朱瑞杰　師帥　劉歡

摘 要：近年來(lái)，由于地表形變引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此加強(qiáng)地表形變監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。隨著科技的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)難以滿足現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求，INSAR技術(shù)作為一種新型的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，具有精確度高、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在地表形變監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。本文簡(jiǎn)單分析了INSAR技術(shù)的基本工作原理及其在地表形變監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：INSAR；地表形變；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TP79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）29-158-2

0 引言

由于受到過(guò)度抽取地下水、大量開(kāi)采煤礦等人為因素以及冰川漂流、火山運(yùn)動(dòng)等自然因素的影響，地球表面時(shí)刻發(fā)生著細(xì)微的形變，當(dāng)形變積累到一定程度，將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，例如火山、地震、海嘯、滑坡等，對(duì)自然環(huán)境以及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的危害。在這種情況下，加強(qiáng)先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用成為相關(guān)地質(zhì)部門(mén)和企業(yè)的重要任務(wù)。隨著雷達(dá)遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，INSAR技術(shù)獲得發(fā)展，為大范圍地表形變的監(jiān)測(cè)提供了有效保障，在地表形變監(jiān)測(cè)中體現(xiàn)出較高的形變敏感度和空間分辨率，同時(shí)不會(huì)受到惡劣天氣的影響，因此，INSAR技術(shù)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，值得相關(guān)部門(mén)和企業(yè)進(jìn)行深入研究和推廣。

1 INSAR技術(shù)簡(jiǎn)析

1.1 INSAR技術(shù)的基本工作原理

INSAR技術(shù)即為合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，其基本理論根據(jù)與干涉測(cè)量法有關(guān)。干涉測(cè)量法主要是通過(guò)兩個(gè)光源同時(shí)向同一目標(biāo)發(fā)射相干光，然后以兩束相干光的相位差為依據(jù)，分析和計(jì)算出目標(biāo)的位置距離。INSAR技術(shù)則是利用兩組天線裝置進(jìn)行同步觀測(cè)，或者進(jìn)行兩次平行觀測(cè)，從而得到地面上同一景觀的圖像，因?yàn)槟繕?biāo)位置與兩組天線裝置的位置存在一定的幾何關(guān)系，從而在圖像中產(chǎn)生相位差，形成干涉條紋圖，將斜距向上的點(diǎn)和兩組天線的位置差等具體信息數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。因此，INSAR技術(shù)可以通過(guò)雷達(dá)波長(zhǎng)、傳感器高度、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系，精確地測(cè)量出圖像上每一點(diǎn)的三維位置和變化信息。

1.2 INSAR技術(shù)的相關(guān)工作流程

1.2.1 圖像配準(zhǔn)處理

在INSAR技術(shù)中，圖像對(duì)的精確配準(zhǔn)是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。圖像配準(zhǔn)處理主要針對(duì)不同傳感器在不同時(shí)間或不同視角對(duì)同一景物所形成的兩幅圖像或多幅圖像進(jìn)行匹配和疊加的過(guò)程。對(duì)于星載INSAR生成的兩幅圖像，由于并非同步得到，圖像之間的像素點(diǎn)不能夠一一對(duì)應(yīng)，這就需要進(jìn)行圖元配準(zhǔn)，采用曲線插值或擬合等方法，將兩幅圖像中的相同位置的像素與地面同一回波點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從而形成干涉條件。圖像配準(zhǔn)一般來(lái)說(shuō)包括粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)，粗配準(zhǔn)存在大約一個(gè)像素的誤差，精配準(zhǔn)可以達(dá)到亞像元精度。

1.2.2 干涉圖的生成

不同傳感器在不同時(shí)間或不同角度對(duì)同一地面景物測(cè)得復(fù)雷達(dá)圖像對(duì)，由于兩組天線裝置與地面同一目標(biāo)之間的距離不相同，使得復(fù)雷達(dá)圖像對(duì)中的同名像點(diǎn)之間出現(xiàn)相位差，進(jìn)而形成干涉紋圖。一般而言，圖像的配準(zhǔn)誤差要低于八分之一個(gè)像元，才能減少對(duì)干涉條紋的影響。相位差的測(cè)量數(shù)值，地面目標(biāo)的三維空間位置與該相位差存在一定的幾何關(guān)系，根據(jù)飛行軌道的參數(shù)進(jìn)行分析，就可以確定地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)位置，進(jìn)而生成干涉圖。

1.2.3 干涉圖的濾波

利用INSAR技術(shù)進(jìn)行成像處理，干涉相位圖經(jīng)常受到各種噪聲的影響，造成干涉條紋不明顯。其中噪聲的來(lái)源十分廣泛，包括圖像不匹配噪聲、相干斑點(diǎn)噪聲、信號(hào)處理噪聲、基線相關(guān)損失、接收機(jī)熱噪聲、觀測(cè)區(qū)域地形等多種影響因素，如果噪聲源過(guò)大，甚至?xí)采w過(guò)原本的干涉條紋，這就需要對(duì)干涉相位圖進(jìn)行濾波處理，減少噪聲因素引起的殘余點(diǎn)數(shù)量，從而提高干涉條紋的質(zhì)量，有利于對(duì)干涉相位圖的二維相位進(jìn)行處理。

1.2.4 去平地效應(yīng)

INSAR形成的干涉圖不僅要進(jìn)行噪聲去除處理，還要去除干涉圖產(chǎn)生的平地效應(yīng)。平地效應(yīng)指的是干涉圖中高度相同的平地上的干涉條紋表現(xiàn)出隨著方位向和距離向的變化而產(chǎn)生變化的現(xiàn)象，同時(shí)平地效應(yīng)的變化存在一定的周期特性。在INSAR干涉圖中，如果地形起伏所引起的條紋和平地效應(yīng)引起的條紋出現(xiàn)夾雜的問(wèn)題，則不能夠準(zhǔn)確地反映地表形變信息，這種情況下就要利用干涉條紋乘以復(fù)相位函數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行去除處理。

1.2.5 相位解纏

干涉相位圖在進(jìn)行去平地效應(yīng)后還要進(jìn)行相位解纏。相位解纏的基本含義就是在相位測(cè)量值加上2kπ的相位周期，解出相位模糊度，從而準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的高程。其中的相位模糊度產(chǎn)生的原因是由于相位差形成干涉相位圖的條紋，該條紋與地面位置以2π為模形成相位，測(cè)出的相位差不到一個(gè)周期，從而失去了2kπ的相位模糊度。目前INSAR技術(shù)的相位解纏基本分為兩個(gè)步驟，第一步是以纏繞相位為基礎(chǔ)對(duì)解纏相位的相位梯度進(jìn)行估算；第二步是采用積分法進(jìn)行相位解纏，例如最小二乘法、路徑跟蹤法等，其中路徑跟蹤法的穩(wěn)定性和靠性更高。在完成相位解纏處理之后，計(jì)算出地表形變信息，并將形變圖投影到地理坐標(biāo)體系中。

2 INSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

2.1 火山研究

目前地球上存在很多火山存在爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在人口聚集區(qū)，一旦火山爆發(fā)將會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的影響，因此加強(qiáng)火山地區(qū)的地表監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。由于火山爆發(fā)大都沒(méi)有規(guī)律可循，傳統(tǒng)的GPS測(cè)量技術(shù)難以進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，一些火山在噴發(fā)前往往存在明顯的地表形變，這種情況下就可以采用INSAR技術(shù)對(duì)火山周圍的地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而有效的預(yù)測(cè)火山的爆發(fā)情況。相對(duì)于傳統(tǒng)的地面形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，INSAR技術(shù)在火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)中存在以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：第一，不用進(jìn)行先期的地面控制；第二，傳統(tǒng)的方法只能提供有限測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而INSAR技術(shù)可以提供大范圍的覆蓋數(shù)據(jù)。如D-INSAR技術(shù)提供的數(shù)據(jù)可以繪制整個(gè)火山附近的地圖，準(zhǔn)確的反映出巖漿移動(dòng)情況的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)火山活動(dòng)情況的全面監(jiān)控和爆發(fā)預(yù)警。目前，很多國(guó)家已經(jīng)采用D-INSAR技術(shù)對(duì)火山形變情況進(jìn)行研究，例如阿拉斯加活火山、意大利Etna火山等。

2.2 冰山研究

隨著科技的不斷進(jìn)步，我國(guó)的科學(xué)家早就對(duì)南北極冰川展開(kāi)了科學(xué)研究，冰川的融化現(xiàn)象對(duì)全球氣候造成的影響成為環(huán)境科學(xué)家高度關(guān)注的研究課題。由于極地的自然環(huán)境十分惡劣，這就需要更加先進(jìn)、科學(xué)的技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，從而為科學(xué)家進(jìn)行研究提供可靠數(shù)據(jù)。星載SAR技術(shù)在冰川和冰蓋的監(jiān)測(cè)方面顯現(xiàn)出非常重要的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)數(shù)據(jù)研究表明，冰川隨著氣溫變化情況十分明顯，在季節(jié)變化的過(guò)程中，冰川存在明顯移動(dòng)和融化現(xiàn)象，而冰蓋的變化較為穩(wěn)定，這就要應(yīng)用星載SAR技術(shù)加強(qiáng)對(duì)極地地表形變情況的監(jiān)測(cè)和研究，可以從以下兩方面入手，一方面使用INSAR技術(shù)獲得精度較高的地形數(shù)據(jù)；另一方面，利用D-INSAR技術(shù)對(duì)冰蓋的緩慢漂移進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其他變化情況進(jìn)行評(píng)估。

2.3 細(xì)微地表變化的研究

目前很多城市存在地表下沉的問(wèn)題，尤其是不均勻地表下沉存在嚴(yán)重的危害性，對(duì)城市的建筑物和公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重影響。通常，相關(guān)部門(mén)采用GPS數(shù)據(jù)測(cè)量方法來(lái)對(duì)城市的地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種測(cè)量方法存在一定的局限性，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力等資源，還需要對(duì)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期的維護(hù)，除此之外，GPS測(cè)量技術(shù)只能獲得離散點(diǎn)的下沉量，而無(wú)法對(duì)下沉的趨勢(shì)和范圍進(jìn)行全面的把控。而應(yīng)用INSAR技術(shù)能夠有效克服上述缺陷，由于城市周圍的地勢(shì)一般較為平坦，沒(méi)有過(guò)多的植被覆蓋，雷達(dá)能夠進(jìn)行良好的反射，從而可以大大提高干涉圖像的質(zhì)量，使得INSAR技術(shù)具有更加理想的應(yīng)用效果。此外，對(duì)于西部的一些常規(guī)地面測(cè)量手段難以進(jìn)行地形圖測(cè)繪與更新的地區(qū)以及大型的庫(kù)區(qū)及周邊的地表變形監(jiān)測(cè)，INSAR技術(shù)也具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，INSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)空中對(duì)地面及地面多孔徑雷達(dá)的全新監(jiān)測(cè)方法，大大提高了地表形變監(jiān)測(cè)的可靠性。我國(guó)地域遼闊，一些地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，自然條件惡劣，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)難以進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)，利用INSAR技術(shù)可以對(duì)各種區(qū)域情況進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)，從而有效預(yù)測(cè)各種地質(zhì)災(zāi)害，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參 考 文 獻(xiàn)

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