李 真 實(shí)

(同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

1 概述

我國(guó)約22%的國(guó)土面積含有多年凍土，主要分布在青藏高原和東北地區(qū)。其中，青藏高原是世界上海拔最高、面積最大的多年凍土區(qū)。溫度處于0 ℃以下達(dá)兩年以上者，稱之為多年凍土。廣義上的多年凍土層可進(jìn)一步劃分為靠近地表的活動(dòng)層(Active Layer，ALT)和其下的永凍層，如圖1所示。其中，活動(dòng)層對(duì)溫度十分敏感，表現(xiàn)為其中冰和水隨季節(jié)溫度變化而相互轉(zhuǎn)化：氣溫較高的夏季，活動(dòng)層中的冰融化成水，體積減少，地表下沉；寒冷的冬季時(shí)，水凝固成冰，體積增加，地表抬升。凍土的季節(jié)性周期形變較為劇烈，形變幅度可達(dá)20 mm～30 mm，循環(huán)往復(fù)的凍脹與融沉現(xiàn)象反映在地表，對(duì)建筑、路橋等設(shè)施造成了潛在的隱患。氣候變暖的條件下，凍土呈現(xiàn)出退化的趨勢(shì)，表現(xiàn)為其下的永凍層轉(zhuǎn)化為活動(dòng)層，活動(dòng)層厚度增加，地表沉陷。

高寒地區(qū)的建筑設(shè)施須考慮凍土的影響，尤其是活動(dòng)層的季節(jié)變化導(dǎo)致的地表運(yùn)動(dòng)。形成高質(zhì)量、高分辨率的凍土分布、分類圖，對(duì)基建而言是至關(guān)重要的。同時(shí)，凍土中儲(chǔ)存有大量的碳，氣候變暖使得凍土退化，其中大量的碳將被排放到大氣中，進(jìn)而加劇氣候變化，形成惡性循環(huán)。凍土監(jiān)測(cè)與研究，無論對(duì)生態(tài)環(huán)境還是生產(chǎn)建設(shè)，都具有相當(dāng)?shù)难芯績(jī)r(jià)值。

凍土研究主要以成圖為目的，旨在獲取高質(zhì)量的凍土地圖，揭示凍土成分、深度、類型的時(shí)空分布規(guī)律，為生態(tài)、基建等領(lǐng)域提供參考。對(duì)凍土區(qū)傳統(tǒng)的野外勘探效率低，且高寒地帶的惡劣環(huán)境也帶來了極大的人身風(fēng)險(xiǎn)；后來，光學(xué)遙感等方式開始應(yīng)用于凍土探測(cè)，通過獲取的土壤參數(shù)，使用數(shù)學(xué)模型對(duì)活動(dòng)層厚度進(jìn)行反演；青藏高原多年凍土模型不斷完善，其輸入的參數(shù)不斷改進(jìn)。為了進(jìn)一步完善現(xiàn)有模型，InSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐漸得到普及，越來越受到模型研究者的重視。

2 InSAR技術(shù)概況

合成孔徑雷達(dá)(SAR)干涉測(cè)量技術(shù)，是20世紀(jì)70年代左右興起的一門微波遙感技術(shù)。起初它被應(yīng)用于天體表面的觀測(cè)，而后被引入地表變形監(jiān)測(cè)并得以推廣，精度可達(dá)毫米級(jí)。SAR發(fā)射電磁波，能夠穿透一定厚度的物體，根據(jù)其波長(zhǎng)不同，其波段可分為X，C，L，P波段，穿透力由弱到強(qiáng)。如C波段可穿透稀疏低矮的草地，L波段則可穿透茂盛的叢林。最先出現(xiàn)的差分干涉(D-InSAR)技術(shù)多用于兩個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)之間地表形變的獲取，但無法獲取一系列時(shí)間點(diǎn)的連續(xù)形變序列，從而難以揭示或分析地表形變隨時(shí)間變化的規(guī)律。其次，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量受到干涉對(duì)的時(shí)空基線制約，例如兩幅SAR影像的時(shí)間基線過長(zhǎng)，可能就會(huì)遭遇隨時(shí)間推移地表變化太大而導(dǎo)致的時(shí)間失相干；而空間基線越長(zhǎng)，則干涉對(duì)組合對(duì)地形變化就越敏感，過長(zhǎng)的空間基線可能帶來較強(qiáng)的噪聲影響，給地表變形監(jiān)測(cè)帶來不便；SAR傳感器發(fā)射電磁波，雖然不受晝夜制約，但是無法避開大氣影響，如何除去大氣相位始終是InSAR技術(shù)不斷完善的難題。為了克服這些困難，很多學(xué)者在D-InSAR的基礎(chǔ)之上提出了新的方法，對(duì)地表形變進(jìn)行時(shí)序分析。

1999年，Usai等人為解決多主影像的歸算問題，提出了一種利用最小二乘方法由多個(gè)不同主影像的干涉對(duì)中求解單時(shí)段形變序列的方法，這一方法在2002年被Beradino等人加以改進(jìn)和完善，形成了現(xiàn)在被廣泛使用的小基線集法(Small Baseline Subsets，SBAS)并處理了時(shí)間跨度8年的SAR數(shù)據(jù)，結(jié)果與GPS測(cè)量值相符，證明了該方法的可靠性。2000年，F(xiàn)erretti等人提出了基于后向散射系數(shù)的時(shí)序分析方法，即PS-InSAR，該方法選取地表散射系數(shù)穩(wěn)定的地物點(diǎn)，比如人工建筑、裸巖等，對(duì)這些點(diǎn)的相位變化做單主影像的時(shí)序分析，以獲取時(shí)間序列。PS方法于2007年前后，由Hooper等人改進(jìn)為StaMPS方法，并應(yīng)用于火山監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)時(shí)間序列InSAR相較于D-InSAR的優(yōu)勢(shì)，一方面在于時(shí)間的連續(xù)，另一方面也在于對(duì)大氣相位的濾除。一般的，認(rèn)為大氣相位是空間連續(xù)的，其時(shí)間相關(guān)性則很低，利用這樣的特征，時(shí)序InSAR可通過空間濾波、相位回歸分析等方式估計(jì)大氣的影響，并將其從干涉對(duì)中去除。此外，對(duì)于大氣延遲模型的研究，也產(chǎn)生了GACOS這樣的大氣相位產(chǎn)品，可具體到每一天的小時(shí)，這也為去大氣提供了新的參考方法。

3 數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)

小基線集(SBAS)和永久散射體(PS)是長(zhǎng)時(shí)間序列InSAR處理中最常見的兩個(gè)手段。其中，PS方法基于對(duì)永久散射點(diǎn)的選擇，它選取那些后向散射系數(shù)穩(wěn)定的點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析和處理，因此較為依賴地物的穩(wěn)定性，更多的用于城市區(qū)域；SBAS方法基于像元的相干性，選取高相干的干涉對(duì)并盡可能約束基線質(zhì)量，進(jìn)而獲取可靠的形變時(shí)序。自然地表受環(huán)境影響大，且在青藏高原等高寒地帶，冰川運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)積累、風(fēng)蝕水蝕等現(xiàn)象廣泛存在，地表變化大，單主影像的PS方法容易受失相干影響，導(dǎo)致PS點(diǎn)過于稀疏。因此自然地表下，一般選擇SBAS方法較為可靠。

選取青藏高原五道梁地區(qū)2006年10月～2009年8月的22個(gè)ENVISAT ASAR單視復(fù)數(shù)影像(Single Look Complex, SLC)組成94個(gè)干涉對(duì)，其中最長(zhǎng)垂直基線為1 000 m，最長(zhǎng)時(shí)間基線為420 d。在組建基線網(wǎng)時(shí)，可以在SBAS的基礎(chǔ)上增加一些間隔約一年的干涉對(duì)。由于多年凍土的周期性變化，這些干涉對(duì)往往具有較好的相干性，有利于增加基線網(wǎng)的復(fù)雜度，進(jìn)而提高解算質(zhì)量。完成相位解纏后，用線性模型估計(jì)高程誤差，剔除地形殘留嚴(yán)重及解纏錯(cuò)誤者。之后用時(shí)空濾波模擬大氣延遲，將其從展開相位中去除。在地圖幾何中，分辨率約為30 m。SBAS方法采用多參主影像的干涉對(duì)組合，因此不同的子集合之間至少要有1個(gè)干涉對(duì)使其首尾相連，才能完成最終歸算，得到單主影像的時(shí)間序列。在去除其他殘差后，利用奇異值分解(SVD)將所有干涉圖計(jì)算成一個(gè)參考時(shí)間序列，然后轉(zhuǎn)化為垂直形變。

4 結(jié)果與討論

雖然夏季數(shù)據(jù)大多無法獲取，但SBAS結(jié)果仍然顯示了該地區(qū)多年凍土的季節(jié)性形變，圖2顯示了該地區(qū)2006年10月31日～2009年8月11日的地表形變時(shí)序，所有形變均被歸算到以2006-10-31為參考，湖泊等相干性較低的區(qū)域被剔除。地表整體趨勢(shì)為冬季抬升，夏季沉降，符合凍土的周期性變化。典型點(diǎn)的形變?nèi)鐖D3，圖4所示，星號(hào)標(biāo)記為InSAR原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，曲線為擬合結(jié)果，可看到明顯的周期變化。該區(qū)域內(nèi)，山體上的形變往往較小，形變規(guī)律性較弱，并不像平坦地區(qū)那樣平滑。雖然許多采樣點(diǎn)也有季節(jié)性變化，但即使最高振幅也很少達(dá)到10 mm/y，可能是由于山區(qū)的地形和氣候不利于保水。此外，雪的融化和冰川的移動(dòng)可能會(huì)將物質(zhì)從山上帶到地面，造成大量堆積，這些物質(zhì)很可能會(huì)沿著山脈形成隆起帶，在結(jié)果中，形變大的地區(qū)往往在平坦區(qū)域，或沿著山腳分布。另一方面，沿水體的形變也更加劇烈，這可能與土壤含水量有關(guān)，凍土活動(dòng)層的季節(jié)變化幅度，主要取決于其含水(冰)量的多少，含水量越高，其年際變化的潛質(zhì)越大，年際變化幅度越大。在研究區(qū)內(nèi)，形變較大的區(qū)域也容易出現(xiàn)在水系發(fā)達(dá)的地帶，這些地帶內(nèi)部經(jīng)常分布有零星的小湖或蜿蜒的河流。形變大的區(qū)域，其形變周期相對(duì)穩(wěn)定，具有明顯的周期性和規(guī)律性，振幅較大，可達(dá)30 mm/y，這與人們對(duì)青藏高原多年凍土形變范圍(一般為10 mm～30 mm)的認(rèn)識(shí)是一致的。同時(shí)，山腳下的形變除了凍土固有的周期變化外，還經(jīng)常伴有線性的抬升趨勢(shì)，青藏高原海拔高、氣候寒冷，且有冰川分布，山上積雪與冰川運(yùn)動(dòng)的過程中，往往會(huì)造成物質(zhì)遷移，進(jìn)而在山腳下形成堆積。圖4這樣伴有沉降趨勢(shì)的周期變化，可能與凍土退化有關(guān)。在形變特征上，形變的峰值出現(xiàn)在4月左右，低谷出現(xiàn)在9月前后，這與凍土形變滯后的特征相符，多年凍土活動(dòng)層的年變化過程，可劃分為夏季融化過程、秋季凍結(jié)過程、冬季降溫過程和春季升溫過程，共4個(gè)階段，因此其形變的最值點(diǎn)，將滯后于氣溫1個(gè)～2個(gè)月。結(jié)果表明，SBAS方法在該區(qū)域取得了良好的結(jié)果，揭示了該地區(qū)地表隨季節(jié)的周期性變形。

5 總結(jié)與討論

冰凍圈是全球氣候變化研究中的重點(diǎn)之一，相較于其他圈層，目前冰凍圈的關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)十分稀少。凍土作為冰凍圈的重要成分，其所處的地帶往往難以開展大范圍的實(shí)地勘測(cè)，從而使得研究者們將方向由實(shí)地調(diào)查轉(zhuǎn)向模型反演，試圖以遙感手段為基礎(chǔ)，建立觀測(cè)值與冰凍圈關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系。近年來，衛(wèi)星遙感的發(fā)展為冰凍圈關(guān)鍵參數(shù)反演提供了有力的支撐，長(zhǎng)時(shí)間序列InSAR技術(shù)的成熟，高時(shí)空分辨率的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的積累，使得InSAR技術(shù)成為凍土研究的一個(gè)熱點(diǎn)。青藏高原是我國(guó)最大的凍土區(qū)，隨著全球氣候變暖的影響，凍土作為冰凍圈的一部分備受關(guān)注。往年的凍土分布圖限于技術(shù)水平導(dǎo)致分辨率較低或覆蓋不足，如今隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，以及凍土模型的完善，高質(zhì)量?jī)鐾恋貓D的獲取成為可能。