InSAR技術(shù)進(jìn)步與地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用
——中國(guó)科學(xué)院院士中國(guó)工程院院士李德仁教授接受本刊專訪

【編者按】

2013年7月26日，上海市地質(zhì)調(diào)查研究院副總工程師兼水土環(huán)境研究所所長(zhǎng)王寒梅教授、上海市地質(zhì)調(diào)查研究院總工程師辦公室副主任兼《上海國(guó)土資源》編輯部主任龔士良教授專程赴武漢，拜訪了中國(guó)科學(xué)院與中國(guó)工程院兩院院士、武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任李德仁教授，并代表《上海國(guó)土資源》期刊作了專題訪談。

李院士詳細(xì)介紹了中國(guó)科技部與歐洲空間局合作的“龍計(jì)劃”項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容以及業(yè)已取得的成果；闡述了衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)進(jìn)步及在資源與環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用；針對(duì)城市地面沉降問(wèn)題，指出利用短波段雙天線雷達(dá)，采用極化方式，通過(guò)差分合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量與永久散射體干涉技術(shù)，有助于提高監(jiān)測(cè)精度；重大工程的形變監(jiān)測(cè)，可采用光纖傳感器，推廣應(yīng)用精密工藝測(cè)量。李院士同時(shí)建議，應(yīng)加強(qiáng)大地水準(zhǔn)測(cè)量、衛(wèi)星遙感測(cè)量與光纖傳感器等技術(shù)的融合，以更好地為國(guó)土資源研究與管理服務(wù)。

遙感技術(shù)；合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量；資源環(huán)境遙感；地面沉降監(jiān)測(cè)

本 刊：李院士您好！非常感謝您特地抽出時(shí)間接受我們的專訪。您是中歐合作項(xiàng)目“龍計(jì)劃”的中方負(fù)責(zé)，目前“龍計(jì)劃”已完成了兩期，正開(kāi)展第三期工作?？煞窠榻B下“龍計(jì)劃”的基本情況、主要技術(shù)內(nèi)容及已取得的成果？第三期的研究工作主要側(cè)重在哪些領(lǐng)域？“龍計(jì)劃”對(duì)科技發(fā)展的促進(jìn)作用與成果的社會(huì)轉(zhuǎn)化主要體現(xiàn)在哪些方面？

李院士：歐洲空間局（European Space Agency，ESA）是歐洲國(guó)家組織和協(xié)調(diào)空間科學(xué)技術(shù)活動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其任務(wù)是制定空間政策和計(jì)劃、協(xié)調(diào)成員國(guó)的空間政策和活動(dòng)、促進(jìn)成員國(guó)空間科學(xué)技術(shù)活動(dòng)的合作和一體化。歐空局的國(guó)際合作項(xiàng)目的起名都比較有意思。歐空局援助非洲的項(xiàng)目叫“TIGER”，因?yàn)榉侵藁⒑苡忻?；與中國(guó)科技部的合作項(xiàng)目稱為“龍計(jì)劃”（Dragon Programme），也富有中國(guó)傳統(tǒng)文化的意味。

中歐合作“龍計(jì)劃”是目前我國(guó)在地球觀測(cè)領(lǐng)域最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目，旨在建立面向地球觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用研究的中歐聯(lián)合研究隊(duì)伍，促進(jìn)雙方衛(wèi)星遙感技術(shù)水平的共同提高?！褒堄?jì)劃”項(xiàng)目于2004年正式啟動(dòng)，中方由國(guó)家遙感中心負(fù)責(zé)實(shí)施。“龍計(jì)劃”一期于2008年結(jié)束，二期項(xiàng)目于2012年結(jié)束。一二期的成功實(shí)施取得了一大批具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，有效促進(jìn)了中歐雙方遙感技術(shù)水平的提高，也使我國(guó)在遙感應(yīng)用領(lǐng)域的研究與國(guó)際保持同步。經(jīng)過(guò)中歐雙方的共同努力，“龍計(jì)劃”已成為中歐地球觀測(cè)科技合作的重要平臺(tái)，有力促進(jìn)了中歐遙感科技界的交流與合作，推動(dòng)了我國(guó)遙感應(yīng)用技術(shù)的提高，并為我國(guó)培養(yǎng)了大批青年遙感科技人才，產(chǎn)生了良好而廣泛的國(guó)際影響。

一期項(xiàng)目利用歐空局地球遙感衛(wèi)星（ESA ERS）和歐洲新一代環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）數(shù)據(jù)，在中國(guó)開(kāi)展科學(xué)與應(yīng)用研究，涵蓋農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)境、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、大氣、海洋、奧運(yùn)管理等諸多遙感應(yīng)用領(lǐng)域，包括福建省農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、水稻監(jiān)測(cè)、中國(guó)森林制圖、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、POLinSAR數(shù)據(jù)反演森林參數(shù)、地形測(cè)量、地震形變監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)、洪水災(zāi)害快速成圖與監(jiān)測(cè)、水資源評(píng)價(jià)與管理、中國(guó)的旱情監(jiān)測(cè)、氣候與海洋系統(tǒng)耦合、大氣化學(xué)分析與氣候變化、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、海洋環(huán)境、對(duì)地觀測(cè)與奧運(yùn)、中國(guó)西部測(cè)圖等17個(gè)方面。中方有32家遙感單位的119名科學(xué)家和青年科研骨干參與“龍計(jì)劃”的合作研究，歐方由來(lái)自德國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、挪威、英國(guó)、芬蘭、比利時(shí)、荷蘭、希臘等10個(gè)歐空局成員國(guó)的50多名世界知名科學(xué)家參加。

2008年開(kāi)始的“龍計(jì)劃”二期，主要利用ESA、第三方衛(wèi)星（Third Party Mission，TPM）和中國(guó)的對(duì)地觀測(cè)（Earth Observation，EO）數(shù)據(jù)，在中國(guó)陸地、海洋和大氣領(lǐng)域開(kāi)展科學(xué)應(yīng)用研究，涉及陸地資源與環(huán)境、海洋學(xué)與海岸帶、災(zāi)害、地形制圖、大氣、校正與驗(yàn)證6個(gè)領(lǐng)域。同第一期相比，合作內(nèi)容更為廣泛，共設(shè)置了地震學(xué)、地形測(cè)量、三峽、農(nóng)作物在碳收支中的作用、作物監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境和安全監(jiān)測(cè)、中國(guó)海洋監(jiān)測(cè)、極化干涉SAR技術(shù)、森林生態(tài)、城市化、對(duì)地觀測(cè)技術(shù)與體育活動(dòng)、干旱監(jiān)測(cè)、水資源、干旱、SMOS 數(shù)據(jù)校正與驗(yàn)證、海岸帶、河流三角洲、水質(zhì)、中國(guó)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、化學(xué)/氣候變化、雷達(dá)校正與驗(yàn)證、煤火、海冰探測(cè)、林火、濕地等25個(gè)具體合作研究項(xiàng)目，研究?jī)?nèi)容涵蓋農(nóng)業(yè)、水利、林業(yè)、海洋、大氣、測(cè)繪、災(zāi)害等遙感應(yīng)用的諸多領(lǐng)域。參加二期合作的雙方單位達(dá)165家、科學(xué)家400多人，參與的機(jī)構(gòu)和科學(xué)家之多，影響之大，都是空前的。

圓滿完成的兩期項(xiàng)目任務(wù)，探索出了一套“政府搭臺(tái)，自主參與，自選合作主題”的國(guó)際科技合作新機(jī)制，開(kāi)展了廣泛深入的合作研究、技術(shù)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流及數(shù)據(jù)共享等工作，建立起一支地球觀測(cè)中歐聯(lián)合研究隊(duì)伍，取得了一大批具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，有效促進(jìn)了中歐雙方地球觀測(cè)技術(shù)水平的提高。

目前開(kāi)展的“龍計(jì)劃”第三期同樣為期4年，將延續(xù)目前雙方的合作模式，重點(diǎn)基于歐洲和我國(guó)最新發(fā)射和將要發(fā)射的衛(wèi)星，特別是科學(xué)探索衛(wèi)星，開(kāi)展定標(biāo)、真實(shí)性檢驗(yàn)和應(yīng)用方面的合作研究，更加突出地球系統(tǒng)科學(xué)、全球氣候變化和大氣動(dòng)力學(xué)方面的研究，共設(shè)置50個(gè)項(xiàng)目，增加了地球重力場(chǎng)、大地水準(zhǔn)面、冰凍圈、大氣動(dòng)力學(xué)、地球磁場(chǎng)及其演化、大氣氣溶膠變化以及地球系統(tǒng)科學(xué)和氣候變化等方面的研究?jī)?nèi)容，涉及到更多的遙感傳感器和應(yīng)用領(lǐng)域。三期項(xiàng)目各專題的中方負(fù)責(zé)單位有中科院下屬的遙感應(yīng)用研究所、對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心、光電研究院、大氣物理研究所、青藏高原研究所、寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、南京地理與湖泊研究所、煙臺(tái)海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究所、南海海洋研究所，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，國(guó)家海洋局第一海洋研究所、第二海洋研究所，中國(guó)地震局地殼動(dòng)力學(xué)研究所、中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，以及北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)、南京大學(xué)、河海大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、上海海洋大學(xué)、華東師范大學(xué)、北京師范大學(xué)、首都師范大學(xué)、內(nèi)蒙古師范大學(xué)等30個(gè)單位，而歐洲有德國(guó)、意大利、法國(guó)、英國(guó)、西班牙、荷蘭、芬蘭、波蘭、希臘、奧地利、比利時(shí)、挪威、瑞典、冰島等14個(gè)國(guó)家的數(shù)十個(gè)單位參與負(fù)責(zé)。第三期項(xiàng)目的正式實(shí)施，標(biāo)志著中歐遙感科技合作進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，必將推動(dòng)中國(guó)和歐洲在地球觀測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)合作再上新臺(tái)階。

歐空局在1979年后成功發(fā)射了科學(xué)、海事、氣象、通信等數(shù)十顆衛(wèi)星，1991年7月與1995年4月成功發(fā)射了兩顆采用先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）的地球資源衛(wèi)星（Earth ResourcesSatellite）ERS-1、ERS-2。歐洲的科學(xué)衛(wèi)星比較先進(jìn)，他們希望通過(guò)國(guó)家與國(guó)家、地區(qū)與地區(qū)之間的合作，鼓勵(lì)歐洲科學(xué)家和其他地區(qū)的科學(xué)家合作，共同研究資源與環(huán)境的有關(guān)問(wèn)題，這一宗旨非常好。歐空局免費(fèi)提供數(shù)據(jù)，目的就是要把歐空局的衛(wèi)星資源用好，但要注明是用歐空局提供的數(shù)據(jù)，是做了什么事情，在相關(guān)成果中致謝就行了，這個(gè)方法也比較好，是一個(gè)典型的國(guó)際合作范式。至目前，歐空局向中方無(wú)償提供了40000多景歐洲環(huán)境衛(wèi)星等的遙感影像數(shù)據(jù)，中方有關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)也參與了合作研究。“龍計(jì)劃”項(xiàng)目，我們不僅得到了大量研究數(shù)據(jù)，而且從國(guó)際合作中學(xué)到了許多研究和管理的經(jīng)驗(yàn)，他們的管理方式相當(dāng)好，值得借鑒。

歐空局有三顆載有合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，所以當(dāng)時(shí)就提出這三顆衛(wèi)星能否在解決中國(guó)的自然環(huán)境與災(zāi)害等問(wèn)題上得到應(yīng)用，就讓大家報(bào)題目，并希望每個(gè)專題的首席科學(xué)家是中國(guó)人，但必須有歐洲的合作伙伴，否則該項(xiàng)目就不被批準(zhǔn)，這就是歐空局的聰明之處。假如我申請(qǐng)一個(gè)項(xiàng)目，來(lái)當(dāng)首席，如果找不到歐洲的負(fù)責(zé)人，也做不了，所以這對(duì)中國(guó)的對(duì)外交流與科研合作的基礎(chǔ)有了要求，在某種程度上也是對(duì)我們以往的國(guó)際合作成果作了檢驗(yàn)。如果沒(méi)有良好的國(guó)際交流與合作基礎(chǔ)，要想找到歐洲國(guó)家該領(lǐng)域的知名學(xué)者一起領(lǐng)銜項(xiàng)目負(fù)責(zé)，并帶來(lái)國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)共同參與，也是不容易的，也就直接影響項(xiàng)目的開(kāi)展。“龍計(jì)劃”項(xiàng)目中，我負(fù)責(zé)地形量測(cè)這個(gè)專題，并邀請(qǐng)意大利著名的雷達(dá)遙感專家羅卡（Fabio Rocca）教授作為歐方負(fù)責(zé)人，當(dāng)時(shí)就同意了我們這個(gè)專題。用歐空局的SAR衛(wèi)星，研究中國(guó)有關(guān)地形、三維地形和地表形變這個(gè)問(wèn)題。林業(yè)部門(mén)研究中國(guó)的森林，農(nóng)業(yè)部門(mén)研究農(nóng)業(yè)，水利部門(mén)研究中國(guó)的水環(huán)境、水災(zāi)害，海洋部門(mén)還有海洋大學(xué)是研究中國(guó)的海洋問(wèn)題，這都屬于第一期項(xiàng)目的優(yōu)先領(lǐng)域。之后緊接著是二期?，F(xiàn)在的第三期發(fā)展到也可以用中國(guó)的數(shù)據(jù)，也可以大家一起用三維化的數(shù)據(jù)。比如研究森林碳匯，采用激光雷達(dá)，來(lái)監(jiān)測(cè)森林面積，研究二氧化碳的碳循環(huán)問(wèn)題。研究領(lǐng)域與技術(shù)手段不斷拓展，總體上來(lái)講效果比較好。當(dāng)時(shí)我們就利用這個(gè)機(jī)會(huì)，與羅卡教授合作，用PS-InSAR方法，把上海的地面沉降作為第一個(gè)研究目標(biāo)。第二個(gè)研究目標(biāo)又?jǐn)U展到三峽壩區(qū)的穩(wěn)定性研究，包括整個(gè)庫(kù)區(qū)的監(jiān)控。

國(guó)際合作對(duì)我們自己也有好處，國(guó)際合作也要自立更生的，不是說(shuō)躺在國(guó)際合作上就什么都不做，那樣是不行的。國(guó)外專家給講了道理，也要有相應(yīng)的軟件，這個(gè)軟件還是有償?shù)模麄儾幌胨臀覀冘浖?，軟件賣得很貴。我們必須自己開(kāi)發(fā)，哪怕是二次開(kāi)發(fā)也好，我們必須自己開(kāi)發(fā)軟件，買(mǎi)他們軟件買(mǎi)不起。我們開(kāi)發(fā)的SAR數(shù)據(jù)處理軟件，形變量測(cè)可以達(dá)到2～4mm的結(jié)果，看能不能再提高，到亞毫米級(jí)精度。

我們這個(gè)專題的成果還是比較顯著的，因?yàn)槲覀冎蟹胶蜌W方科學(xué)家的水平都很高，研究生的水平也不錯(cuò)。我們這個(gè)項(xiàng)目多次在“龍計(jì)劃”總結(jié)大會(huì)上受到表?yè)P(yáng)，稱贊對(duì)上海的地面沉降做得挺好，在國(guó)際國(guó)內(nèi)都有很好的影響。我們做的激光雷達(dá)掃描這塊也很強(qiáng)。我感覺(jué)戰(zhàn)線應(yīng)該拓寬一點(diǎn)，這塊是全新的，傳感器是新的，像激光雷達(dá)森林掃描能夠得到好多信息。

氣象局做大氣污染也很好，有的項(xiàng)目要難一點(diǎn)，但做的效果也是不錯(cuò)的。BIOMASS上去以后，羅卡教授是這個(gè)項(xiàng)目的發(fā)起人之一，所以他提出要做些調(diào)整，在第三期中原來(lái)該做的還要繼續(xù)，另外再增加一些內(nèi)容。

BIOMASS的應(yīng)用研究是超前的，跟衛(wèi)星的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，地面做了大量數(shù)值模擬，等衛(wèi)星上天以后，獲得的數(shù)據(jù)就能馬上得到應(yīng)用。衛(wèi)星壽命通常是有限的，衛(wèi)星上去后的前兩年數(shù)據(jù)可能還在調(diào)試，等好用了以后，時(shí)間也快過(guò)去了。所以從這方面來(lái)說(shuō)，西方國(guó)家做得好一點(diǎn)。以需求和應(yīng)用先行來(lái)做衛(wèi)星，待衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，后續(xù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用其實(shí)也都已做好了。

美國(guó)NASA的衛(wèi)星發(fā)射，就由地學(xué)研究中心來(lái)牽頭，有什么地學(xué)問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題需要研究，提出來(lái)，發(fā)什么衛(wèi)星，衛(wèi)星怎么發(fā)，需要做什么，接收什么數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)怎么用，都進(jìn)行一攬子考慮。美國(guó)的NASA有研制發(fā)射的職能，重點(diǎn)的研究部分由地學(xué)研究中心的專家去管理。美國(guó)的NASA有地學(xué)研究部，規(guī)模達(dá)上千人，像研究大氣、海洋的都在里面。為了解決氣象問(wèn)題，發(fā)什么樣的衛(wèi)星，裝什么傳感器，應(yīng)用方面的專家提出需求，工程專家通過(guò)設(shè)計(jì)給予滿足，這種模式值得我們學(xué)習(xí)。我們的測(cè)繪衛(wèi)星也是借鑒這樣的模式做的，所以做得很好，比國(guó)外的還要好。所以這條路依然要堅(jiān)持，過(guò)去是解決從無(wú)到有，外國(guó)有什么我們拿來(lái)仿一仿、做一做，現(xiàn)在我們要解決有好用的衛(wèi)星，有用得好的衛(wèi)星，這是我們的重點(diǎn)。原來(lái)是航天遙感大國(guó)，現(xiàn)在要變成航天遙感的強(qiáng)國(guó)，所以要把衛(wèi)星研制與應(yīng)用開(kāi)發(fā)相結(jié)合，通過(guò)政府引導(dǎo)，走產(chǎn)學(xué)研一體化，這樣才能保證上去的衛(wèi)星能夠用得更好。

我個(gè)人覺(jué)得，“龍計(jì)劃”項(xiàng)目對(duì)我們解決問(wèn)題、鍛煉隊(duì)伍很有幫助，也促進(jìn)了同行之間的業(yè)務(wù)合作。中國(guó)現(xiàn)在科技界的數(shù)據(jù)共享是個(gè)大問(wèn)題，如有自然災(zāi)害發(fā)生，數(shù)據(jù)難以共享，影響監(jiān)測(cè)與處置。中央各個(gè)部數(shù)據(jù)來(lái)了以后，幾個(gè)部門(mén)研究后做個(gè)報(bào)告，報(bào)告出來(lái)之前數(shù)據(jù)不會(huì)給其他人用，這是中國(guó)體制問(wèn)題。在這個(gè)問(wèn)題上，我想提出一個(gè)想法：比如對(duì)于地震災(zāi)害，作為一個(gè)系統(tǒng)，由國(guó)務(wù)院負(fù)責(zé)成立抗震救災(zāi)指揮部，國(guó)土資源部必須第一時(shí)間拿到數(shù)據(jù)，及時(shí)繪制相關(guān)圖件，再發(fā)送給相關(guān)部門(mén)進(jìn)行處置。因?yàn)閲?guó)土資源部有專業(yè)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，災(zāi)后一小時(shí)就把數(shù)據(jù)拿過(guò)來(lái)，再花一小時(shí)，地調(diào)局可把圖件繪制好，數(shù)據(jù)共享能為各方面服務(wù)。有沒(méi)有堰塞湖，由水利部去治水；有沒(méi)有堵路，信息交給交通部。不需要水利部或交通部也去勾畫(huà)這個(gè)滑坡危險(xiǎn)區(qū)，最好統(tǒng)一由國(guó)土部的專家來(lái)提供數(shù)據(jù)與圖件信息?，F(xiàn)在我就在呼吁建立這個(gè)系統(tǒng)，中央及各個(gè)部委按照職能分工，必須把數(shù)據(jù)拿出來(lái)共享，這是一個(gè)系統(tǒng)工程。數(shù)據(jù)共享既要承認(rèn)國(guó)家分工，又要強(qiáng)調(diào)機(jī)制。在現(xiàn)有體制條件下，建立和完善機(jī)制，涉及災(zāi)害防治的十幾個(gè)部門(mén)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。這個(gè)機(jī)制建好以后，也有檢查和控制，你的功勞并沒(méi)有被掩沒(méi)，我對(duì)你也負(fù)有責(zé)任。國(guó)際上的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，也是借鑒GUSS的工作模式，是各自獨(dú)立而有合作的機(jī)制，是互相聯(lián)合的一種共享。從“龍計(jì)劃”實(shí)施以后，開(kāi)始能夠逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。執(zhí)行的三期項(xiàng)目成效還比較好，現(xiàn)在中國(guó)也提供SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，大家對(duì)此“盯”得很緊，利用也比較充分。

本 刊：衛(wèi)星遙感與測(cè)控技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，以InSAR為代表的高新技術(shù)也在不斷發(fā)展和進(jìn)步，如D-InSAR、PS-InSAR等?？煞窈?jiǎn)要介紹其發(fā)展過(guò)程及主要的技術(shù)關(guān)鍵？其各自的特點(diǎn)及在資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)中的適用性如何？

李院士：載有合成孔徑雷達(dá)的對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星統(tǒng)稱為雷達(dá)衛(wèi)星。迄今為止，已在一些發(fā)射的衛(wèi)星上攜有SAR，如SEASAT、ALMAZ、JERS-1、ERS-1/2等，與它們搭載在同一遙感平臺(tái)上還裝載著其他傳感器。例如，Radarsat SAR有三個(gè)特點(diǎn)：具有45、75、100、150、300和500km不同輻射寬度的成像能力；有11.6、17.3和30.0MHz雷達(dá)帶寬的選擇性操作，使距離分辨率可調(diào)；有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。

SAR的全天候、全天時(shí)及能穿透一些地物的成像特點(diǎn)，顯示出它與光學(xué)遙感器相比的優(yōu)越性。雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)也在多學(xué)科領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。星載雷達(dá)在上世紀(jì)90年代開(kāi)始獲得迅猛發(fā)展，特別是發(fā)展了極化雷達(dá)和干涉雷達(dá)技術(shù)。

歐空局在1999年11月發(fā)射的Envisat-1衛(wèi)星上裝載ASAR，有同極化和交叉極化兩種極化模式；2006年發(fā)射的日本ALOS/PALSAR亦為多極化、多工作模式雷達(dá)系統(tǒng)；我國(guó)也發(fā)射了自行研制的L波段雷達(dá)衛(wèi)星。由此可見(jiàn)，國(guó)際上星載雷達(dá)正在向新的方向發(fā)展，它們將為數(shù)字地球的發(fā)展提供豐富的數(shù)據(jù)源。SAR技術(shù)的空間應(yīng)用，使其成為20世紀(jì)末最受歡迎的偵察儀器之一，對(duì)它的應(yīng)用和發(fā)展還剛剛開(kāi)始。SAR衛(wèi)星在未來(lái)將有更加廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過(guò)求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。InSAR干涉技術(shù)已經(jīng)成為SAR技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，它解決了SAR對(duì)地物第三維信息（高程信息或速度信息）的提取。目前InSAR有以下三種形式：?jiǎn)蔚栏缮妫瑢㈦p天線剛性安裝在一個(gè)飛行平臺(tái)上，在一次飛行中完成干涉測(cè)量，又稱為空間基線方式；雙道干涉，屬于單天線結(jié)構(gòu)，分時(shí)進(jìn)行二次測(cè)量，要求二次飛行軌道相互平行，又稱為時(shí)間基線方式；差分干涉，在航跡正交向安裝雙天線的單道干涉與第3個(gè)測(cè)量相結(jié)合，測(cè)量微小起伏和位移的干涉。

InSAR充分利用了雷達(dá)回波的相位信息，不僅可以獲得高精度、大面積的地面高程信息，而且還可以利用其差分干涉技術(shù)（D-InSAR）監(jiān)測(cè)地面毫米量級(jí)的微小位移，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，比如地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)研究等。

干涉測(cè)量技術(shù)之所以能夠進(jìn)行高精度的地表形變監(jiān)測(cè)，原因就在于其測(cè)量精度取決于相干雷達(dá)波所獨(dú)具的相位信息，而不是普通光學(xué)影像的圖像分辨率單元的大小。因此，干涉雷達(dá)波的相位是決定干涉測(cè)量精度的主要因素。在差分干涉測(cè)量中，相位對(duì)地表形變的靈敏度只是與雷達(dá)波相位值有關(guān)的常量，而與地形等其它因素?zé)o關(guān)。這表現(xiàn)在利用InSAR技術(shù)生成的DEM只能達(dá)到數(shù)米的精度，而利用D-InSAR技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)，理論上卻能達(dá)到毫米級(jí)精度。這一點(diǎn)上與傳統(tǒng)的距離測(cè)量方式有很大的不同。

在實(shí)際應(yīng)用中，相干雷達(dá)波由于在傳播的過(guò)程中受大氣效應(yīng)影響，以及地表變化造成的時(shí)間去相關(guān)和長(zhǎng)基線引起的空間去相關(guān)，所有這些因素將會(huì)造成測(cè)量上的誤差，剔除這些誤差是獲得高精度地形量測(cè)結(jié)果的先決條件之一。常規(guī)差分干涉測(cè)量技術(shù)難以很好地解決這些系統(tǒng)誤差帶來(lái)的問(wèn)題，由此永久散射體干涉測(cè)量技術(shù)（Permanent Scatterer Interferometry）應(yīng)運(yùn)而生。

PS-InSAR技術(shù)的目的是解決D-InSAR中時(shí)間、空間的去相關(guān)和大氣效應(yīng)等限制測(cè)量精度的問(wèn)題，與傳統(tǒng)方法比較而言，該技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了生成米級(jí)DEM和毫米級(jí)地表形變監(jiān)測(cè)，所獲得的永久散射體可被用作構(gòu)成一個(gè)“天然”的角反射器網(wǎng)，可以高精度地監(jiān)測(cè)地面沉降、滑坡、地震斷裂和火山地區(qū)等地表形變。同時(shí)，由于PS點(diǎn)不受時(shí)間和空間去相關(guān)的影響，使可利用的SAR影像突破了已有的時(shí)間和空間基線的極限限制，大大增加了SAR影像的可用數(shù)量，也為不同的SAR影像，如ERS系列、ASAR等的數(shù)據(jù)集成提供了基礎(chǔ)條件。

本 刊：監(jiān)測(cè)工作是地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害研究與防治的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，隨著科技進(jìn)步，監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量逐步被GPS、InSAR等衛(wèi)星測(cè)控技術(shù)替代。針對(duì)地面沉降每年僅數(shù)毫米的變化速率，如何可以有效提高監(jiān)測(cè)精度與可靠性？在城市地區(qū)，工程建設(shè)等的影響也是地面沉降的重要因素，InSAR技術(shù)能否予以動(dòng)態(tài)反映？

李院士：差分干涉是通過(guò)相對(duì)觀測(cè)值，能夠超高精度地測(cè)定形變、下沉。因?yàn)槔走_(dá)波長(zhǎng)是厘米級(jí)的，五六厘米或是十幾厘米，要達(dá)到毫米級(jí)甚至更高的精度，這是非常難的，但是有一定的潛力。相對(duì)觀測(cè)值的精度與波長(zhǎng)有關(guān)，精度通常是波長(zhǎng)的百分之五，現(xiàn)在整個(gè)電子衛(wèi)星精度到波長(zhǎng)的百分之二還是可能的，這是極限。另外可以通過(guò)重復(fù)觀測(cè)，從變化量中提取信息。現(xiàn)在有各種方法，PS-InSAR是目前國(guó)際上推薦的，相干目標(biāo)分析法也是一種，基本原理大同小異，只不過(guò)實(shí)現(xiàn)的方法上有些不同。

現(xiàn)在有個(gè)問(wèn)題，雷達(dá)干涉要通過(guò)大氣層，還有地表覆蓋的影響。像上海這樣的超大城市，目標(biāo)比較明顯、植被少的地區(qū)，應(yīng)用波長(zhǎng)短一點(diǎn)的X波段、C波段，效果比較好。而植被覆蓋好的，波長(zhǎng)短的干擾就比較大。遙感SAR衛(wèi)星是根據(jù)目標(biāo)來(lái)選擇波長(zhǎng)，是選擇X波段，還是P波段、L波段，具體要看做什么。加拿大研究的重點(diǎn)是森林和海洋浮冰，這是他的主要需求，所以選擇了C波段。波段的選擇不一樣，電磁波后向反射就不一樣，有的波段透不過(guò)去，換一個(gè)波段就會(huì)透到地面再回去。L波段有一個(gè)好處，就是找有樹(shù)林覆蓋區(qū)域的地表比較容易。利用微波遙感原理，研究什么目標(biāo)就用什么波長(zhǎng)。從成像原理上說(shuō)，不同的波長(zhǎng)有不同的特點(diǎn)，既有各自優(yōu)勢(shì)，也有相對(duì)不足。如果只做形變測(cè)量，需要的波長(zhǎng)短一點(diǎn)，同樣是百分之五，精度就高了，而波長(zhǎng)長(zhǎng)了精度就低了。但是波長(zhǎng)短了以后，植被干擾也就大了，怎么辦？就搞人工目標(biāo)，這就需要增加投入。還有就是考慮極化方式，根據(jù)電磁波傳播，有些是水平—水平，有些是水平—垂直，還有些是垂直—水平，電磁波不同的極化方式效果也不一樣。就像不同光譜的反射不一樣，電磁波極化也不一樣。現(xiàn)在我們主要研究電磁波P波段的主要極化方式，研究其目標(biāo)解譯的效果。如果有三個(gè)極化就可以賦予不同的彩色RGB，三種不同的極化方式代表不同的顏色，合成在一起就是彩色遙感。

現(xiàn)在所有的遙感分為兩個(gè)方面，一個(gè)是確定位置和形體的變化，就是關(guān)注形狀、關(guān)注變化；還有一個(gè)是確定物理屬性，比如土地分類、土地覆蓋、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染等等就從這去考慮了。

歐空局下一步是要更多地關(guān)注全球變化的研究，研制了一個(gè)P波的SAR衛(wèi)星，前面用C波段做重復(fù)軌道的干涉。干涉如果說(shuō)做得好的話，最好的方法就是雙天線，因?yàn)殡p天線接收就是兩個(gè)眼睛看，信息就比較一致，而且同樣的環(huán)境存在很多干擾，所以雙天線有它的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的SRTM就是60米間隔的雙天線，放在航天飛機(jī)上。干涉測(cè)量的精度很大程度上取決于雙天線之間距離的量測(cè)精度，國(guó)際上公認(rèn)的絕對(duì)精度到厘米，相對(duì)精度到1毫米?，F(xiàn)在做得最好的就是德國(guó)航天局，他們做的TanDEM-X，就是一個(gè)衛(wèi)星上將波束打出去，兩個(gè)衛(wèi)星上的天線同時(shí)接收，這兩個(gè)衛(wèi)星之間的距離測(cè)量的相對(duì)精度能夠到毫米。整個(gè)精度高，就能產(chǎn)生很好的干涉數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。

我們與你們單位的合作也快十年了，具體工作由廖明生教授率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)做，以上海地面沉降為重點(diǎn)內(nèi)容，參與了“龍計(jì)劃”項(xiàng)目，取得很多成果，也得到充分肯定與廣泛好評(píng)。上海近幾年地面沉降趨勢(shì)，跟十年前或是更早一點(diǎn)比起來(lái)，有明顯好轉(zhuǎn)，總體上處于微量可控階段。沉降變形越小，對(duì)監(jiān)測(cè)手段的要求也越高。上海地面沉降控制得很好，監(jiān)測(cè)工作也做得很扎實(shí)，不僅有精密水準(zhǔn)測(cè)量，也建立了覆蓋全市的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，手段比較豐富。GPS比SAR衛(wèi)星的干涉精度可能還要好一點(diǎn)，像美國(guó)的GPS接收機(jī)，測(cè)相對(duì)的距離精確到毫米。GPS測(cè)量做到亞毫米是現(xiàn)實(shí)的，也是最高極限，再高就得依靠其它技術(shù)，如物理的形變，相對(duì)精度能到微米。但是，雷達(dá)干涉是大面積，不需要做實(shí)地更多辛苦的工作，這是優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在分米級(jí)、厘米級(jí)的很多，毫米級(jí)的是超高精度，要做到就難了，因?yàn)楹暧^的遙感方法有精度上的限度，每一種方法都存在局限。

傳統(tǒng)的GPS方法是雙頻，武漢市利用4到5個(gè)衛(wèi)星，精度是1毫米，還達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。我們現(xiàn)在的服務(wù)系統(tǒng)，平面形變的精度只能到厘米，3.5厘米左右。葛洲壩的形變測(cè)量，在壩上布設(shè)了9個(gè)點(diǎn)，有兩個(gè)打在基巖上作為參照點(diǎn)，測(cè)定形變的精度到0.8毫米，24小時(shí)不間斷往外傳輸數(shù)據(jù)。我個(gè)人認(rèn)為，零點(diǎn)幾毫米是大地測(cè)量在地表做測(cè)量的一個(gè)極限，能不能做到微米的測(cè)量，肯定要用精確度高的精密測(cè)量。

其實(shí)上海現(xiàn)在有些需求是要求亞毫米級(jí)，這是有一定難度的。但對(duì)于公共的大型建筑，埋設(shè)各種傳感器，可以測(cè)到亞毫米，甚至微米。中國(guó)工程院院士、武漢理工大學(xué)的姜德生教授是專門(mén)做傳感器的專家，他成功研制了數(shù)十種光纖傳感器，并得到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，效果非常顯著?，F(xiàn)在就是看能不能把這種技術(shù)方法應(yīng)用于高鐵、地鐵隧道等交通設(shè)施、還有高層建筑的形變監(jiān)測(cè)。巴黎埃菲爾鐵塔上裝有精密測(cè)量?jī)x器，應(yīng)用物理方法測(cè)定微小的形變，超出大地測(cè)量、遙感測(cè)量的精確程度。我們實(shí)驗(yàn)室李清泉教授的團(tuán)隊(duì)研究路面地表沉降的彎沉度，精確到百分之一毫米。地面的彎沉度、高速公路測(cè)量，不是一般的方法，用多少的激光往下打，借助伯努利方程，搞一個(gè)積分什么的，他們有一套理論和方法，這屬于精密工藝測(cè)量。再精確的話，我們認(rèn)為大地測(cè)量要請(qǐng)教物理學(xué)家，看是否有其它的方法，往微米級(jí)別更精確地測(cè)量。像上海市的城市地面沉降，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍是可以的。中國(guó)現(xiàn)在高層建筑越來(lái)越多，我認(rèn)為高層建筑、大型工程的形變測(cè)量要重視。也可以選擇更多的測(cè)量方法，不只是大地測(cè)量和遙感的方法，還有智能傳感網(wǎng)。傳感網(wǎng)的范圍小，針對(duì)性強(qiáng)，精度更高。我們可以在多技術(shù)耦合方面做些工作，使實(shí)用效果更好。

InSAR: Technological progress and its application to land subsidence monitoring —An exclusive interview with Professor LI De-Ren, Academician of the Chinese Academy of Sciences and Chinese Academy of Engineering

Professor LI De-Ren is a well-known international scientist specializing in the fields of photogrammetry and remote sensing, an academician of the Chinese Academy of Sciences and Chinese Academy of Engineering, and a director of the scientific committee of the State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing at Wuhan University. Professor Li gave this exclusive interview to theShanghai Land & Resourcesjournal on the afternoon of 26 July 2013.During the interview, Professor Li detailed the main components of the Dragon research program run by the Chinese Ministry of Science and Technology in cooperation with the European Space Agency. He also summarized the results already achieved, and explained recent technological progress in satellite remote sensing monitoring and its application to resource management and environmental surveying. In view of ongoing issues related to urban land subsidence, he pointed out that monitoring accuracy will be improved by the use of short wavelength double-antenna radar together with the polarization approach and differential interferometric synthetic aperture radar (InSAR) and permanent scatterer interference technology. Professor Li also discussed the increased use of fiber optic sensors for deformation monitoring during major projects, and the application of precision measuring processes. Furthermore, he suggested that technologies such as geodesic leveling, satellite remote sensing observations, and optical fiber sensor technology, if further developed so that they can be used collaboratively, would benefit both research and management of land and resources.

remote sensing technology; interferometric synthetic aperture radar (InSAR); resources and environment remote sensing; land subsidence monitoring

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