李志偉，許文斌，胡 俊，馮光財(cái)，楊澤發(fā)，李 佳，張 恒，陳 琦，朱建軍，王琪潔，趙 蓉，段 夢

1. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2. 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094； 3. 中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410018

自然因素或人類活動(dòng)可使地球表層或內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致地震、火山活動(dòng)、滑坡、泥石流、基礎(chǔ)設(shè)施損毀等一系列地質(zhì)災(zāi)害。在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與防控體系中，獲取災(zāi)害事件與災(zāi)害過程的關(guān)鍵地學(xué)參數(shù)是至關(guān)重要的。然而，受限于技術(shù)手段或觀測空間，部分關(guān)鍵地學(xué)參數(shù)難以直接測量(如地震震源參數(shù))。地質(zhì)災(zāi)害事件的第一表征往往是地表形變，通過衛(wèi)星遙感獲取的地表形變數(shù)據(jù)間接反演地學(xué)參數(shù)是目前獲取關(guān)鍵地學(xué)參數(shù)的主要途徑之一。通過反演獲得的關(guān)鍵地學(xué)參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確理解災(zāi)變過程、科學(xué)解釋災(zāi)變機(jī)制、正確擬定應(yīng)對(duì)策略具有重要意義。受觀測成本高、工作范圍小、空間分辨率低等因素的限制，傳統(tǒng)GNSS、水準(zhǔn)等測量手段監(jiān)測的地表形變通常是局部且離散的，難以宏觀、精細(xì)地反映地表真實(shí)形變場，限制了地學(xué)參數(shù)反演的精度和可靠性。

星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是一種主動(dòng)微波遙感技術(shù)。自1989年，文獻(xiàn)[1]首次提出差分InSAR(differential InSAR，D-InSAR)技術(shù)以來，InSAR已成為地表形變監(jiān)測的重要工具之一[2-6]。相較于傳統(tǒng)大地測量手段，InSAR在形變監(jiān)測上具有全天時(shí)、全天候、空間上連續(xù)覆蓋、分辨率高、數(shù)據(jù)處理效率高等優(yōu)勢。此外，InSAR可利用存檔影像回溯地表歷史形變(最早可到1991年)，從而為已發(fā)生的形變事件參數(shù)反演提供觀測資料基礎(chǔ)。鑒于此，InSAR已被廣泛應(yīng)用于自然因素或人類活動(dòng)導(dǎo)致的災(zāi)害事件的參數(shù)反演。

為了更系統(tǒng)地闡述InSAR地學(xué)參數(shù)反演領(lǐng)域的研究進(jìn)展，本文梳理分析了目前該領(lǐng)域的主要研究現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)。

1 InSAR衛(wèi)星及測量原理

1.1 InSAR衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

作為一種新興的對(duì)地觀測手段，InSAR技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、大范圍、高精度、低成本的優(yōu)勢，在地震、火山、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的快速響應(yīng)，城市、礦區(qū)、人工建構(gòu)筑物形變的長期監(jiān)測，以及冰川運(yùn)動(dòng)、凍土凍融、地下水開采等活動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。隨著硬件技術(shù)的日益發(fā)展，幾十年間InSAR觀測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從空基向星基的跨越，多元化成像方式、多極化信號(hào)收發(fā)及高時(shí)空分辨率觀測已成為SAR衛(wèi)星發(fā)展的新趨勢。本節(jié)將從在軌SAR衛(wèi)星和即將發(fā)射的SAR衛(wèi)星兩個(gè)方面，對(duì)星載InSAR平臺(tái)的發(fā)展歷程進(jìn)行介紹。

1.1.1 在軌SAR衛(wèi)星

21世紀(jì)，航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展極大地推動(dòng)了SAR衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。SAR衛(wèi)星系統(tǒng)朝著廣域覆蓋、星座聯(lián)合、超高分辨率、多模式、全極化的方向發(fā)展。由表1可知，所有在軌SAR衛(wèi)星均采用了多種成像模式，以此滿足高分辨率或廣域覆蓋的監(jiān)測需求。特別地，為滿足廣域覆蓋需求，除小型SAR衛(wèi)星ICEYE-X1/X2外，其他在軌衛(wèi)星均具備掃描式成像模式，特別是Sentinel-1A/B寬幅成像模式采用的TOPS技術(shù)，能更好地滿足常態(tài)化的廣域地表觀測需要。此外，為提高SAR衛(wèi)星的時(shí)間分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)，很多SAR衛(wèi)星采用了多星聯(lián)合的星座運(yùn)行模式。例如，RadarSat-2在與RCM串聯(lián)組成星座后，最快4 d即可實(shí)現(xiàn)地面重訪觀測；在歐洲等重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，COSMO-SkyMed四星星座可實(shí)現(xiàn)24 h內(nèi)的快速重訪；TerraSAR-X/TanDEM-X星座采用單發(fā)雙收模式，時(shí)間基線幾乎為0，最大限度地降低了時(shí)間去相關(guān)和大氣對(duì)干涉相位的影響。

表1 在軌SAR衛(wèi)星系統(tǒng)及主要參數(shù)

1.1.2 即將發(fā)射的SAR衛(wèi)星

當(dāng)今時(shí)代，SAR衛(wèi)星觀測刈幅越來越寬，重訪周期越來越短，全極化、簡縮極化已成為多數(shù)SAR系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，亞米級(jí)分辨率已實(shí)現(xiàn)常規(guī)化。星載SAR平臺(tái)的巨大潛力和廣闊前景引起各國廣泛關(guān)注，政府、軍方甚至商業(yè)遙感公司均在計(jì)劃投資運(yùn)營新的SAR衛(wèi)星。除傳統(tǒng)X、C、L波段的SAR衛(wèi)星外，P和S波段的SAR衛(wèi)星的研發(fā)也在持續(xù)深入(見表2)。歐空局預(yù)計(jì)于2022年發(fā)射的BIOMASS衛(wèi)星有望成為全球第1顆P波段SAR衛(wèi)星；美國NASA與印度合作研發(fā)的NISAR將成為全球第1顆L和S雙頻段SAR衛(wèi)星。在NISAR與德國宇航局的下一代TanDEM-L任務(wù)中，SAR凝視成像模式有望得到進(jìn)一步發(fā)展。承繼ALOS-2衛(wèi)星、搭載新一代PALSAR-3傳感器的ALOS-4，將具備更高的觀測性能。

表2 即將發(fā)射的SAR衛(wèi)星系統(tǒng)

1.2 InSAR高程測量原理

DEM獲取是InSAR技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，通過兩次在不同位置對(duì)同一地面區(qū)域進(jìn)行觀測，InSAR可以解算大范圍的地表高程[7-10]。圖1為InSAR高程測量的成像幾何。其中，A1、A2分別為兩次成像的位置，B為空間基線，B‖、B⊥分別為平行基線和垂直基線，ρ1、ρ2為雷達(dá)天線到地面點(diǎn)的距離，α為基線傾角，θ為地面點(diǎn)的入射角，θ0為參考橢球面上點(diǎn)的入射角，δθ=θ-θ0，h為該地面點(diǎn)的橢球高，H為衛(wèi)星高度。

續(xù)表1

圖1 InSAR高程測量成像幾何

設(shè)Ψ1為地面點(diǎn)在A1處的觀測相位，Ψ2為同一地面點(diǎn)在A2處的觀測相位，則干涉相位(Φinf)由平地相位(Φflat)、地形相位(Φtopo)、形變相位(Φdef)、大氣相位(Φatm)和噪聲相位(Φnoi)組成，可以表示為

Φinf=Ψ1-Ψ2=Φflat+Φtopo+Φdef+Φatm+Φnoi

(1)

在InSAR高程測量中，需滿足兩次成像期間沒有地表形變發(fā)生、大氣狀態(tài)一致(如雙天線或雙星繞飛觀測)，或地表形變、大氣相位可以被很好地扣除或抑制的前提，根據(jù)成像幾何關(guān)系，高程h可以近似表示為

(2)

式中，λ為雷達(dá)波長。通過式(2)可以計(jì)算地表相對(duì)高程，其中地形相位可以通過相位去平地處理并解纏得到。

2000年，美國國家航空航天局采用航天飛機(jī)攜帶C波段和X波段雷達(dá)干涉儀在11 d內(nèi)對(duì)全球80%的地表進(jìn)行了至少一次觀測，獲取了第1個(gè)InSAR全球DEM產(chǎn)品SRTM(shuttle radar topography mission)，提供30 m和90 m兩種分辨率產(chǎn)品，相對(duì)高程精度約為10 m[9]。單軌雙天線的設(shè)計(jì)使得相位測量中的環(huán)境誤差被極大削弱。其生產(chǎn)的全球DEM數(shù)據(jù)已有多個(gè)版本，部分開放獲取。

2007和2010年，德國宇航局與空客防務(wù)公司發(fā)射了TerraSAR-X和TanDEM-X衛(wèi)星。兩顆衛(wèi)星參數(shù)配置一致，以250～500 m的基線距離進(jìn)行雙星繞飛，可實(shí)現(xiàn)交軌或沿軌干涉測量。該任務(wù)陸續(xù)發(fā)布了12、30、90 m分辨率的3種全球DEM產(chǎn)品，絕對(duì)高程精度可達(dá)10 m，相對(duì)高程精度可達(dá)2 m，很好地展示了星載InSAR獲取高精度DEM的可行性和優(yōu)越性[10]。

1.3 InSAR形變測量原理

1.3.1 D-InSAR基本原理

在重軌InSAR系統(tǒng)中，假設(shè)獲取了兩景覆蓋同一地區(qū)的單視復(fù)數(shù)影像，通過配準(zhǔn)和干涉生成一幅干涉圖[11]，其干涉相位則同時(shí)包含地表高程和形變信息，可以表示為[12]

(3)

式中，dlos代表LOS(line of sight)向的形變量；等號(hào)右側(cè)分別表示平地相位分量、地形相位分量、形變相位分量、大氣相位分量、噪聲分量及整周相位，其中k為整周模糊度。

D-InSAR技術(shù)是對(duì)形變相位分量除外的其他相位分量進(jìn)行估算并去除，或通過濾波等抑制至很低水平以獲取dlos。地形相位分量和平地相位分量可以利用外部DEM產(chǎn)品提供的較高精度高程h和準(zhǔn)確估計(jì)的基線B從干涉相位去除[13]；通過多視處理和濾波可以抑制失相干噪聲φnoise；通過二維空間解纏方法可以估計(jì)整周模糊度k[14]；大氣相位分量可以通過外部數(shù)據(jù)輔助或?yàn)V波方法進(jìn)行改正[15]。

1.3.2 MT-InSAR基本原理

為了克服D-InSAR技術(shù)的局限性，MT-InSAR(multi-temporal InSAR)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，憑借能夠有效抑制失相干噪聲、大氣延遲、高程殘余誤差及提供時(shí)間序列形變等優(yōu)點(diǎn)，一系列時(shí)序算法相繼被提出，如永久散射體干涉法(persistent scatterer，PS)[16-18]、短基線集方法(small baseline subsets，SBAS)[19]、部分時(shí)域相干點(diǎn)法(temporarily coherent point,TCP)[20]、干涉點(diǎn)目標(biāo)分析法(interferometric point target analysis,IPTA)[21]及分布式散射體干涉(SqueeSAR)[22]等。MT-InSAR技術(shù)對(duì)選取的反射相位穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行建模和時(shí)序分析，能夠更加精確地獲取地表形變速率和時(shí)間序列。其中，相干點(diǎn)目標(biāo)選取、形變參數(shù)估計(jì)及大氣誤差改正是MT-InSAR的3大關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

相干點(diǎn)目標(biāo)選取在MT-InSAR技術(shù)中占據(jù)非常重要的地位[23-24]，其質(zhì)量和密度直接影響形變參數(shù)的提取精度。目前主流的方法主要有相干系數(shù)閾值法、振幅離差指數(shù)法、相位穩(wěn)定性分析法、偏移量估計(jì)法等。選取相干點(diǎn)目標(biāo)后，將對(duì)相干點(diǎn)的形變參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，MT-InSAR形變參數(shù)解算的關(guān)鍵就是如何解算或避免相位模糊度[25-26]，目前已有的方法主要包括最小二乘法、解空間搜索法、LAMBDA方法、三維解纏法、模糊度探測法等。隨著MT-InSAR技術(shù)的發(fā)展，大氣延遲誤差改正的精度決定著InSAR形變監(jiān)測的精度，目前主流方法主要包括采用外部數(shù)據(jù)輔助法(如GNSS、MODIS、MERIS及數(shù)值天氣模型等提供的大氣數(shù)據(jù)[15])和時(shí)空濾波法[19]進(jìn)行改正。

2 InSAR參數(shù)反演

2.1 地震震源參數(shù)反演

地震震源參數(shù)是指地震發(fā)生時(shí)震源處的一些特征量(如空間位置、強(qiáng)度等)或震源物理過程的一些物理量(如發(fā)震斷層的幾何特性、地震位錯(cuò)的空間展布、震源時(shí)間函數(shù)等)。震源參數(shù)是制定地震應(yīng)急救援策略和開展救援工作的關(guān)鍵震情信息，也是研究發(fā)震斷層機(jī)制及其破裂特征、分析區(qū)域應(yīng)力觸發(fā)與危險(xiǎn)性評(píng)估的重要基礎(chǔ)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日新月異及處理能力的不斷提高，震源參數(shù)反演由基于單一觀測數(shù)據(jù)的反演逐漸發(fā)展為基于多源觀測數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演，大大推動(dòng)了震源參數(shù)反演進(jìn)程。水準(zhǔn)測量、GNSS、光學(xué)、InSAR等大地測量形變數(shù)據(jù)是震源參數(shù)反演的重要數(shù)據(jù)源。利用InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行地震震源參數(shù)反演源于文獻(xiàn)[5]，利用兩景ERS-1 SAR影像對(duì)1992年美國加州Landers Mw7.3級(jí)地震的同震形變進(jìn)行研究。隨著InSAR技術(shù)在同震形變監(jiān)測方面的理論與方法日趨成熟，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者開始利用InSAR地表形變反演震源參數(shù)。文獻(xiàn)[27]首次利用二軌D-InSAR技術(shù)提取的視線向同震形變場為數(shù)據(jù)約束，基于Okada模型[28]反演得到了Landers地震的震源機(jī)制解。文獻(xiàn)[29]率先在國內(nèi)利用InSAR數(shù)據(jù)反演了1998年張北-尚義Mw6.2級(jí)地震的震源機(jī)制解。迄今，InSAR技術(shù)已成功應(yīng)用于諸多同震、震后、震間地表形變監(jiān)測與震源參數(shù)反演案例中[30-34]。

大地測量震源參數(shù)反演的方法主要包括解析法與數(shù)值法兩大類。其中解析法一般適用于反演線性問題和簡單的非線性問題，震源參數(shù)反演研究主要集中在數(shù)值模擬算法方面。對(duì)于由斷層錯(cuò)動(dòng)而引發(fā)的構(gòu)造地震而言，震源參數(shù)即為斷層參數(shù)。通過對(duì)大地測量數(shù)據(jù)、地震波資料等進(jìn)行地球物理反演，即可獲得更具細(xì)節(jié)的震源描述，包括發(fā)震斷層的長度、寬度、深度、傾角、走向角、震源位置等幾何參數(shù)，以及滑動(dòng)角和滑動(dòng)量等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其中，斷層幾何參數(shù)的非線性反演通常采用模擬退火算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、粒子群算法、貝葉斯法等搜索算法[35-36]，斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)的線性反演通?？梢圆捎酶郊庸饣s束的非負(fù)約束最小二乘法[37]、總體最小二乘法等進(jìn)行求解。圖2為2021年青?，敹郙w7.4級(jí)地震的震源反演結(jié)果[34]。利用Sentinel-1升降軌SAR數(shù)據(jù)獲取了該地震的視線向和距離向同震形變場，采用四叉樹降采樣算法對(duì)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行了降采樣，構(gòu)建了變走向及傾角的6段斷層幾何，引入了二階拉普拉斯平滑算子進(jìn)行平滑約束，同時(shí)采用L曲線法和格網(wǎng)搜索法分別確定了最優(yōu)平滑因子和6個(gè)斷層分段的最優(yōu)傾角，最后采用非負(fù)最小二乘方法求解了該地震的最優(yōu)同震滑動(dòng)分布。

圖2 青海瑪多地震的震源反演結(jié)果

InSAR震源參數(shù)反演中，簡化的斷層幾何、斷層面的離散化方法與平滑因子的選取、約束數(shù)據(jù)的多源性、數(shù)據(jù)定權(quán)方法與降采樣方法及位錯(cuò)模型的選取(如彈性半空間位錯(cuò)模型與球體分層位錯(cuò)模型)等，是制約地震震源參數(shù)反演精度的重要因素。另外，Okada位錯(cuò)模型是基于各向同性、均勻半空間體假設(shè)的，是對(duì)真實(shí)地球空間結(jié)構(gòu)的粗糙近似，并未考慮地殼橫向和縱向分層結(jié)構(gòu)，這也會(huì)導(dǎo)致斷層滑移參數(shù)估計(jì)不可避免地存在偏差。如何準(zhǔn)確確定不同觀測數(shù)據(jù)集之間的相對(duì)權(quán)比與平滑因子、發(fā)展顧及地殼橫向分層結(jié)構(gòu)的地震震源參數(shù)反演仍然值得進(jìn)一步研究。

2.2 火山活動(dòng)參數(shù)反演

InSAR可以監(jiān)測火山淺部巖漿運(yùn)動(dòng)、巖漿補(bǔ)給和虧損引起的地表變形。通過地表形變和模型反演得到的巖漿囊參數(shù)有助于識(shí)別火山噴發(fā)的前兆，跟蹤火山噴發(fā)的演變，能夠深化對(duì)火山巖漿活動(dòng)的理解，有利于減輕火山活動(dòng)及伴隨的次生災(zāi)害帶來的危害[3]。Mogi模型是最早用于解釋火山形變的幾何模型，由日本火山學(xué)家Mogi于1914年提出并用于Sakurajima火山的重復(fù)水準(zhǔn)觀測建模[38]。文獻(xiàn)[6]首次利用InSAR技術(shù)發(fā)現(xiàn)了埃特納火山的收縮現(xiàn)象，并利用Mogi模型反演了巖漿囊的位置和體積變化。Mogi模型假設(shè)在地殼的彈性半空間中嵌入一個(gè)球形源(源半徑α遠(yuǎn)小于源深度d)，球形源內(nèi)靜水壓力變化產(chǎn)生的地表位移和體積變化為

(4)

圖3 火山活動(dòng)參數(shù)反演[41,43]

然而，解析模型是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行高度抽象后的建模，因此揭示的規(guī)律也相對(duì)模糊。數(shù)值模型為更準(zhǔn)確地理解火山事件的構(gòu)造過程提供了可能性。數(shù)值模型可以將巖漿房建模為有限大小的任意形狀及由不同力學(xué)性能的巖層組成的復(fù)合火山，還可以引入各種類型的斷層，使結(jié)果更逼真。在數(shù)值模型中，容納巖漿囊的地殼被分為許多離散單元，采用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)方程(描述巖石的流變性質(zhì))，結(jié)合質(zhì)量守恒定律(連續(xù)性方程)和動(dòng)量守恒定律(動(dòng)量方程)建立微分方程，通過聯(lián)立代數(shù)方程近似求解。目前最常用的數(shù)值模型求解方法是有限元法和邊界元法。此外，構(gòu)建多種地球物理手段結(jié)合的火山監(jiān)測系統(tǒng)有助于更清晰地呈現(xiàn)巖漿系統(tǒng)的構(gòu)造形態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；綜合巖石學(xué)、地球化學(xué)和地球物理的觀點(diǎn)處理有關(guān)巖漿管道系統(tǒng)的問題也有利于加深對(duì)巖漿系統(tǒng)演化的認(rèn)識(shí)[44]。

2.3 地下水文學(xué)參數(shù)反演

地下水超采導(dǎo)致的地面沉降、地裂縫、海水侵入等災(zāi)害，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市可持續(xù)發(fā)展，造成供水、糧食、生態(tài)安全等一系列問題。對(duì)地下水資源進(jìn)行科學(xué)管理和開展相關(guān)防災(zāi)減災(zāi)工作，需準(zhǔn)確估計(jì)含水層的參數(shù)。InSAR能夠獲取高分辨率地表形變場，建立地表形變與地下水變化的函數(shù)模型，探測地下水變化的物理特征及反演相應(yīng)的含水層參數(shù)，為地下水文學(xué)應(yīng)用提供了嶄新的視角[45-46]。文獻(xiàn)[47]首次利用InSAR技術(shù)和含水層壓縮模型證明了加州羚羊谷地下水開采與地表沉降間的耦合關(guān)系。隨后，在拉斯維加斯、內(nèi)華達(dá)州等具有良好觀測條件的區(qū)域相繼開展了含水層地表形變及參數(shù)反演的InSAR研究[48]。在我國華北平原、汾渭盆地、長江三角洲等重點(diǎn)區(qū)域，InSAR技術(shù)被用于分析地下水開采引起的地表沉降的時(shí)空分布特征和形變規(guī)律[49]。利用InSAR觀測的季節(jié)/年際形變數(shù)據(jù)和一定數(shù)量的地下水測井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合土力學(xué)、應(yīng)力應(yīng)變等理論模型，可識(shí)別和反演一系列地下水文學(xué)參數(shù)[50-53]：①含水層的邊界和內(nèi)部特征；②含水層儲(chǔ)量(含水層厚度、儲(chǔ)量)；③含水層貯水參數(shù)(貯水度、彈性/非彈性骨架貯水系數(shù))；④含水層響應(yīng)狀態(tài)(滲透系數(shù)、滯后系數(shù))；⑤地下水載荷應(yīng)力變化；⑥水頭及采水量估計(jì)。這些參數(shù)可應(yīng)用于：①提取含水層空間-時(shí)間分布的異質(zhì)性，彌補(bǔ)水位測井網(wǎng)絡(luò)的分布；②校正已有的地下水流動(dòng)模型，用于地下水流動(dòng)模擬及地表沉降預(yù)測；③評(píng)估地下水儲(chǔ)量變化，及其對(duì)構(gòu)造活動(dòng)和地震風(fēng)險(xiǎn)的影響；④精化區(qū)域含水層和巖石圈結(jié)構(gòu)。

如前文所述，利用InSAR開展地下水文學(xué)參數(shù)的反演研究，可以獲得高空間分辨率的地下水文學(xué)參數(shù)，有效彌補(bǔ)地面觀測數(shù)據(jù)不足難以估計(jì)空間上詳細(xì)的水文參數(shù)的問題，對(duì)探測含水層物理結(jié)構(gòu)、校正地下水文學(xué)模型及開展地面沉降模擬具有良好的應(yīng)用前景。然而，利用InSAR觀測反演地下水參數(shù)仍存在以下兩大問題。

(1) 承壓含水層模型簡化對(duì)參數(shù)反演的影響。目前，以InSAR地表形變作為觀測值反演水文學(xué)參數(shù)主要基于Terzaghi有效應(yīng)力原理所導(dǎo)出的線彈性模型[41]。在數(shù)值求解中一般采用“兩步法”，即將三維地下水流動(dòng)和一維垂向固結(jié)過程進(jìn)行分步計(jì)算(如MODFLOW-SUB方法)[40]。文獻(xiàn)[54]研究表明，這一類簡化土體骨架水平位移模型，在含水層邊界或采水井周邊等存在水平形變的區(qū)域會(huì)造成明顯誤差，并且利用線彈性模型進(jìn)行參數(shù)反演時(shí)，往往忽略含水層參數(shù)隨時(shí)間的變化特性(如滲透系數(shù)隨有效應(yīng)力增加而減小)，造成反演結(jié)果無法準(zhǔn)確反映含水層的動(dòng)態(tài)變化。除了線彈性形變，含水層土體也可能存在塑性和黏彈性等非線性形變(如弱透水層的塑形形變)[55]，如何準(zhǔn)確結(jié)合InSAR觀測結(jié)果與不同本構(gòu)關(guān)系，是反演地下水參數(shù)的關(guān)鍵問題。

(2) 不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)參數(shù)反演的影響。除了地下水儲(chǔ)量變化對(duì)承壓含水層帶來的直接影響，斷層結(jié)構(gòu)與不透水層/半透水層的夾層結(jié)構(gòu)等低滲透率地質(zhì)單元的分布會(huì)降低含水層系統(tǒng)的地表響應(yīng)，從而減弱InSAR對(duì)含水層形變的捕獲能力，增加參數(shù)反演的不確定性[40,44]。文獻(xiàn)[44]利用InSAR資料估計(jì)了邊界斷層的平均水平傳導(dǎo)率，然而由于含水層與斷層結(jié)構(gòu)的非均一性，在斷層兩側(cè)存在明顯的擬合殘差。文獻(xiàn)[56]利用貝葉斯估計(jì)方法和最大后驗(yàn)概率的準(zhǔn)則，基于單個(gè)測井?dāng)?shù)據(jù)和InSAR觀測資料，成功反演了含水層滲透率的側(cè)向空間分布，為識(shí)別含水層中不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新的思路。但采用貝葉斯估計(jì)和最大后驗(yàn)概率的方法計(jì)算效率不高，且未對(duì)多變量進(jìn)行聯(lián)合反演，限制了對(duì)含水層中不同地質(zhì)單元影響的評(píng)估與模型的準(zhǔn)確性。

如何融合InSAR水平形變(如含水層邊緣、采水井周邊)與不同的含水層變形機(jī)制進(jìn)行地下水文學(xué)參數(shù)反演，獲取含水層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、應(yīng)力場各向異性等參數(shù)，以及如何分離和重建微小的地表響應(yīng)信號(hào)，聯(lián)合反演獲得不同場景下水文參數(shù)的時(shí)空分布，仍值得進(jìn)一步研究。

2.4 地下采空區(qū)幾何參數(shù)反演

地下礦產(chǎn)資源開采后留下的采空區(qū)容易引發(fā)一系列災(zāi)害事故。例如，采空區(qū)上覆巖體因失去支撐容易產(chǎn)生移動(dòng)形變，從而引發(fā)地表塌陷、基礎(chǔ)設(shè)施破壞等地質(zhì)災(zāi)害；上覆巖體破裂后，地表或地下水容易通過裂縫流入廢棄采空區(qū)并形成“老窯水”，一旦“老窯水”在未知情況下被導(dǎo)通，極易引發(fā)礦井突水等重大安全事故。因此，精確探測或反演地下采空區(qū)幾何參數(shù)(如位置、深度、長度、寬度、厚度、傾角、方位角等)，對(duì)于減少采空區(qū)災(zāi)害事故至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法大都以物探等接觸式手段為主[57]，雖精度較高，但工作范圍小，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

礦山地表移動(dòng)形變與地下采空區(qū)幾何參數(shù)密切相關(guān)[58]。因此，若能精確監(jiān)測地表移動(dòng)形變，理論上便可反演地下采空區(qū)幾何參數(shù)。如前文所述，InSAR可低成本、大范圍、高空間分辨率地獲取地表形變值，其在地下采空區(qū)幾何參數(shù)反演中具有較大的應(yīng)用潛力。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域展開了探索，并發(fā)展了多種算法。根據(jù)反演依據(jù)不同，算法大致可分為兩大類。

(1) 聯(lián)合InSAR觀測與形變幾何特征反演法。2013年，有學(xué)者首次以InSAR視線向形變觀測值為基礎(chǔ)，根據(jù)煤礦區(qū)地表沉降盆地中心位置、沉降梯度變化等形變幾何特征反演了大范圍地下采空區(qū)的中心位置，但該研究未能反演深度、長度、寬度等其他關(guān)鍵幾何參數(shù)。為克服該局限，文獻(xiàn)[59—62]提出引入開采沉陷盆地半徑、拐點(diǎn)偏移距、開采影響傳播角等變形幾何特征參數(shù)反演地下采空區(qū)深度、長度、寬度等其他幾何參數(shù)。該方法計(jì)算工作量小，但因其僅利用了部分(如中心點(diǎn)、走向或傾向剖面等)InSAR觀測值，導(dǎo)致采空區(qū)幾何參數(shù)反演精度對(duì)InSAR觀測誤差較為敏感。

(2) 聯(lián)合InSAR觀測與理論模型反演法。2018年，文獻(xiàn)[63]引入概率積分法(我國最常用的開采沉陷理論預(yù)計(jì)模型之一)，建立了采空區(qū)幾何參數(shù)與InSAR視線向形變的函數(shù)模型，并通過非線性搜索率先實(shí)現(xiàn)了基于InSAR觀測值的地下采空區(qū)幾何參數(shù)定量反演。圖4為安徽某礦區(qū)實(shí)測采空區(qū)幾何參數(shù)(藍(lán)色矩形)與InSAR反演的幾何參數(shù)(紅色矩形)。由圖4可看出InSAR實(shí)測形變與基于反演參數(shù)和概率積分法模型預(yù)測的形變的差異。2021年，文獻(xiàn)[64]引入反向?qū)W習(xí)法提高了采空區(qū)參數(shù)反演的效率和精度。相較于聯(lián)合形變幾何特征方法，聯(lián)合理論模型反演法能充分利用InSAR整體觀測(對(duì)誤差敏感性較前者低)，且理論基礎(chǔ)更堅(jiān)實(shí)；但因該方法涉及大量非線性搜索，反演效率不佳。

圖4 安徽某礦區(qū)實(shí)測采空區(qū)幾何參數(shù)與InSAR反演的幾何參數(shù)[63]

總體而言，雖然兩類算法在一定程度推動(dòng)了采空區(qū)幾何參數(shù)InSAR反演研究，但目前的反演精度都不高。此外，現(xiàn)有研究大都集中于煤礦規(guī)則采空區(qū)(如長壁采煤)，而甚少關(guān)注非規(guī)則工作面參數(shù)反演。因此，面向更復(fù)雜的開采場景，并提出全新算法以提升采空區(qū)參數(shù)反演精度，是未來的重要研究方向。

2.5 凍土活動(dòng)層厚度反演

隨著全球氣候變暖，多年凍土已經(jīng)發(fā)生明顯且持續(xù)的退化，對(duì)碳循環(huán)、水循環(huán)、生物多樣性、工程安全等產(chǎn)生了重大影響。多年凍土區(qū)活動(dòng)層是多年凍土與大氣圈層進(jìn)行物質(zhì)交換的紐帶，它隨著氣溫的變化冬季發(fā)生凍結(jié)、夏季發(fā)生融化，引發(fā)地表產(chǎn)生周期性形變[65-70]?；顒?dòng)層厚度是凍土的重要物理參數(shù)，其變化直接反映多年凍土的存繼及其退化或變化情況[65,70]。大面積獲取和反演活動(dòng)層厚度對(duì)凍土科學(xué)研究、凍土區(qū)工程建設(shè)和防災(zāi)具有非常重要的意義。傳統(tǒng)獲取活動(dòng)層厚度的方法主要有實(shí)地測量方法、解析模型反演法[70-73]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于遙感數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)方法[73-74]也可被用于估計(jì)凍土區(qū)活動(dòng)層厚度，但受不同條件的制約。近年來，具有高分辨率、高精度、大范圍、長時(shí)段優(yōu)勢的InSAR技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取凍土區(qū)地表形變，為大范圍、高精度反演凍土物理參數(shù)(如融化深度、活動(dòng)層厚度)提供了觀測基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者通過建立凍土區(qū)InSAR地表形變與活動(dòng)層厚度之間的函數(shù)關(guān)系，估計(jì)多年凍土活動(dòng)層厚度，相關(guān)研究大致可以分為以下兩類。

(1) 基于活動(dòng)層變化與InSAR形變觀測量之間的函數(shù)關(guān)系。文獻(xiàn)[66]采用時(shí)序InSAR技術(shù)探究了凍土區(qū)地表形變與活動(dòng)層厚度之間的關(guān)系，其假設(shè)凍土區(qū)地表沉降形變是由活動(dòng)層融化引起的，并基于水質(zhì)量守恒定律，建立了形變和活動(dòng)層厚度之間的積分函數(shù)模型，通過逆運(yùn)算可以求得研究區(qū)域的活動(dòng)層厚度。但該模型水質(zhì)量守恒的假設(shè)在實(shí)際中并不能滿足。文獻(xiàn)[68,75]簡化文獻(xiàn)[66]模型中的土壤孔隙、土壤濕度飽和度，用于反演青藏高原多年凍土區(qū)的活動(dòng)層厚度。文獻(xiàn)[69]建立了活動(dòng)層土壤水分含量模型，得到不同深度土壤水分含量的分布，將其代入文獻(xiàn)[66]反演模型中估算活動(dòng)層厚度；但該方法在建立凍土土壤含水量沿土壤深度方向的分布模型時(shí)，依賴實(shí)測的土壤含水量數(shù)據(jù)，影響了活動(dòng)層厚度反演結(jié)果的精度。除此之外，文獻(xiàn)[76]在文獻(xiàn)[66]模型基礎(chǔ)之上，采用L波段InSAR結(jié)果和P波段極化SAR數(shù)據(jù)聯(lián)合估計(jì)土壤濕度和活動(dòng)層厚度，解算過程實(shí)際為求解聯(lián)合目標(biāo)函數(shù)最小值問題。該方法減少了土壤濕度信息不準(zhǔn)確對(duì)活動(dòng)層厚度估計(jì)的影響，但目前P波段數(shù)據(jù)獲取困難。文獻(xiàn)[67]將工程應(yīng)用中采用的土壤分層模型引入活動(dòng)層厚度反演研究中，提出了一種基于InSAR形變與土壤分層模型反演活動(dòng)層厚度的方法，該模型假設(shè)凍土區(qū)地表融化形變由兩部分組成，即凍土融化產(chǎn)生的下沉量和壓縮變形，在反演過程中土壤的熱參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值，并且假設(shè)活動(dòng)層下多年凍土剛性不可壓縮，因而導(dǎo)致反演精度對(duì)這些假設(shè)較為敏感。

(2) 基于土壤一維熱傳導(dǎo)方程。文獻(xiàn)[68]提出了基于InSAR形變及土壤一維熱傳導(dǎo)方程反演活動(dòng)層厚度的方法。該方法首先利用時(shí)序InSAR獲取多年凍土區(qū)的地表時(shí)間序列形變數(shù)據(jù)，分析凍土?xí)r序形變與溫度之間的時(shí)間延遲關(guān)系；然后根據(jù)土壤一維熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)并建立活動(dòng)層厚度與延遲時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；最后利用凍土區(qū)融化沉降形變曲線計(jì)算地表溫度和融化深度達(dá)到最大時(shí)的延遲時(shí)間，進(jìn)而可以估算多年凍土區(qū)土壤的最大融化深度，即活動(dòng)層厚度。該方法間接建立了InSAR觀測值和凍土活動(dòng)層厚度之間的函數(shù)關(guān)系，反演精度對(duì)InSAR形變結(jié)果的變化趨勢依賴性較高。

基于InSAR技術(shù)反演活動(dòng)層厚度具有全天時(shí)、全天候、大范圍、高空間分辨率等優(yōu)勢，在凍土物理參數(shù)反演研究中具有很好的應(yīng)用前景。但通過建立活動(dòng)層厚度與凍土區(qū)InSAR形變量之間的函數(shù)模型反演活動(dòng)層厚度，受InSAR形變結(jié)果為相對(duì)形變量的影響，反演結(jié)果多為相對(duì)活動(dòng)層厚度，其結(jié)果的精度受形變測量精度的影響。建立活動(dòng)層厚度與凍土形變時(shí)間延遲(相對(duì)溫度)之間的函數(shù)關(guān)系反演活動(dòng)層厚度的方法，可以得到絕對(duì)的活動(dòng)層厚度，但其精度受模型采用的土壤熱參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值精度及只考慮土壤熱變化的影響。實(shí)際中，凍土變化機(jī)理與過程復(fù)雜，如何準(zhǔn)確地建立InSAR觀測量和活動(dòng)層厚度的函數(shù)關(guān)系，是限制InSAR反演凍土相關(guān)物理參數(shù)的關(guān)鍵問題。在未來研究中，利用InSAR技術(shù)監(jiān)測獲取準(zhǔn)確的活動(dòng)層厚度需要全面考慮實(shí)際凍土變化的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)高精度InSAR凍土物理參數(shù)可靠反演方法仍需深入研究。

2.6 冰川躍動(dòng)參數(shù)反演

近年來，高亞洲發(fā)生的一系列與冰川躍動(dòng)相關(guān)的災(zāi)害引起了全世界對(duì)氣候變暖背景下冰川動(dòng)態(tài)的關(guān)注。冰川躍動(dòng)是由冰川內(nèi)部壓力狀態(tài)發(fā)生突破性變化而觸發(fā)的[77]。在不同的內(nèi)外因素作用下，躍動(dòng)會(huì)使冰川發(fā)生多種幾何形態(tài)變化，包括冰面高程變化、流速變化、邊界變化、表面形態(tài)特征變化[78]。觀測這些幾何參數(shù)的時(shí)空演化是反演冰川躍動(dòng)持續(xù)時(shí)間、轉(zhuǎn)移物質(zhì)當(dāng)量、觸發(fā)機(jī)理等信息的關(guān)鍵所在，而這些躍動(dòng)信息又是災(zāi)害防范和應(yīng)急救援的科學(xué)基礎(chǔ)。冰川邊界、表面形態(tài)特征變化可以通過光學(xué)遙感分類解譯的方法獲取，方法相對(duì)成熟。觀測的難點(diǎn)在于冰川的表面高程變化和流速變化。利用InSAR技術(shù)估計(jì)冰川表面高程變化主要有兩種方法：一是利用多軌SAR數(shù)據(jù)估計(jì)冰川三維形變，然后結(jié)合冰面局部坡度估計(jì)冰川表面高程變化[77-78]；二是利用InSAR技術(shù)生成多期冰面DEM，對(duì)多期DEM進(jìn)行配準(zhǔn)后再進(jìn)行差分[79-83]。DEM差分法依賴于InSAR DEM的生產(chǎn)能力，但應(yīng)用更廣。由于冰面散射特征變化較快，SAR冰川流速變化估計(jì)一般采用偏移量跟蹤技術(shù)(offest tracking)，即影像匹配技術(shù)，包括斑點(diǎn)匹配(speckle tracking)[80]和強(qiáng)度匹配(intensity tracking)[81]。以SAR影像匹配技術(shù)獲取的多軌多時(shí)相像素偏移量為基礎(chǔ)觀測值，通過時(shí)序形變處理和三維形變模型可以反演冰川三維時(shí)序流速[82-83]。

為提高冰川躍動(dòng)參數(shù)反演的可信度，學(xué)者們一般綜合利用InSAR和其他手段(光學(xué)遙感和激光測高等)的多項(xiàng)觀測結(jié)果。文獻(xiàn)[84]率先利用SAR影像匹配估計(jì)的冰川流速變化和光學(xué)影像解譯的冰川形態(tài)變化，反演喀喇昆侖地區(qū)冰川躍動(dòng)機(jī)理，認(rèn)為該地區(qū)冰川躍動(dòng)是由內(nèi)部溫度環(huán)境的改變引起的。此后，文獻(xiàn)[85]利用同樣手段獲取的冰川流速變化和形態(tài)變化，反演了西昆侖山地區(qū)冰川躍動(dòng)機(jī)理，認(rèn)為該地區(qū)冰川躍動(dòng)行為受到了熱力學(xué)條件改變和內(nèi)部水文系統(tǒng)季節(jié)性變化的共同作用。文獻(xiàn)[86]結(jié)合SAR影像匹配和光學(xué)影像匹配獲取的冰川二維流速序列和InSAR DEM差分技術(shù)估計(jì)的冰川多時(shí)段表面高程變化，反演了帕米爾高原Bivachny冰川近期躍動(dòng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、躍動(dòng)體移動(dòng)速度及躍動(dòng)觸發(fā)機(jī)制，認(rèn)為該冰川躍動(dòng)由內(nèi)部水文條件變化引起。文獻(xiàn)[83]通過基于匹配偏移量的SAR多維小基線集技術(shù)估計(jì)喀喇昆侖山Hispar冰川的三維時(shí)序流速，同時(shí)利用InSAR DEM差分技術(shù)估計(jì)該冰川的多時(shí)段表面高程變化，再結(jié)合光學(xué)影像匹配技術(shù)估計(jì)的冰川二維時(shí)序流速、光學(xué)遙感解譯獲取的冰川表面形態(tài)變化和冰川邊界變化，反演了該冰川近期躍動(dòng)的起止時(shí)間、躍動(dòng)體分布范圍、躍動(dòng)體移動(dòng)速度、躍動(dòng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)移量及躍動(dòng)觸發(fā)機(jī)制，結(jié)果表明該冰川躍動(dòng)主要由冰川底部水壓突破極限而觸發(fā)，北部支流先于主干開始躍動(dòng)。需要注意的是，光學(xué)遙感的星下點(diǎn)成像方式相比SAR的斜距成像方式受地形影響更小，在地形特別復(fù)雜的地區(qū)應(yīng)該將兩種手段的優(yōu)勢互補(bǔ)，以實(shí)現(xiàn)長時(shí)序高精度冰川流速和高程變化觀測，更好地服務(wù)于冰川躍動(dòng)參數(shù)反演和躍動(dòng)觸發(fā)機(jī)制解譯。

2.7 大氣水汽參數(shù)反演

水汽是地球大氣中變化最快的組分，在大氣輻射平衡、能量轉(zhuǎn)換、云的形成，以及降雨、氣候研究等過程中發(fā)揮著重要的作用[87]。高分辨率精確獲取大氣水汽的空間分布對(duì)大氣動(dòng)力學(xué)的研究也十分重要。InSAR技術(shù)作為一種新的大氣水汽估計(jì)手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)氣象學(xué)水汽監(jiān)測方法成本高、空間分辨率低、受天氣影響較大等不足。文獻(xiàn)[88]率先發(fā)現(xiàn)InSAR干涉圖可以提供空間分辨率高至米級(jí)的高精度差分大氣水汽，從而開啟了InSAR氣象學(xué)研究。更進(jìn)一步，文獻(xiàn)[89]推導(dǎo)了常用SAR傳感器反演差分水汽的理論精度，計(jì)算結(jié)果表明，該理論精度可達(dá)1 mm。然而，InSAR獲取的是主、輔SAR影像成像時(shí)刻對(duì)應(yīng)的水汽差分值，難以直接應(yīng)用于中尺度氣象學(xué)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等。

文獻(xiàn)[17]通過時(shí)空域?yàn)V波的方法首次將大氣水汽作為副產(chǎn)品從InSAR干涉圖中估計(jì)出來。雖然時(shí)空域?yàn)V波的方法被廣泛應(yīng)用，然而目前還沒有研究可以提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)條件下最優(yōu)濾波器和濾波窗口的自適應(yīng)選擇。隨后，文獻(xiàn)[90]創(chuàng)新性地利用最小二乘配置方法將大氣水汽作為參數(shù)，與地表形變同時(shí)進(jìn)行估計(jì)，然而該方法僅適用于穩(wěn)定且漸進(jìn)的地表形變。在忽略地表形變影響的前提下，文獻(xiàn)[91]通過假設(shè)湍流大氣在時(shí)序上的統(tǒng)計(jì)均值為零，獲取了萊茵河上游地區(qū)17景ASAR影像成像時(shí)刻的非差分水汽分布結(jié)果。雖然這種附加假設(shè)條件的方法便于計(jì)算，但其需要大量SAR數(shù)據(jù)確保統(tǒng)計(jì)意義，且反演的水汽結(jié)果精度受極端天氣的影響較大。為了克服這些限制，文獻(xiàn)[92]以時(shí)序水汽均值不變作為約束條件，獲取了沙特阿拉伯地區(qū)的5景SAR影像成像時(shí)刻對(duì)應(yīng)的非差分水汽，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示；同時(shí)證明了利用時(shí)序水汽均值為零的約束條件反演的水汽結(jié)果在時(shí)序上整體存在一個(gè)固定的偏差，且該偏差等于時(shí)序上的水汽均值。雖然時(shí)序水汽均值不變的約束條件可以確保反演的時(shí)序水汽的整體精度，然而由于大部分地區(qū)難以在反演之前獲取研究區(qū)域時(shí)序上的水汽均值，因此一定程度上限制了該方法的應(yīng)用。除此之外，融合各種外部氣象數(shù)據(jù)(如GPS、MERIS)和氣象模型(如WRF模型)的InSAR非差分水汽反演方法被不斷發(fā)展和優(yōu)化[93-95]。然而，目前外部氣象數(shù)據(jù)的空間分辨率普遍較低，且受云、雨等條件的影響較大，該方法反演的非差分水汽精度直接取決于輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖5 基于時(shí)序水汽均值不變約束條件下的吉達(dá)地區(qū)的非差分水汽反演結(jié)果[92]

盡管InSAR技術(shù)已經(jīng)成功反演了特定試驗(yàn)區(qū)的大氣水汽，但是如何發(fā)展一種通用的、高精度的水汽反演方法仍然是InSAR在氣象學(xué)研究中亟須解決的瓶頸問題之一。隨著SAR衛(wèi)星的不斷發(fā)展，可用于水汽反演的InSAR干涉圖越來越多，如何在充分利用海量InSAR數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識(shí)較好地解決時(shí)序InSAR非差分水汽反演中的秩虧問題，是未來重要的研究方向之一。同時(shí)，伴隨著獲取的非差分水汽數(shù)據(jù)的不斷豐富，如何將這些高精度、高分辨率的水汽數(shù)據(jù)與氣象資料同化，提高氣象預(yù)報(bào)特別是降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，是未來InSAR氣象學(xué)研究的重要方向。

2.8 地下流體體積變化參數(shù)反演

地下流體(石油、天然氣、地?zé)岬?的承載、卸載、運(yùn)移及開采等會(huì)引發(fā)顯著的地表形變，從而導(dǎo)致地面沉降、坍陷等地質(zhì)災(zāi)害，已經(jīng)成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。國內(nèi)外學(xué)者為了準(zhǔn)確理解地下流體災(zāi)變過程并科學(xué)解釋地下流體災(zāi)變機(jī)制，將地下流體與地表作用機(jī)理進(jìn)行耦合研究，構(gòu)建出一系列物理解析模型，將地表形變與模型相結(jié)合，以反演地下流體幾何參數(shù)、體積變化參數(shù)及靜力壓強(qiáng)參數(shù)，已取得較好的應(yīng)用效果。其中，地下流體的體積變化可以解譯地下流體活動(dòng)、評(píng)估地下流體活動(dòng)造成的災(zāi)害嚴(yán)重程度等，是地下流體反演中最重要的參數(shù)之一。

反演地下流體參數(shù)需要精確獲取地下流體活動(dòng)導(dǎo)致的地表形變，而InSAR技術(shù)能低成本、大范圍、高空間分辨率地獲取地表面域形變值，因此在地下流體參數(shù)反演中具有巨大應(yīng)用潛力。國內(nèi)外學(xué)者在地下流體體積變化參數(shù)反演領(lǐng)域構(gòu)建了多種模型，大致可分為如下兩大類。

(1) 基于確定幾何形狀的地下流體體積反演。基于地下流體的先驗(yàn)信息(勘探資料、地質(zhì)構(gòu)造等)，將地下流體真實(shí)形狀近似為一個(gè)確定的幾何形狀，從而進(jìn)行單一源的體積反演，獲得地下流體體積變化。這種反演方法稱為基于確定幾何形狀的地下流體體積反演。簡化為簡單的幾何形狀，降低了參數(shù)反演的復(fù)雜程度。此類反演模型包括Mogi模型、Okada模型、CDM(compound dislocation model)模型、Yang 's模型和扁橢球模型等。1995年文獻(xiàn)[6]首次利用InSAR技術(shù)和Mogi模型發(fā)現(xiàn)了埃特納火山的收縮現(xiàn)象，并獲得了埃特納火山巖漿囊位置及體積變化。2017年，文獻(xiàn)[40]發(fā)展了一種自由度更高的CDM，并應(yīng)用于卡爾布科火山，基于InSAR觀測實(shí)現(xiàn)了地表三維形變及巖漿囊體積變化反演。2021年，文獻(xiàn)[96]利用InSAR技術(shù)監(jiān)測呼圖壁儲(chǔ)氣庫注/采氣過程，并引入CDM模型實(shí)現(xiàn)了地下儲(chǔ)氣庫的體積變化反演和地表三維形變估計(jì)，為我國戰(zhàn)略儲(chǔ)氣庫的安全監(jiān)測和體積反演提供了科學(xué)參考。這些模型在進(jìn)行地下流體體積反演時(shí)依賴于先驗(yàn)的源形狀，因此，假定的與真實(shí)的地下流體幾何形狀是否一致是地下流體反演的關(guān)鍵。然而，實(shí)際中地下流體幾何形狀一般是不規(guī)則的，難以獲得準(zhǔn)確的反演結(jié)果。

(2) 基于非確定幾何形狀的地下流體體積反演。在無須先驗(yàn)假定地下流體幾何形狀的前提下，基于彈性半空間理論將地下流體儲(chǔ)層分為若干個(gè)均質(zhì)單元(如平行六面體、柱體)，先對(duì)每個(gè)單元分別進(jìn)行地下流體體積反演，最后通過體積可疊加原理獲得整個(gè)地下流體體積變化。這種反演方法被稱為基于非確定幾何形狀的地下流體體積反演，可以減少由于先驗(yàn)信息不足導(dǎo)致的反演精度不夠的問題。此類反演模型包括柱體模型(Geertsma 's模型)、分布式點(diǎn)源模型等。2002年，文獻(xiàn)[97]首次將InSAR數(shù)據(jù)用于分布式點(diǎn)源模型的地下流體體積參數(shù)反演中，獲得了Coso地?zé)崽锏牡叵铝黧w體積變化，InSAR數(shù)據(jù)的使用極大地改善了地下流體參數(shù)反演的準(zhǔn)確性。隨后，文獻(xiàn)[98—99]利用該模型與InSAR數(shù)據(jù)分別反演了加利福尼亞州威爾明頓油田的體積變化和與黃石火山溫泉的體積變化。2011年，文獻(xiàn)[100]提出了一種將分布式點(diǎn)源模型與橢球體模型相結(jié)合的自由幾何體建模方案，該方案聯(lián)合InSAR數(shù)據(jù)和重力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)反演火山口下方巖漿囊的體積變化分布與重力壓力變化。2016年，文獻(xiàn)[101]利用InSAR數(shù)據(jù)、分布式點(diǎn)源模型及PCA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基拉韋厄火山口長時(shí)序體積變化，以及火山噴發(fā)期和休眠期不同深度的體積源分布。2017年，文獻(xiàn)[102—103]在分布式點(diǎn)源模型的基礎(chǔ)上，提出了基于地下流體模型約束的三維形變模型，將體積變化參數(shù)與地表三維形變聯(lián)合求解，并成功反演了澀北氣田的動(dòng)態(tài)體積變化。

以上反演模型皆為高度非線性模型，在實(shí)際應(yīng)用中需假定地下流體幾何參數(shù)(如地下流體深度、厚度等)，使非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，這些簡化在地下流體反演參數(shù)中會(huì)導(dǎo)致一定的不確定性。因此，通過利用非線性反演算法(模擬退火法、粒子群算法、遺傳算法等)搜索得到模型的最優(yōu)反演參數(shù)將是未來研究的重點(diǎn)。其次，地下流體活動(dòng)與斷層活動(dòng)導(dǎo)致的地表形變常常出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，如何從形變結(jié)果中區(qū)分?jǐn)鄬踊顒?dòng)地表形變與地下流體活動(dòng)引起的地表形變，從而獲得更準(zhǔn)確的地下流體體積變化，未來也需要進(jìn)一步研究。以上基于彈性半空間理論的解析模型是高度抽象化后的模型，因此揭示出的地下流體體積變化規(guī)律相對(duì)不夠全面，而數(shù)值模型(有限元法和邊界元法)可將地下流體形狀建模為有限大小的任意形狀并結(jié)合不同的力學(xué)性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)方程(描述地下流體的流變性質(zhì))聯(lián)立求解地下流體參數(shù)。因此，如何高效準(zhǔn)確地建立地下流體反演的數(shù)值模型，也是未來進(jìn)一步研究的方向。

3 InSAR參數(shù)反演面臨的問題和挑戰(zhàn)

3.1 InSAR觀測誤差與單一觀測幾何制約參數(shù)反演精度

3.1.1 低相干區(qū)InSAR觀測降低參數(shù)反演精度

利用InSAR技術(shù)可以獲得高空間分辨率的地表形變信息，可為與地表形變相關(guān)的潛在致災(zāi)過程參數(shù)反演提供可靠的數(shù)據(jù)源。然而受時(shí)空去相干、觀測誤差等因素的限制，一些InSAR誤差源很難被準(zhǔn)確地抑制或去除，從而制約了參數(shù)反演的精度。斷層區(qū)域的植被、水域覆蓋往往會(huì)導(dǎo)致InSAR相干性降低，嚴(yán)重的失相干會(huì)導(dǎo)致InSAR技術(shù)無法獲取有效的地表形變監(jiān)測結(jié)果。受兩次SAR成像時(shí)刻電離層和對(duì)流層的溫度、相對(duì)濕度、氣壓等大氣物理參數(shù)發(fā)生時(shí)空變化的影響，InSAR差分干涉相位信息中殘留了大氣相位，很難對(duì)其進(jìn)行消除，嚴(yán)重制約了InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變的精度和后續(xù)參數(shù)反演精度。其次，衛(wèi)星軌道誤差、DEM誤差、數(shù)據(jù)解纏誤差及數(shù)據(jù)處理過程中引入的誤差等也會(huì)影響地表形變獲取的精度和參數(shù)反演精度。

3.1.2 InSAR一維形變導(dǎo)致部分反演參數(shù)不敏感

除地學(xué)模型的準(zhǔn)確和可靠外，觀測值能否全面描述地表形變的關(guān)鍵特征也是地學(xué)參數(shù)精確反演的關(guān)鍵。受SAR斜視成像的影響，單一平臺(tái)或軌道InSAR僅能監(jiān)測地表真實(shí)三維形變在雷達(dá)視線方向的一維投影，難以反映地表真實(shí)形變特征。因此，僅利用InSAR一維形變觀測值反演地學(xué)參數(shù)可能出現(xiàn)部分參數(shù)對(duì)觀測值的不敏感現(xiàn)象(即觀測值難以有效約束相關(guān)參數(shù))，降低參數(shù)反演的精度和可靠性。例如，在目前SAR衛(wèi)星近極地軌道場景下，地表南北方向形變分量對(duì)InSAR一維視線向形變貢獻(xiàn)較小。這就意味著，與南北向形變密切相關(guān)的模型參數(shù)對(duì)InSAR觀測不敏感，該模型參數(shù)反演的誤差會(huì)較大，可靠性不高。鑒于此，在InSAR數(shù)據(jù)允許的前提下，充分利用多視角、多平臺(tái)及多軌道InSAR形變觀測值，有助于提高地學(xué)參數(shù)反演精度和可靠性。

3.1.3 InSAR幾何條件相近引起的病態(tài)問題

不同衛(wèi)星成像幾何條件相近，會(huì)大幅降低觀測的圖形強(qiáng)度。此外，同一衛(wèi)星獲取的InSAR形變觀測數(shù)據(jù)，也不是完全獨(dú)立的。這些因素會(huì)造成地學(xué)參數(shù)反演中法方程存在一定的病態(tài)問題，導(dǎo)致反演的地學(xué)參數(shù)不穩(wěn)定、不精確。目前，主要通過附加約束(如正則化等)穩(wěn)定待求參數(shù)克服病態(tài)問題。不同地學(xué)反演模型，參數(shù)數(shù)量及參數(shù)間可能存在的相關(guān)性也會(huì)造成模型求解方程病態(tài)，需要通過線性化或有效的非線性估計(jì)方法減少模型待估參數(shù)，從而減弱病態(tài)問題對(duì)參數(shù)反演精度的影響。針對(duì)大地測量地球物理反演中的病態(tài)問題，文獻(xiàn)[104—105]提出了很多解決方法(如譜修正迭代法、正則化法、嶺估計(jì)、主成分分析、貝葉斯方法等)，在滿足結(jié)果精度的要求下，評(píng)估病態(tài)問題對(duì)特定地學(xué)模型的影響程度將深化對(duì)特定病態(tài)問題的認(rèn)識(shí)。

3.2 InSAR觀測與地學(xué)參數(shù)之間模型關(guān)系不準(zhǔn)制約參數(shù)反演

InSAR觀測得到的是地表三維形變沿LOS向的一維投影。地面位移通常發(fā)生在三維立體空間內(nèi)，在某些情況下，如沿南北向的走滑、與LOS向近乎垂直的滑坡等，InSAR觀測值可能并不能很好地捕捉這些地表形變，也不能很好地作為形變觀測值約束地學(xué)模型的參數(shù)反演，從而使得既有InSAR觀測與模型地學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系不準(zhǔn)確或約束性弱。另外，由于目前SAR衛(wèi)星的重返周期仍然較大，部分潛在的致災(zāi)事件或地球物理現(xiàn)象，如地震、滑坡、冰崩等，是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，且之后還會(huì)出現(xiàn)一些殘余的運(yùn)動(dòng)或環(huán)境因素變化。如果上述災(zāi)害事件或地球物理現(xiàn)象發(fā)生在InSAR兩次觀測之間，目前的InSAR形變結(jié)果很難區(qū)分出主要變形與殘余運(yùn)動(dòng)和環(huán)境因素變化的影響。直接將InSAR觀測用于震源參數(shù)等模型參數(shù)反演過程中，將會(huì)導(dǎo)致輸入數(shù)據(jù)中存在非主要形變事件和環(huán)境因素變化的形變污染，影響模型參數(shù)反演的準(zhǔn)確性。此外，對(duì)于不同類型的災(zāi)害事件或地球物理現(xiàn)象，如果對(duì)其發(fā)生形變的物理機(jī)制認(rèn)知不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤，而運(yùn)用不合適的物理機(jī)制或假設(shè)進(jìn)行建模，將嚴(yán)重影響地學(xué)參數(shù)與InSAR形變觀測值之間的關(guān)系。這時(shí)，很有可能反演出一組偽地學(xué)參數(shù)，得到不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤的物理解釋和結(jié)論。

3.3 海量觀測數(shù)導(dǎo)致的反演效率低

InSAR定期重返和高空間分辨率形變監(jiān)測優(yōu)勢能為地學(xué)參數(shù)反演提供海量觀測數(shù)據(jù)。例如，面對(duì)10 km2的研究區(qū)域，3 m空間分辨率的單個(gè)InSAR干涉對(duì)理想條件下可獲得約11萬個(gè)地表形變觀測值。隨著時(shí)間序列和多平臺(tái)/多軌道InSAR數(shù)據(jù)集的加入，觀測值數(shù)量將呈指數(shù)級(jí)增長。然而，目前大多地學(xué)模型為非線性，且現(xiàn)有方法基本通過非線性搜索反演地學(xué)參數(shù)。由于非線性反演算法的核心思想是通過解空間搜索尋找最優(yōu)化地學(xué)參數(shù)，因此，其面對(duì)海量InSAR觀測值時(shí)反演效率較低。目前，通過四叉樹降采樣等手段減少觀測值數(shù)量[106]或使用更高效的反演算法[36]，是克服該問題的途徑之一，但是如何降采樣獲得有代表性的觀測樣本，如何平衡反演精度和效率，仍是需要研究的問題。

3.4 多次地球活動(dòng)反演的參數(shù)可區(qū)分性

受限于當(dāng)前SAR衛(wèi)星較長的重訪周期(即低時(shí)間分辨率)。兩景SAR影像差分得到的InSAR形變場往往包含了影像獲取時(shí)間內(nèi)所有地球活動(dòng)所造成的形變[21]。例如，InSAR同震形變中往往疊加了較大余震和震后早期形變(如余滑、孔隙彈性回彈、非彈性形變等)信號(hào)，造成基于InSAR反演的同震震源參數(shù)具有一定的不確定性。因此，如何有效區(qū)分多次地球活動(dòng)反演的參數(shù)，是限制InSAR技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用和推廣的瓶頸之一。為了克服上述難題，除了寄希望于未來高時(shí)間分辨率的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)之外，部分學(xué)者開始引入特定地球活動(dòng)形變模型(如將余滑模型引入同震滑動(dòng)反演模型中)，進(jìn)而構(gòu)建更為復(fù)雜的參數(shù)模型以求逼近真實(shí)地球物理過程[107]，為后續(xù)深入研究指明了方向。然而，特定模型的引入并不能解釋所有相關(guān)地球活動(dòng)事件(如引入余滑模型并不能解釋較大余震、孔隙彈性回彈等活動(dòng)造成的形變)，而且聯(lián)合模型的復(fù)雜性(如強(qiáng)非線性等)增強(qiáng)，造成了模型求解穩(wěn)定性差、耗時(shí)量大等。此外，發(fā)展基于特定模型有效融合高頻GNSS和InSAR聯(lián)合模型，將為區(qū)分多次地球活動(dòng)反演參數(shù)提供有效解決途徑。

3.5 InSAR與其他大地測量觀測聯(lián)合反演問題

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的日新月異、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸能力與處理能力的不斷提高，震源參數(shù)反演由基于單一觀測數(shù)據(jù)的反演逐漸發(fā)展為基于多源觀測數(shù)據(jù)(水準(zhǔn)、GNSS、光學(xué)、InSAR等數(shù)據(jù))的聯(lián)合反演，大大推動(dòng)和加速了震源參數(shù)反演進(jìn)程。聯(lián)合多源大地測量數(shù)據(jù)不僅可以提高震源參數(shù)解的穩(wěn)健性，而且具有更好的數(shù)據(jù)分辨率，進(jìn)而提高對(duì)反演參數(shù)的約束能力。InSAR數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率，可以為淺源地震的反演提供緊約束。GNSS數(shù)據(jù)具有較高的時(shí)間分辨率，可以彌補(bǔ)InSAR技術(shù)低時(shí)間分辨率的不足。光學(xué)影像匹配技術(shù)可以監(jiān)測得到大范圍的東西向和南北向水平地表形變場，可以較好地彌補(bǔ)InSAR視線向形變對(duì)南北向不敏感和GNSS數(shù)據(jù)空間上點(diǎn)位稀疏的不足。針對(duì)地震產(chǎn)生的大范圍、大梯度復(fù)雜形變場，綜合利用光學(xué)影像匹配、InSAR、GNSS等空間對(duì)地觀測技術(shù)各自的優(yōu)勢，對(duì)快速恢復(fù)地震同震形變場及準(zhǔn)確獲取震源參數(shù)至關(guān)重要。利用多源大地測量觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合反演震源參數(shù)時(shí)，不同觀測數(shù)據(jù)在目標(biāo)函數(shù)中的相對(duì)權(quán)重決定了各類數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果的貢獻(xiàn)，從而對(duì)參數(shù)估值的最優(yōu)性質(zhì)產(chǎn)生影響。如何準(zhǔn)確確定不同觀測數(shù)據(jù)集之間的相對(duì)權(quán)比是提高震源參數(shù)反演精度的關(guān)鍵因素之一。

3.6 InSAR地學(xué)參數(shù)反演精度評(píng)定問題

使用有限的地表觀測數(shù)據(jù)約束復(fù)雜的地學(xué)參數(shù)是非常難的反演問題。常規(guī)的InSAR地學(xué)參數(shù)反演主要包含非線性全局最優(yōu)估計(jì)方法和線性最小二乘方法，這樣求解得到的地學(xué)參數(shù)往往是一組全局最優(yōu)解。任何反演方法的差異都可能導(dǎo)致截然不同的模型參數(shù)解。只有充分考慮反演過程中的不確定性，才能更加客觀、準(zhǔn)確地反演得到震源參數(shù)，更好地解譯其機(jī)制。隨著InSAR數(shù)據(jù)的類別、模式及獲取平臺(tái)的增多，如何有效考慮InSAR大氣誤差、衛(wèi)星軌道誤差、DEM誤差、數(shù)據(jù)解纏誤差，以及數(shù)據(jù)處理過程中引入的誤差、參數(shù)先驗(yàn)信息、系數(shù)矩陣誤差等重要信息，從而定性、定量地分析和解釋這些誤差對(duì)反演參數(shù)不確定性的影響，是InSAR地學(xué)參數(shù)反演需要進(jìn)一步解決的難題之一。為了克服上述難題，可以考慮將數(shù)據(jù)誤差引入隨機(jī)模型，聯(lián)合貝葉斯反演方法和蒙特卡羅馬爾科夫鏈中的抽樣方法評(píng)估高維參數(shù)后驗(yàn)概率分布，解決傳統(tǒng)反演方法難以定性、定量評(píng)估參數(shù)誤差分布的問題，并提供參數(shù)誤差分布的置信區(qū)間。

4 結(jié) 語

目前，InSAR已被廣泛應(yīng)用于自然因素或人類活動(dòng)導(dǎo)致的災(zāi)害事件和災(zāi)變過程的關(guān)鍵地學(xué)參數(shù)反演。本文系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外學(xué)者在地震震源參數(shù)、火山活動(dòng)參數(shù)、地下水文學(xué)參數(shù)、地下采空區(qū)幾何參數(shù)、凍土活動(dòng)層厚度、冰川物質(zhì)平衡變化、冰川躍動(dòng)參數(shù)、大氣水汽參數(shù)及地下流體體積變化參數(shù)等地學(xué)參數(shù)反演領(lǐng)域的成功應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)方法。但是，顧及星載InSAR固有的成像模式、有限的觀測條件、亟待發(fā)展的反演算法等因素，InSAR地學(xué)參數(shù)反演仍面臨著觀測誤差復(fù)雜與單一觀測幾何制約反演精度的問題、觀測量與地學(xué)參數(shù)之間模型關(guān)系不準(zhǔn)確的問題，以及海量觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)致的反演效率低、多次地球活動(dòng)引發(fā)的反演參數(shù)的不確定性、InSAR與其他大地測量觀測聯(lián)合反演、InSAR地學(xué)參數(shù)反演精度評(píng)定的問題。