基于InSAR技術(shù)的地表多維變形觀(guān)測(cè)方法綜述

王晨興， 谷天峰， 孔嘉旭， 封凱強(qiáng)

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710069)

地表沉降是一種由于人為或者自然原因?qū)е碌牡乇硐鲁连F(xiàn)象，這種現(xiàn)象破壞人類(lèi)的生存環(huán)境，對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大威脅，成為制約沉降區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要因素。GPS測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)等傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測(cè)方法[1-3]具有周期長(zhǎng)、成本高、效率低等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足高密度、大面積、長(zhǎng)時(shí)間的沉降觀(guān)測(cè)需要。

20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)作為對(duì)地觀(guān)測(cè)的一種，能夠精確測(cè)量地表目標(biāo)的位置信息及雷達(dá)視線(xiàn)向上的微小變形[4-8]，能夠以固定周期對(duì)地表進(jìn)行大面積的穩(wěn)定觀(guān)測(cè)。隨之發(fā)展而來(lái)的合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)(D-InSAR)可以通過(guò)兩次重復(fù)觀(guān)測(cè)的合成孔徑雷達(dá)(SAR)影像進(jìn)行差分、濾波及相位解纏處理，得到地表形變信息，其精度可以達(dá)到厘米級(jí)，但該技術(shù)無(wú)法有效消除時(shí)空失相關(guān)、DEM誤差以及大氣延遲效應(yīng)等的影響。因此多時(shí)相合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(multi-temporal InSAR，MT-InSAR)應(yīng)運(yùn)而生，它包括永久散射體干涉測(cè)量(PSI)、小基線(xiàn)集(SBAS)、干涉點(diǎn)目標(biāo)分析(IPTA)以及相干點(diǎn)提取(CPT)等[9-15]，不僅克服了常規(guī)D-InSAR監(jiān)測(cè)地表形變的時(shí)空失相關(guān)和大氣延遲的限制，而且提高了探測(cè)的精度和可靠性。如今InSAR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于采空區(qū)和城市地面沉降[16-17]、地震形變[18]、滑坡泥石流等災(zāi)害監(jiān)測(cè)[19]及工程活動(dòng)形變監(jiān)測(cè)[20]等領(lǐng)域。然而，在地面變形估計(jì)中SAR衛(wèi)星的極軌和側(cè)成像模式[21]以及參考點(diǎn)相對(duì)變形[22]問(wèn)題限制了InSAR的應(yīng)用。

本文介紹了傳統(tǒng)InSAR技術(shù)并針對(duì)多維地表變形觀(guān)測(cè)中SAR衛(wèi)星的極軌和側(cè)成像模式以及參考點(diǎn)相對(duì)變形估測(cè)所產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)近年來(lái)提出的基于InSAR技術(shù)的二維和三維地表沉降獲取的有效方法進(jìn)行了綜述，并對(duì)該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 InSAR觀(guān)測(cè)技術(shù)

1.1 雷達(dá)干涉測(cè)量原理

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和干涉測(cè)量技術(shù)的集合體。合成孔徑雷達(dá)屬于微波遙感，可以記錄地物的散射強(qiáng)度信息和相位信息。其基本原理是利用同一地區(qū)兩次或多次的SAR影像通過(guò)復(fù)共軛相乘提取目標(biāo)的地形或形變信息。干涉模式包括沿軌道干涉法、交叉軌道干涉法以及重復(fù)軌道干涉法。

1.2 SAR衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

近些年主要的SAR衛(wèi)星參數(shù)[23]見(jiàn)表1。

表1 1995年以來(lái)主要SAR衛(wèi)星參數(shù)

1.3 傳統(tǒng)InSAR觀(guān)測(cè)的局限性

在InSAR地面變形估計(jì)中存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，由于當(dāng)前SAR衛(wèi)星的極軌和側(cè)成像模式使其僅在沿視線(xiàn)(LOS)方向的觀(guān)測(cè)對(duì)地表的形變較為敏感[21]；第二，由于通過(guò)相位展開(kāi)操作，從相鄰像素之間的干涉相位差異中重新建立了形變測(cè)量，在參考點(diǎn)的相對(duì)地面變形只能由InSAR來(lái)實(shí)現(xiàn)[22]。

1.4 多維地表形變觀(guān)測(cè)原理

傳統(tǒng)InSAR技術(shù)只能有效解決沿視線(xiàn)方向的一維(1D)形變問(wèn)題，二維(2D)形變包括LOS向形變和方位向形變，LOS向形變信息可以通過(guò)一個(gè)傳統(tǒng)InSAR的干涉對(duì)或偏移量追蹤技術(shù)得到，方位向形變信息則可利用偏移量追蹤(offset-tracking)技術(shù)或多孔徑InSAR方位測(cè)量(multi-aperture InSAR，MAI)技術(shù)獲取。而要得到三維(3D)形變信息，至少需要兩個(gè)不同成像幾何體的干涉對(duì)，offset-tracking技術(shù)或MAI技術(shù)結(jié)合交叉軌道(升軌和降軌)觀(guān)測(cè)可以有效獲取三維形變信息，是一個(gè)很好的選擇。

2 針對(duì)InSAR觀(guān)測(cè)局限性的多維地表形變獲取

2.1 InSAR觀(guān)測(cè)視線(xiàn)向模糊問(wèn)題的處理

針對(duì)該問(wèn)題一般采用偏移量追蹤(offset-tracking)技術(shù)和多孔徑InSAR方位測(cè)量技術(shù)，此外，由一定密度的GPS站點(diǎn)所提供的三維測(cè)量數(shù)據(jù)可輔助測(cè)量空間連續(xù)三維變形。

2.1.1 偏移量追蹤(offset-tracking)技術(shù)

為了克服傳統(tǒng)InSAR在沿視線(xiàn)方向觀(guān)測(cè)的局限性，Michel等[24]提出利用兩景ERS-1 SAR影像配準(zhǔn)后的偏移量來(lái)估計(jì)美國(guó)1992發(fā)生的Landers地震引起的二維同震位移場(chǎng)，成功得到了滿(mǎn)足精度需要的距離向(LOS向)和方位向(垂直于LOS向)的二維同震形變信息。偏移量追蹤得到的數(shù)據(jù)精度一般在1/10到1/30像素之間[25]。以ERS-1/2數(shù)據(jù)為例，其在距離向和方位向可以分別達(dá)到約13 cm和26 cm。

雖然偏移量追蹤技術(shù)在沿視線(xiàn)方向所得結(jié)果的精度不如傳統(tǒng)InSAR，但是它很好地測(cè)量了方位向(幾乎平行于南北向)的偏移量，同時(shí)解決了相位失相關(guān)問(wèn)題，這對(duì)于解決地震、火山爆發(fā)和冰川運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題都是極為關(guān)鍵的。Sarti等[26]應(yīng)用offset-tracking技術(shù)得到2003年伊朗Bam地震的近場(chǎng)同震位移場(chǎng)，結(jié)果表明二維位移場(chǎng)比一維LOS位移場(chǎng)更有助于研究地球物理模型。值得注意的是，通過(guò)offset-tracking技術(shù)生成的形變圖一般是由研究區(qū)均勻分布的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)得到，空間分辨率較低。如果集成外部信息(如光學(xué)圖像)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)格，可以進(jìn)一步提高offset-tracking技術(shù)的分辨率和效率。

2.1.2 多孔徑InSAR方位測(cè)量(multi-aperture InSAR，MAI)技術(shù)

MAI技術(shù)最早由Bechor和Zebker[27]在2006年提出，用來(lái)解決礦區(qū)地表二維形變問(wèn)題。該技術(shù)利用子孔徑處理技術(shù)將兩景原始的SAR影像生成前、后視復(fù)數(shù)(SLC)影像。通過(guò)使用相應(yīng)的SLC圖像，兩景原始的SAR影像生成前、后視干涉圖。前視和后視干涉圖之間的相位差是一個(gè)MAI影像，它揭示了方位向的地表變形(大致北-南)。對(duì)于來(lái)自平地效應(yīng)和地面高度的相位誤差，Jung等[28]通過(guò)校正MAI干涉圖優(yōu)化了MAI技術(shù)，并且為了提高連貫性和計(jì)算效率他提出了一種改進(jìn)的MAI處理過(guò)程。改進(jìn)后的MAI處理過(guò)程包括以下三個(gè)步驟：(1)SAR原始數(shù)據(jù)通過(guò)方位向共帶濾波處理生成前、后視復(fù)數(shù)圖像；(2)利用數(shù)字高程模型(DEM)并考慮到其相應(yīng)的垂直基準(zhǔn)線(xiàn)生成前、后視差分干涉圖；(3)前視與后視差分干涉圖通過(guò)共軛相乘生成MAI干涉圖，從而得到多孔徑差分干涉結(jié)果。王曉文等[29]在2014年將MAI技術(shù)和常規(guī)InSAR結(jié)合，獲取地表三維形變信息，并通過(guò)2003年伊朗Bam地震進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明其形變的精度和計(jì)算效率均優(yōu)于前人研究成果。

MAI技術(shù)是繼offset-tracking技術(shù)之后基于InSAR技術(shù)獲取方位向形變信息的另一項(xiàng)選擇。與傳統(tǒng)InSAR技術(shù)相比，MAI技術(shù)因更易受到噪音的影響而導(dǎo)致失相關(guān)，對(duì)于近場(chǎng)的同震形變信息獲取及流速較快的位移估計(jì)并不適用[23]。而相較于offset-tracking技術(shù)，MAI技術(shù)在方位向形變信息的精度和計(jì)算效率方面都更勝一籌[27，30]。

2.1.3 結(jié)合GPS觀(guān)測(cè)技術(shù)

GPS是三維形變測(cè)量中最常用的技術(shù)，在連續(xù)工作模式下GPS垂直向和水平向的測(cè)量精度可以達(dá)到亞厘米級(jí)。然而，受布設(shè)密度和運(yùn)營(yíng)成本的限制，GPS很難進(jìn)行大面積、高密度測(cè)量，即使在觀(guān)測(cè)網(wǎng)(SCIGN)或地理網(wǎng)(GEONET)這樣的高密度GPS網(wǎng)絡(luò)下，空間分辨率也不會(huì)超過(guò)10 km[31]，其適用性大大降低。GPS與InSAR技術(shù)具有很好的互補(bǔ)性[32]，GPS技術(shù)不僅可以提供地面觀(guān)測(cè)點(diǎn)的形變信息，還能提供該處的氣象資料，為InSAR技術(shù)對(duì)多維地表形變的估算提供補(bǔ)充數(shù)據(jù)源，而InSAR技術(shù)能夠提高GPS的空間分辨率，能夠以毫米級(jí)精度觀(guān)測(cè)大面積地表形變。兩者的融合可以實(shí)現(xiàn)GPS高時(shí)間分辨率與InSAR技術(shù)高空間分辨率的有機(jī)統(tǒng)一。

融合InSAR和GPS觀(guān)測(cè)技術(shù)最早由Gudmundsson等[33]在2002年提出，很好地解決了冰島西南部Reykjanes半島的空間連續(xù)三維形變速率場(chǎng)問(wèn)題。但這個(gè)研究中所用到的全局優(yōu)化技術(shù)(即模擬退火法)運(yùn)算上較為密集，收斂速度緩慢，耗時(shí)太長(zhǎng)。因此，有人提出了一種改進(jìn)的方法——分析優(yōu)化法，這種方法在貝葉斯統(tǒng)計(jì)框架內(nèi)并以吉布斯-馬爾可夫隨機(jī)域的等價(jià)性為基礎(chǔ)，Samsonov等[34]成功的將這個(gè)方法應(yīng)用于加利福尼亞南部的三維形變速率圖中。目前融合InSAR和GPS觀(guān)測(cè)技術(shù)主要用于降低大氣延遲影響、優(yōu)化融合算法等[33，35]。

2.1.4 先驗(yàn)信息輔助技術(shù)

除了融合GPS觀(guān)測(cè)技術(shù)，推測(cè)全三維地表位移場(chǎng)至少需要三個(gè)獨(dú)立的InSAR觀(guān)測(cè)結(jié)果，實(shí)際情況往往很難滿(mǎn)足這樣的條件。但在一些特定的應(yīng)用中(冰川運(yùn)動(dòng)[36-37]、滑坡監(jiān)測(cè)等)，可以利用地面形變或位移特征這樣的先驗(yàn)信息來(lái)簡(jiǎn)化地表三維形變信息的求解過(guò)程。主要包括表面平行流假設(shè)法和忽略南北向位移分量。

表面平行流假設(shè)法最早由Joughin等[38]在1998年提出，他們假設(shè)冰川平行于地面移動(dòng)，并結(jié)合ERS-1/2升降串聯(lián)對(duì)的D-InSAR LOS向觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)估算格陵蘭島Ryder冰川的三維速度場(chǎng)。在這種假設(shè)下，U-D位移分量可以與水平位移分量建立以下關(guān)系：

由于SAR衛(wèi)星在近極地軌道運(yùn)行，南北向的地表位移在非極性區(qū)域?qū)走_(dá)側(cè)成像模式獲取的視線(xiàn)方向形變貢獻(xiàn)較小。對(duì)于地面沉降、地下流體引起的隆起以及近東西向斷層的延伸等，研究區(qū)地面運(yùn)動(dòng)的方向與南北向關(guān)系很小，則可以忽略南北向的變形。此時(shí)只需要兩組不同視角的LOS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)即可得到垂直向和東西向的變形結(jié)果[40]。

2.2 相對(duì)地面變形參照系問(wèn)題的處理

對(duì)于相對(duì)地表形變問(wèn)題還未引起人們的廣泛關(guān)注。通常情況下，相對(duì)變形可以通過(guò)地面控制點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)(GCPs)，但GCPs并非總是適用的。此外，除了角反射器外在SAR圖像中區(qū)分GCPs是比較困難的[41]。在地面無(wú)控制點(diǎn)的情況下，通常假設(shè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域作為參考區(qū)[22]，此外，十字線(xiàn)干涉測(cè)量法也是一種有效的二維地表形變測(cè)量法。

2.2.1 相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域參照法

相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域參照法主要應(yīng)用于地面沒(méi)有控制點(diǎn)的時(shí)候，通常假設(shè)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域作為參考區(qū)。在地震或者火山爆發(fā)引起地表形變的研究中，為了確定近源區(qū)的實(shí)際地面變形一般將遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)假定為參考區(qū)[42-45]。這種方法得到的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)更加可靠，但不適用于大規(guī)模地面變形的監(jiān)測(cè)，因?yàn)檫@超過(guò)了單幀SAR影像的覆蓋范圍。

2.2.2 十字線(xiàn)干涉測(cè)量法

十字線(xiàn)干涉測(cè)量法的核心思想是將InSAR沿視線(xiàn)方向的升軌和降軌觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法分別得到相對(duì)的垂直向形變和東向形變，根據(jù)垂直向形變確定最大形變漏斗的中心，重估東向的相對(duì)形變。然后將小于閾值的東向變形數(shù)據(jù)點(diǎn)利用最小二乘法平差，得到校準(zhǔn)的升軌和降軌觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)偏移量，進(jìn)而獲取視線(xiàn)方向的實(shí)際形變。最后再次利用最小二乘法得到垂直方向和東向的實(shí)際變形結(jié)果。Yu等[46]針對(duì)中國(guó)滄州由地下水下降引起的地面變形，采用該方法得到研究區(qū)的實(shí)際二維地面變形速度。

與相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域參照法相比，該方法不受上述假設(shè)參考區(qū)限制，對(duì)于覆蓋率較低的高分辨率SAR數(shù)據(jù)，可以有效解決干涉測(cè)量過(guò)程中參照區(qū)超出單幀SAR影像范圍的問(wèn)題，主要應(yīng)用于與地下活動(dòng)(如地下水、地下采礦、石油/天然氣開(kāi)采)相關(guān)的長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)。

3 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

利用上面提到的方法一定程度上解決了SAR衛(wèi)星極軌飛行和側(cè)成像模式導(dǎo)致南北向形變極其不敏感問(wèn)題和相對(duì)形變測(cè)量問(wèn)題，但各種技術(shù)本身的局限性、數(shù)據(jù)間的差異性以及觀(guān)測(cè)條件等仍對(duì)InSAR技術(shù)的應(yīng)用及拓展帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

與MAI技術(shù)相比，Offset-Tracking技術(shù)由于極低的方位角分辨率，其缺點(diǎn)更為明顯，但MAI技術(shù)的使用仍然局限于高相干地區(qū)。GPS技術(shù)是目前普遍使用的三維地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是限于布設(shè)密度只能獲得稀疏的布設(shè)點(diǎn)所在位置的測(cè)量結(jié)果，因此對(duì)于大部分沒(méi)有布設(shè)足夠多GPS的區(qū)域，仍無(wú)法得到足夠的高精度三維變形觀(guān)測(cè)結(jié)果。

不同SAR衛(wèi)星具有不同的軌道、運(yùn)行周期及參數(shù)，使得進(jìn)行模型解算時(shí)產(chǎn)生秩虧現(xiàn)象，當(dāng)運(yùn)用輔助條件進(jìn)行約束時(shí)，又會(huì)影響形變估算精度，動(dòng)態(tài)平差方法(如卡爾曼濾波)是解決該問(wèn)題的一種新思路。

InSAR三維變形估計(jì)的精度取決于LOS向和方位測(cè)量的精度，然而，這些精度總是受到大氣偽影的限制。大氣偽影由于對(duì)流層或電離層引起了相位延遲或提前。對(duì)流層偽影可以進(jìn)一步分解成湍流和分層分量，這兩種分量都限制了從D-InSAR或MT-InSAR集中提取精確的LOS方向變形[47]。

4 InSAR技術(shù)獲取多維地表變形的展望

4.1 更加精細(xì)的多維位移測(cè)量

以前的研究中大多是利用中分辨率SAR影響來(lái)估計(jì)多維地表位移，但在2011—2012年期間，ENVISAT衛(wèi)星和ALOS衛(wèi)星的相繼服務(wù)停止，高分辨率SAR影像的使用將大大增加。例如，對(duì)于X波段，TerraSAR-X和COSMO-SkyMed衛(wèi)星提供的SAR數(shù)據(jù)，由于波長(zhǎng)較短，空間分辨率高達(dá)1 m，有利于監(jiān)測(cè)微小的地表變形。

4.2 多維時(shí)間序列位移測(cè)量

當(dāng)前的研究幾乎都集中在突發(fā)事件(如地震、火山、滑坡等)引起的多維地表變形的研究上或者是長(zhǎng)期位移的平均三維速度上。因此，在未來(lái)的研究中，需要更多地關(guān)注多維位移時(shí)間序列的估計(jì)。

5 總 結(jié)

本文針對(duì)多維地表變形觀(guān)測(cè)遇到的一些問(wèn)題介紹幾種有效的解決方法。offset-tracking技術(shù)可以有效測(cè)量方位向(幾乎平行于南北向)的偏移量，而MAI技術(shù)在方位向形變信息的精度和計(jì)算效率方面都更勝一籌，當(dāng)這些技術(shù)結(jié)合GPS和先驗(yàn)信息會(huì)大大提高觀(guān)測(cè)的精確性以及可靠性。相對(duì)變形的觀(guān)測(cè)可以通過(guò)假設(shè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域或者優(yōu)化干涉測(cè)量方法進(jìn)行處理。當(dāng)然，這些方法各有利弊，暫時(shí)還沒(méi)有綜合統(tǒng)一的多維變形處理方式，只能針對(duì)具體問(wèn)題選用合適的處理方法。

相信隨著社會(huì)的進(jìn)步以及技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)會(huì)發(fā)展出更高效、更精確的基于InSAR技術(shù)的地表多維變形觀(guān)測(cè)處理技術(shù)，而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維位移的預(yù)估也將成為研究的熱點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用。