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閱讀 7545 次 InSAR技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用概述

摘要：本文概述了InSAR技術(shù)的發(fā)展，主要結(jié)合InSAR的技術(shù)背景詳細(xì)介紹了該技術(shù)用于礦山監(jiān)測的實施方案。對類似實踐和研究有一定的參考價值。...
 
InSAR技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用概述
 
陳俊
(上海港務(wù)工程公司 上海)
    過去二十年來，星載雷達(dá)干涉測量（Satellite Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR）作為一種新興的空間對地觀測手段，得到不斷的發(fā)展與完善，并日趨成熟。InSAR是一種相位測量技術(shù)，它通過比較雷達(dá)回波信號的相位差異，可以獲取某一時間段內(nèi)的地表形變信息，其精度可達(dá)毫米級。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，如GPS，水準(zhǔn)測量，及光學(xué)遙感，InSAR技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在面成像、主動式、穿透性及高觀測精度。傳統(tǒng)的地表變形測量主要獲取的是點狀信息，而雷達(dá)干涉技術(shù)可以以遙測的方式提供大面積的變形信息（如歐空局（ESA）提供的雷達(dá)影像覆蓋范圍達(dá)100km*100km，空間分辨率5m~20m），可輕易獲取山區(qū)或測量人員不易進(jìn)出的區(qū)域的觀測資料；雷達(dá)干涉技術(shù)應(yīng)用雷達(dá)波對地表進(jìn)行觀測，采用的波段通常為C波段，L波段及X波段，均可直接穿越大氣，受云雨影響較小；另外雷達(dá)干涉技術(shù)使用主動式雷達(dá)波而非可見光，故無時段限制。
 
    目前雷達(dá)干涉測量技術(shù)在地震同震位移場觀測，滑坡監(jiān)測，城市沉降監(jiān)測，礦區(qū)監(jiān)測，大型基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測方面均涌現(xiàn)出大量的應(yīng)用實例并取得了較好的成果。
 
一、InSAR技術(shù)背景
    1.1 差分干涉測量 （Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar， DInSAR）
    差分干涉測量技術(shù)是應(yīng)用重復(fù)軌道的方式，在不同的時間獲取同一地區(qū)雷達(dá)影像，利用此兩幅影像進(jìn)行差分干涉，可獲得此地區(qū)于該時段地表及衛(wèi)星間的距離變化所造成的雷達(dá)波相位差，這種相位差以干涉條紋的形式呈現(xiàn)（圖1），構(gòu)成上包含地形引起的相位差，影像獲取期間形變引起的相位差，對流層延遲誤差，軌道誤差等。通過引入外部DEM（Digital Elevation Model）可將地形相位消除，其他誤差通常假定量級較小，或者利用模型將其消除，即可獲取地表形變。由于該方法中大氣影響難以很好的消除，并且在大量區(qū)域存在著信號失相關(guān)現(xiàn)象，其測量精度在cm級。
 
    1.2 永久散射體干涉測量 （Permanent Scatterers Interferometric Synthetic Aperture Radar， PSInSAR）
    盡管 DInSAR 技術(shù)在地表變形監(jiān)測上，與其他方法相比頗具優(yōu)勢，然而一般來說較適合應(yīng)用于植被較少，地形起伏和緩的區(qū)域。山區(qū)及植被較厚的地區(qū)，因地表特征物會隨著時間而變化以及大氣效應(yīng)，會影響干涉結(jié)果的精度。
     
    Permanent Scatterers（永久散射體)技術(shù)是20世紀(jì)末由意大利學(xué)者首先提出的，以解決常規(guī)干涉中大氣影響、失相干、DEM誤差等問題, 極大地拓展了InSAR技術(shù)的應(yīng)用前景, 為精確研究地殼形變提供了強有力工具。所謂永久散射體, 即是指在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍然保持穩(wěn)定反射特性的散射體，這些永久散射體可提供信噪比極高的信號。在取出這些永久散射體于時間序列上的相位后，利用衛(wèi)星基線與地形效應(yīng)誤差相關(guān)的關(guān)系，以及假設(shè)在一個特征尺度范圍內(nèi)大氣效應(yīng)為一致的情況之下，可將對于DInSAR 結(jié)果影響最多的兩項因素（即大氣延遲誤差和DEM誤差）從信號中消除，達(dá)到對PS點的精密觀測。一般情況來說，PS點位數(shù)量城市區(qū)域每平方公里可在數(shù)十個點以上，而郊區(qū)部份也可達(dá)每平方公里內(nèi)有幾個點，這樣的資料密度，已經(jīng)遠(yuǎn)超過多數(shù)地區(qū)GPS的站位密度。
     
    PSInSAR的基本原理是：在給定的一組雷達(dá)干涉圖像中，按照某種準(zhǔn)則選擇相位穩(wěn)定的一系列點作為永久散射體, 也就是PS點, 并且根據(jù)給定的相位模型, 去除這些PS點的大氣附加相位，DEM誤差和其他噪聲, 進(jìn)而得到準(zhǔn)確的地表形變。通常， PS技術(shù)需要處理同一地區(qū)30景以上的干涉圖, 以選取一組反射特性強、時間上穩(wěn)定的地物目標(biāo)作為PS點, 保證計算結(jié)果的精確性。
 
    1.3 人工角反射器干涉測量技術(shù) （Corner Reflector InSAR， CRInSAR）
    如果在所研究區(qū)域，譬如礦區(qū)，找不到足夠密度的天然永久散射體，可以安裝人工制作的散射體，通常稱為角反射器（Corner Reflector）以增強地表反射雷達(dá)信號的能力。通過分析這些角反射器信號達(dá)到地表監(jiān)測的目的。
 
    對于角反射器，其高程已精確確定，在常規(guī)DInSAR處理中可以避免高程誤差對相位的影響從而提高觀測精度。若有若干影像亦可對角反射器進(jìn)行時間序列分析，其流程與PSInSAR相似。
 
    1.4 短基線干涉測量技術(shù) （Small Baseline Subset InSAR，SBAS）
    該技術(shù)以基線較短的影像對中的相干點為觀測對象，通過最小二乘或奇異值分解的方法從一系列影像中提取形變信息。相比于PSInSAR該方法可以獲取更多可靠的相干點即PS點。在相位解纏有保證的前提下可以獲取更豐富而可靠的形變信息。圖1為SBAS技術(shù)用于某火山的監(jiān)測結(jié)果。
圖1：SBAS技術(shù)用于火山監(jiān)測
二、礦區(qū)監(jiān)測
    從已發(fā)表的文獻(xiàn)看，DInSAR，PSInSAR及SBAS技術(shù)在礦區(qū)監(jiān)測上均有應(yīng)用，且效果良好。某礦區(qū),位于三秦腹地的陜北高原與關(guān)中盆地過渡帶，地跨兩個地貌單元兼有南北自然條件的綜合特征，地形起伏，植被茂密，擬采用多種技術(shù)綜合監(jiān)測。在具體實施上，將分為3個階段。第一階段是數(shù)據(jù)獲取，待給定研究區(qū)域的坐標(biāo)范圍之后，收集覆蓋該區(qū)域的雷達(dá)影像；第二階段，利用存檔數(shù)據(jù)對礦區(qū)的歷史性形變進(jìn)行分析，即分析從衛(wèi)星在礦區(qū)首次獲取影像的時間起到目前的形變情況；第三階段，向歐空局等機(jī)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)獲取請求，對礦區(qū)進(jìn)行例行監(jiān)測。
 
    2.1 數(shù)據(jù)獲取
    用于監(jiān)測的雷達(dá)影主要來自歐空局的ENVISAT衛(wèi)星、日本宇航局的ALOS衛(wèi)星和德國宇航局的TerraSAR-X 衛(wèi)星。ENV ISAT由歐空局2002年發(fā)射, 搭載的雷達(dá)傳感器ASAR工作波段是波長5. 6 cm的C波段, 對同一地區(qū)的重訪周期為35天，遺憾的是目前ASAR已大大超過其設(shè)計壽命，歐空局將于2010下半年對其變軌并停止提供干涉數(shù)據(jù)；ALOS衛(wèi)星由日本JAXA于2006年1月24日發(fā)射, 是日本在1992年發(fā)射的地球資源衛(wèi)星1號和1996年發(fā)射的改進(jìn)型地球觀測衛(wèi)星之后發(fā)射的又一顆更加先進(jìn)的陸地觀測技術(shù)衛(wèi)星。所搭載的SAR傳感器工作波段是波長23 cm的L波段，提供精細(xì)、寬幅等多種工作模式，重訪周期為46天；于2006年6月由德國發(fā)射的TerraSAR-X是一顆專門用來獲取雷達(dá)影像的衛(wèi)星，該衛(wèi)星工作波段為3.1cm的X波段, 重訪周期為11天，較之以往的雷達(dá)傳感器有明顯的進(jìn)步, 不僅軌道更加精確穩(wěn)定；還提供全極化模式和1 m高分辨率的精細(xì)模式；而且采用較高的距離向帶寬，從而容許更大基線距干涉像對。對于礦區(qū)的監(jiān)測將以ALOS及TerraSAR-X獲取的數(shù)據(jù)為主。
 
    2.2 歷史性形變監(jiān)測
    為了評估雷達(dá)干涉技術(shù)在焦平礦區(qū)的應(yīng)用效果，利用ALOS分別于20070716，20090905及20091021獲取的礦區(qū)的SAR影像，進(jìn)行了初步處理。結(jié)果表明，盡管煤礦地處山區(qū)，但ALOS數(shù)據(jù)的干涉效果極佳， 可以發(fā)現(xiàn)在20090905至20091021期間，礦區(qū)無形變；然而20070716至20091021的2年多期間， 礦區(qū)周邊的山體似乎存在著較為明顯的形變信號。歷史性形變監(jiān)測的主要目的是發(fā)現(xiàn)潛在的形變區(qū)，在后面的監(jiān)測中予以重點關(guān)注。
 
    2.3 發(fā)展性形變監(jiān)測
    隨著煤礦生產(chǎn)的進(jìn)行，已發(fā)現(xiàn)的形變區(qū)可能會發(fā)展擴(kuò)大，也可能出現(xiàn)新的形變區(qū)。這個階段，將定期收取各種SAR數(shù)據(jù)對礦區(qū)進(jìn)行例行監(jiān)測。
 
參考文獻(xiàn):　
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Liaomingsheng,linhui, synthetic aperture radar interferometry _principle and signal processing.[M], Surveying and mapping press,2003.8
[2] 劉國林,InSAR技術(shù)的理論與應(yīng)用研究現(xiàn)狀及其展望[j], 山 東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009.(3)
[3]Guoxiang L. Mapping of Earth Deformation with Satellite Radar Interferometry: A Study of Its Accuracy and Reliability Performances[D]. PH.D. theses: Dept of Land Surveying & Geo-Informatics, The Hong Kong Polytechnic University,pp.250,2003
[4]吳立新等．基于D-InSAR的煤礦區(qū)開采 沉降遙感檢測技術(shù)分析[J]．地理與地理信息科學(xué)，2004,20(2):22-25
 
 
(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)
 
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