王晨興， 谷天峰， 孔嘉旭， 封凱強

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動力學(xué)國家重點實驗室， 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)象破壞人類的生存環(huán)境，對人類的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大威脅，成為制約沉降區(qū)域經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要因素。GPS測量、水準測量技術(shù)等傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測方法[1-3]具有周期長、成本高、效率低等缺點，難以滿足高密度、大面積、長時間的沉降觀測需要。

20世紀70年代發(fā)展起來的合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(InSAR)作為對地觀測的一種，能夠精確測量地表目標的位置信息及雷達視線向上的微小變形[4-8]，能夠以固定周期對地表進行大面積的穩(wěn)定觀測。隨之發(fā)展而來的合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)可以通過兩次重復(fù)觀測的合成孔徑雷達(SAR)影像進行差分、濾波及相位解纏處理，得到地表形變信息，其精度可以達到厘米級，但該技術(shù)無法有效消除時空失相關(guān)、DEM誤差以及大氣延遲效應(yīng)等的影響。因此多時相合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(multi-temporal InSAR，MT-InSAR)應(yīng)運而生，它包括永久散射體干涉測量(PSI)、小基線集(SBAS)、干涉點目標分析(IPTA)以及相干點提取(CPT)等[9-15]，不僅克服了常規(guī)D-InSAR監(jiān)測地表形變的時空失相關(guān)和大氣延遲的限制，而且提高了探測的精度和可靠性。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[19]及工程活動形變監(jiān)測[20]等領(lǐng)域。然而，在地面變形估計中SAR衛(wèi)星的極軌和側(cè)成像模式[21]以及參考點相對變形[22]問題限制了InSAR的應(yīng)用。

本文介紹了傳統(tǒng)InSAR技術(shù)并針對多維地表變形觀測中SAR衛(wèi)星的極軌和側(cè)成像模式以及參考點相對變形估測所產(chǎn)生的問題，對近年來提出的基于InSAR技術(shù)的二維和三維地表沉降獲取的有效方法進行了綜述，并對該技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

1 InSAR觀測技術(shù)

1.1 雷達干涉測量原理

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)是合成孔徑雷達技術(shù)和干涉測量技術(shù)的集合體。合成孔徑雷達屬于微波遙感，可以記錄地物的散射強度信息和相位信息。其基本原理是利用同一地區(qū)兩次或多次的SAR影像通過復(fù)共軛相乘提取目標的地形或形變信息。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]見表1。

表1 1995年以來主要SAR衛(wèi)星參數(shù)

1.3 傳統(tǒng)InSAR觀測的局限性

在InSAR地面變形估計中存在兩個問題：第一，由于當前SAR衛(wèi)星的極軌和側(cè)成像模式使其僅在沿視線(LOS)方向的觀測對地表的形變較為敏感[21]；第二，由于通過相位展開操作，從相鄰像素之間的干涉相位差異中重新建立了形變測量，在參考點的相對地面變形只能由InSAR來實現(xiàn)[22]。

1.4 多維地表形變觀測原理

傳統(tǒng)InSAR技術(shù)只能有效解決沿視線方向的一維(1D)形變問題，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一個傳統(tǒng)InSAR的干涉對或偏移量追蹤技術(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，至少需要兩個不同成像幾何體的干涉對，offset-tracking技術(shù)或MAI技術(shù)結(jié)合交叉軌道(升軌和降軌)觀測可以有效獲取三維形變信息，是一個很好的選擇。

2 針對InSAR觀測局限性的多維地表形變獲取

2.1 InSAR觀測視線向模糊問題的處理

針對該問題一般采用偏移量追蹤(offset-tracking)技術(shù)和多孔徑InSAR方位測量技術(shù)，此外，由一定密度的GPS站點所提供的三維測量數(shù)據(jù)可輔助測量空間連續(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在沿視線方向觀測的局限性，Michel等[24]提出利用兩景ERS-1 SAR影像配準后的偏移量來估計美國1992發(fā)生的Landers地震引起的二維同震位移場，成功得到了滿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到約13 cm和26 cm。

雖然偏移量追蹤技術(shù)在沿視線方向所得結(jié)果的精度不如傳統(tǒng)InSAR，但是它很好地測量了方位向(幾乎平行于南北向)的偏移量，同時解決了相位失相關(guān)問題，這對于解決地震、火山爆發(fā)和冰川運動等問題都是極為關(guān)鍵的。Sarti等[26]應(yīng)用offset-tracking技術(shù)得到2003年伊朗Bam地震的近場同震位移場，結(jié)果表明二維位移場比一維LOS位移場更有助于研究地球物理模型。值得注意的是，通過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)點得到，空間分辨率較低。如果集成外部信息(如光學(xué)圖像)來優(yōu)化網(wǎng)格，可以進一步提高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，用來解決礦區(qū)地表二維形變問題。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MAI影像，它揭示了方位向的地表變形(大致北-南)。對于來自平地效應(yīng)和地面高度的相位誤差，Jung等[28]通過校正MAI干涉圖優(yōu)化了MAI技術(shù)，并且為了提高連貫性和計算效率他提出了一種改進的MAI處理過程。改進后的MAI處理過程包括以下三個步驟：(1)SAR原始數(shù)據(jù)通過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)的垂直基準線生成前、后視差分干涉圖；(3)前視與后視差分干涉圖通過共軛相乘生成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2003年伊朗Bam地震進行試驗，結(jié)果表明其形變的精度和計算效率均優(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)，對于近場的同震形變信息獲取及流速較快的位移估計并不適用[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算效率方面都更勝一籌[27，30]。

2.1.3 結(jié)合GPS觀測技術(shù)

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

融合InSAR和GPS觀測技術(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)三維形變速率場問題。但這個研究中所用到的全局優(yōu)化技術(shù)(即模擬退火法)運算上較為密集，收斂速度緩慢，耗時太長。因此，有人提出了一種改進的方法——分析優(yōu)化法，這種方法在貝葉斯統(tǒng)計框架內(nèi)并以吉布斯-馬爾可夫隨機域的等價性為基礎(chǔ)，Samsonov等[34]成功的將這個方法應(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觀測技術(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 先驗信息輔助技術(shù)

除了融合GPS觀測技術(shù)，推測全三維地表位移場至少需要三個獨立的InSAR觀測結(jié)果，實際情況往往很難滿足這樣的條件。但在一些特定的應(yīng)用中(冰川運動[36-37]、滑坡監(jiān)測等)，可以利用地面形變或位移特征這樣的先驗信息來簡化地表三維形變信息的求解過程。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，并結(jié)合ERS-1/2升降串聯(lián)對的D-InSAR LOS向觀測數(shù)據(jù)估算格陵蘭島Ryder冰川的三維速度場。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)星在近極地軌道運行，南北向的地表位移在非極性區(qū)域?qū)走_側(cè)成像模式獲取的視線方向形變貢獻較小。對于地面沉降、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)地面運動的方向與南北向關(guān)系很小，則可以忽略南北向的變形。此時只需要兩組不同視角的LOS觀測數(shù)據(jù)即可得到垂直向和東西向的變形結(jié)果[40]。

2.2 相對地面變形參照系問題的處理

對于相對地表形變問題還未引起人們的廣泛關(guān)注。通常情況下，相對變形可以通過地面控制點進行校準(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]。在地面無控制點的情況下，通常假設(shè)相對穩(wěn)定的區(qū)域作為參考區(qū)[22]，此外，十字線干涉測量法也是一種有效的二維地表形變測量法。

2.2.1 相對穩(wěn)定區(qū)域參照法

相對穩(wěn)定區(qū)域參照法主要應(yīng)用于地面沒有控制點的時候，通常假設(shè)一個相對穩(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)的實際地面變形一般將遠場區(qū)假定為參考區(qū)[42-45]。這種方法得到的觀測數(shù)據(jù)更加可靠，但不適用于大規(guī)模地面變形的監(jiān)測，因為這超過了單幀SAR影像的覆蓋范圍。

2.2.2 十字線干涉測量法

十字線干涉測量法的核心思想是將InSAR沿視線方向的升軌和降軌觀測數(shù)據(jù)通過最小二乘法分別得到相對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，重估東向的相對形變。然后將小于閾值的東向變形數(shù)據(jù)點利用最小二乘法平差，得到校準的升軌和降軌觀測數(shù)據(jù)偏移量，進而獲取視線方向的實際形變。最后再次利用最小二乘法得到垂直方向和東向的實際變形結(jié)果。Yu等[46]針對中國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)的實際二維地面變形速度。

與相對穩(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量過程中參照區(qū)超出單幀SAR影像范圍的問題，主要應(yīng)用于與地下活動(如地下水、地下采礦、石油/天然氣開采)相關(guān)的長期變形監(jiān)測。

3 當前面臨的挑戰(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題和相對形變測量問題，但各種技術(shù)本身的局限性、數(shù)據(jù)間的差異性以及觀測條件等仍對InSAR技術(shù)的應(yīng)用及拓展帶來巨大挑戰(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)測技術(shù)，但是限于布設(shè)密度只能獲得稀疏的布設(shè)點所在位置的測量結(jié)果，因此對于大部分沒有布設(shè)足夠多GPS的區(qū)域，仍無法得到足夠的高精度三維變形觀測結(jié)果。

不同SAR衛(wèi)星具有不同的軌道、運行周期及參數(shù)，使得進行模型解算時產(chǎn)生秩虧現(xiàn)象，當運用輔助條件進行約束時，又會影響形變估算精度，動態(tài)平差方法(如卡爾曼濾波)是解決該問題的一種新思路。

InSAR三維變形估計的精度取決于LOS向和方位測量的精度，然而，這些精度總是受到大氣偽影的限制。大氣偽影由于對流層或電離層引起了相位延遲或提前。對流層偽影可以進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 更加精細的多維位移測量

以前的研究中大多是利用中分辨率SAR影響來估計多維地表位移，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，對于X波段，TerraSAR-X和COSMO-SkyMed衛(wèi)星提供的SAR數(shù)據(jù)，由于波長較短，空間分辨率高達1 m，有利于監(jiān)測微小的地表變形。

4.2 多維時間序列位移測量

當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期位移的平均三維速度上。因此，在未來的研究中，需要更多地關(guān)注多維位移時間序列的估計。

5 總 結(jié)

本文針對多維地表變形觀測遇到的一些問題介紹幾種有效的解決方法。offset-tracking技術(shù)可以有效測量方位向(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算效率方面都更勝一籌，當這些技術(shù)結(jié)合GPS和先驗信息會大大提高觀測的精確性以及可靠性。相對變形的觀測可以通過假設(shè)相對穩(wěn)定的區(qū)域或者優(yōu)化干涉測量方法進行處理。當然，這些方法各有利弊，暫時還沒有綜合統(tǒng)一的多維變形處理方式，只能針對具體問題選用合適的處理方法。

相信隨著社會的進步以及技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來會發(fā)展出更高效、更精確的基于InSAR技術(shù)的地表多維變形觀測處理技術(shù)，而在此基礎(chǔ)上進行三維位移的預(yù)估也將成為研究的熱點，進一步推動該領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用。