融合新一代衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)的地形與形變信息提取模型與方法

戴可人

1. 成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059； 2. 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059； 3. 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031

合成孔徑雷達差分干涉(InSAR)測量技術(shù)是最近30年來發(fā)展迅速的空間對地觀測技術(shù)。相對傳統(tǒng)測量技術(shù)，該技術(shù)具有精度高、覆蓋范圍廣、不受天氣狀況影響等優(yōu)勢，已在區(qū)域性沉降監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測評估、能源資源勘查等非常廣闊的領(lǐng)域展現(xiàn)了它的應(yīng)用潛力。SAR衛(wèi)星影像質(zhì)量不夠高是制約該技術(shù)精度提升和應(yīng)用范圍擴展的一大因素。從2007年開始，各國陸續(xù)研制和發(fā)射了性能明顯提高的SAR衛(wèi)星(如德國TerraSAR-X、意大利COSMO-SkyMed、歐空局Sentinel-1)。這些SAR衛(wèi)星影像具有更短的重訪周期、更高的分辨率、更高的定軌精度與更高的成像質(zhì)量等，E.Sansosti與P.Berardino的團隊等人將此類衛(wèi)星定義為新一代SAR衛(wèi)星系統(tǒng)。這些新一代SAR衛(wèi)星帶來了前所未有的高質(zhì)量SAR數(shù)據(jù)，不僅有助于提高以往相關(guān)研究的精度，也使InSAR技術(shù)與其他學科的交叉融合變得更為容易，給許多以前不曾設(shè)想的新研究領(lǐng)域帶來可能。同時，這些新一代SAR影像的處理方法、相關(guān)算法精度與效率等需要進一步分析與改進，其高分辨率與短重訪周期的優(yōu)勢在新領(lǐng)域的研究與應(yīng)用中能發(fā)揮怎樣的作用與所能達到的精度也需要進一步試驗與探索。

本文融合新一代衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，對新數(shù)據(jù)本身成像特點、處理方法展開了相關(guān)研究，同時對其相關(guān)的地形與時序形變信息提取模型與方法展開研究，探究新一代SAR數(shù)據(jù)帶來的精度上的提升與擴展新應(yīng)用的可能。本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點包括以下幾個方面：

(1) 針對InSAR技術(shù)在獲取地形信息時的精度、及時性等問題，本文利用TerraSAR-X/TanDEM-X(TSX/TDX)數(shù)據(jù)對天津地區(qū)(平原)，閻良地區(qū)(丘陵)的數(shù)字高程模型(DEM)進行了提取，通過對比顯示了TSX/TDX數(shù)據(jù)作為高分辨率數(shù)據(jù)在提取高程細節(jié)上的能力。震后大光包滑坡區(qū)域作為山地地區(qū)，傳統(tǒng)解算方法受制于失相干與過于密集的地形條紋，本文提出了迭代去平地效應(yīng)的方法，獲取了大光包滑坡震后高精度DEM。通過與震前SRTM DEM進行對比，不僅能獲取滑坡滑動空間分布，還能精確計算滑坡累積體積。

(2) 歐洲空間局最新(2014年)發(fā)射了采用全新TOPS模式成像的哨兵1號(Sentinel-1)衛(wèi)星。在該模式中多普勒中心頻率在整幅圖像中的變化較大，本文提出了一套使用互相干系數(shù)法與頻譜差分法迭代處理的配準方法，能有效消除Burst拼接過程中潛在的相位跳變問題，使得基于Sentinel-1影像組的時間序列分析能夠有效開展。

(3) 德國TerraSAR-X與意大利COSMO-SkyMed衛(wèi)星可提供2 m高分辨率SAR影像，為研究小范圍區(qū)域具體目標、數(shù)據(jù)融合與驗證帶來了新的途徑。本文運用多平臺數(shù)據(jù)對上海市2009—2010年地表形變進行監(jiān)測，提出了基于多平臺的高分辨率數(shù)據(jù)算法，在考慮水平位移的情況下融合3種數(shù)據(jù)對上海市二維形變進行了聯(lián)合提取。

(4) 德國TerraSAR-X衛(wèi)星X波段SAR影像具有高空間分辨率，但是在凍土地區(qū)常常相位時間失相關(guān)嚴重。本文提出了基于短時相干點的Stacking InSAR模型與方法，在高相干性干涉對較少傳統(tǒng)時序方法較難開展的情況下，本文基于X波段影像利用該方法成功對道路形變進行了提取，為凍土地區(qū)公路形變監(jiān)測工作提供了新的可靠途徑。