对角反射器进行时间序列分析，其流程与PSInSAR相似。

5.4短基线干涉测量技术（Small Baseline Subset InSAR，SBAS）

该技术以基线较短的影像对中的相干点为观测对象，通过最小二乘或奇异值分解的方法从一系列影像中提取形变信息。相比于PSInSAR该方法可以获取更多可靠的相干点即PS点。在相位解缠有保证的前提下可以获取更丰富而可靠的形变信息。

六、DEM生成过程

展开的相位可以用来生成DEM，雷达信号获取到DEM生成的流程图如图3所示：

图3 由SAR干涉数据得到地面模型的处理过程

七、InSAR技术应用于地面沉降监测的国内外经验

InSAR技术的应用主要体现在以下几个方面：①大规模的数字高程模型(DEM)的建立和地形制图；②地球表面形变场的探测，包括地震位移测量、火山运动监测、冰川漂移、地表沉降与山体滑坡等引起的地表位移监测；③森林调查与制图；④海洋测绘以及土地利用与分类等。

干涉测量形变监测主要依据的技术原理在相关文献多有记述(Zebker，1986；Gabrieletal，1989；Santitamnont，1998)。国外率先应用InSAR技术进行开采沉陷监测。波兰学者Perski利用InSAR技术对Upper Silasia煤田开采下沉盆地进行了系统研究(Perski，1998；2000，Perski和Jura，1999)，作为对照，Upper Silssia煤田开采沉陷监测也采用了GPS技术(表2)。由于Upper Silasia煤田开采大量采用水沙充填，下沉量远小于自然冒落开采，因此，采用沉降监测要有较高精度。沉陷监测的实践表明，InSAR技术具有大面积、连续、快速的优势，可以达到厘米级的分辨率，完全满足精度要求，是水准测量和GPS测量的有效补充，在大面积、短周期沉陷区损害调查及预测中优势明显。

表2 Upper Silasia煤田开采下沉盆地GPS控制点的沉降量与InSAR对比表

控制点 460 0458 1458 2240 GPS 观测沉降(mm) 48 38 42 30 InSAR 计算沉降(mm) 42 43 41 35 差值 (mm) -6 +5 -1 +5 5240 3259 0259 26 32 35 31 37 36 +5 +5 +1 国内，西南交通大学与香港理工大学合作，利用InSAR技术对香港赤腊角机场沉降场进行分析，认为InSAR对微小的地表沉降具有很高的敏感度，结果精度优于1cm(Liu，et al.2002)。

国内外InSAR技术用于城市地表沉降监测的实践表明，InSAR技术具有大面积、连续快速、准确的优势。因城市地面覆盖植被较少，城市用地变化较少，干涉测量在城市区域往往表现出较高相干性；且InSAR监测可得到一定面积空间的平均变化值，而传统方法只能得到点或线的差异。这些特点说明InSAR技术特别适合城市环境地面沉降监测。

八、InSAR技术的局限性

与其它方法(如GPS监测等)相比,用InSAR及D InSAR进行地面形变监测有很多优点，主要体现在:(1)覆盖范围大,方便迅速:(2)成本低,不需要建立监测网;(3)空间分辨率高,可以获得某一地区连续的地表形变信息;(4)可以监测或识别出潜在或未知的地面形变信息:(5)全天候,不受云层及昼夜影响。

但是也有局限性，地震、火山等引起的地表形变不只是垂直方向上的位移，也包含有水平方向上的位移。只有单一的垂直方向的位移的时候，我们可以根据目标与雷达的几何关系将视线方向上的形变量转换成垂直方向的位移。而既有垂直方向位移，又有水平方向位移的形变，视线方向上的形变量将如何转换还是需要进进一步研究的。

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CGSP网(cotinuous GPS net works),用于连续和动态地监测本地区的地面沉降情况。大部分CGSP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,必须加人其它的辅助数据和必要的技术手段来加以改善。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s74p.html