焦明連

(淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港222005)

0 引 言

合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,簡稱InSAR)是根據(jù)復雷達圖象的相位差信息,利用傳感器高度、雷達波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關系,通過影像處理和幾何轉換來提取地面目標區(qū)地形的三維信息[1]。最大特點是主動式遙感,全天候成像,空間分辨率高,覆蓋范圍大。它固有的局限性在于對大氣參數(shù)的變化、衛(wèi)星軌道參數(shù)的誤差和地表覆蓋的變化非常敏感,給InSAR圖像的解譯帶來困難。GPS技術在地表形變監(jiān)測領域的應用日臻成熟,世界各國都投入大量經(jīng)費布設GPS監(jiān)測網(wǎng),對地表形變進行連續(xù)或定期觀測,其顯著特點是時間分辨率很高,采樣率可達20 Hz。但GPS定位為離散點定位,空間分辨率可達幾十或幾百公里[2],得不到連續(xù)的定位結果,為了提高監(jiān)測的空間分辨率,需要布設大量的GPS監(jiān)測點,高費用抑制了GPS對地表形變的監(jiān)測能力。兩種對地觀測技術信息獲取的側重點有所區(qū)別,并帶有一定的片面性。根據(jù)二者互補性的特點,將兩種技術進行組合應用,不但可以獲得更多的信息,提高信息的可靠性,而且信息融合過程會挖掘更多的信息,從而推動對地觀測技術向更深更廣的領域發(fā)展。目前,我國對GPS與InSAR集成技術的研究還處于起步階段,仍有許多問題需要探討。重點討論GPS與InSAR合成的技術途徑,并通過實例證明該方法切實可行并具有十分廣闊的應用前景。

1 GPS與InSAR合成的技術途徑

InSAR對于大氣傳播誤差、衛(wèi)星軌道誤差、空間基線去相關等誤差非常敏感[3],當這些誤差出現(xiàn)在InSAR中時,會嚴重影響InSAR的精度甚至會引起錯誤解譯。GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合既可以改正InSAR數(shù)據(jù)本身難以消除的誤差,又可以實現(xiàn)GPS技術高時間分辨率和高平面位置精度與InSAR技術高空間分辨率和高程變形精度的有效統(tǒng)一。

1.1 GPS對InSAR大氣誤差的校正

InSAR獲取地表形變信息是通過對 InSAR干涉圖進行差分處理得到的。只有SAR影像上兩個點之間和兩幅影像之間的相對大氣延遲才會使InSAR獲取的形變信息發(fā)生扭曲。同時,相位差以及地表形變總是相對于影像上面的某個固定點的,因此,站點之間和時域之間的雙差分算法可用于從GPS觀測值中獲取對InSAR的大氣延遲改正[4]。

1.1.1 單差分(Single-differences)

假定A點在SAR影像上是固定不動的,作為一個參考點。B是SAR影像上的另一個點,如果從GPS估計出的站點A和B在SAR影像j時的對流層延遲分別為和,則站點之間的延遲差為

用站點A作為參考點,利用式(1)可以計算其他GPS站點與A點之間的單差分延遲,這些單差分延遲經(jīng)過內(nèi)插可以生成一副與雷達的SLC數(shù)據(jù)相似的大氣層延遲改正影像。

1.1.2 雙差分(Double-differences)

假定有兩個站點A和B和兩個時間j(主SLC影像)和k(副SLC影像),由式(1)可以得到兩個單差分,通過對這兩個單差分進行差分可以得到一個雙差分

式(2)表明有兩種可能的方法進行雙差分:一是先進行站點間差分,然后進行時域間差分(BSBE);二是先進行時域間差分,然后進行站點間差分(BEBS)。一般人們更傾向于BSBE法,因為BS差分能內(nèi)插生成一副單差分延遲改正產(chǎn)品,該產(chǎn)品只與SLC影像有關,只要SLC影像形成In-SAR對,BS能自由地形成下一步的BE差分組合。

1.2 GPS對InSAR軌道誤差的校正

因為僅僅采用星載SAR數(shù)據(jù)本身提供的軌道參數(shù)進行定位,誤差可能達數(shù)公里,即使使用經(jīng)過精確校正的軌道參數(shù),精度往往也達不到應用的要求[5]。GPS技術在InSAR應用中直接的結合方式是對InSAR數(shù)據(jù)的處理結果進行精確的幾何定位或地理編碼。通常的步驟是事先設置角反射器,適當?shù)匕惭b角反射器(如圖1所示),當SAR成像時將會強烈反射發(fā)射器發(fā)射過來的電磁波,在影像中出現(xiàn)明顯的特征點。或者找到類似于角反射器的永久性散射體(permanent scatters,簡稱PS),PS是對電磁波具有強反射的地物,以人工地物居多,它們的幾何形狀和物理特性在很長的時間內(nèi)不會有明顯變化,如裸露的巖石、高樓、燈塔等。用GPS精確測定角反射器或永久性散射體的三維坐標。而且這些點目標在SAR影像中非常突出(如圖2所示),便于準確地確定其在影像坐標系統(tǒng)和地理坐標系統(tǒng)中的位置,這樣就可以準確地確定出這些點目標對應的幾何位置關系,作為控制資料精確校正由InSAR數(shù)據(jù)得到的DEM和變形分布圖,以消除大氣影響、軌道參數(shù)的不確定性和其它系統(tǒng)性的誤差[6]。

圖1 角反射器圖

圖2 角反射器在雷達圖像上的表現(xiàn)

1.3 GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合的方法

由上述可知,GPS和InSAR在空間域和時間域的分辨率具有很強的互補性,因此,將兩者結合,無疑具有更重要的意義。在城市,地面沉降變形主要是由于過量開采深層承壓水引起的,這種地面沉降變形范圍大、發(fā)展緩慢,在大部分情況下,每年的變形量在幾個厘米左右。由于這種變形緩慢,In-SAR的重復周期應該可以滿足城市地面沉降變形監(jiān)測對時間分辨率的要求,不必在時間域內(nèi)進行內(nèi)插,但是城市地面沉降范圍大,對空間分辨率要求較高。在礦區(qū),地下礦物開采引起的地面沉降變形的速度比城市的沉降變形要大的多,一個月左右的重復監(jiān)測周期可以滿足要求,為了求取移動參數(shù),在礦區(qū)地表移動的活躍階段需要縮短重復監(jiān)測周期,因此,InSAR數(shù)據(jù)在時間域內(nèi)可能需要進行內(nèi)插。而由于地震、滑坡等原因引起的地面變形,在短時間內(nèi),可能產(chǎn)生較大的變形,需要在時間域內(nèi)進行內(nèi)插,以掌握其動態(tài)的變形規(guī)律[7]。GPS和InSAR數(shù)據(jù)融合的方法為

1)由CGPS網(wǎng)導出大氣誤差改正,并利用GPS定位結果作為約束條件對InSAR軌道誤差進行修正。

2)用GPS改正后的InSAR數(shù)據(jù)作為地面沉降變形的空間分布模型,在空間域內(nèi)以網(wǎng)格為主要方式加密GPS結果,形成多個跨越 1個或幾個SAR衛(wèi)星重復周期的準GPS變形結果。

3)通過高時間頻率的GPS數(shù)據(jù)(其所采集的變形量和地面沉降量),在時間域內(nèi)對上述已加過密的格網(wǎng),再進行內(nèi)插和加密,從而將準GPS結果在時間域內(nèi)加密成準GPS時間序列。以上兩步實際上是在空間域及時間域內(nèi)的雙內(nèi)插過程[8]。

4)在上述雙內(nèi)插的基礎上,利用卡爾曼濾波(或其它方法)對所有格網(wǎng)點的GPS時間序列進行估計,最終得到全面的地面動態(tài)變形信息(地面水平變形和地面垂直變形)。

2 應用實例

如前所述,應用GPS-InSAR合成技術時,需要一定規(guī)模的地面CGPS網(wǎng)來支持InSAR對于大氣傳輸誤差、衛(wèi)星軌道誤差的各項改正,以應用雙插雙估計(DIDP)方法實現(xiàn)對GPS和InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)的加密[9],從而準動態(tài)地監(jiān)測地面沉降或地質學與地球物理學所研究的其他各類地球表面現(xiàn)象。迄今,國內(nèi)外許多國家如美國、日本、加拿大、中國、韓國、德國、俄羅斯以及馬來西亞都已經(jīng)建立或正在建立了規(guī)模不一的CGPS網(wǎng)。美國大地測量局在1999年底,已建立CGPS網(wǎng)點156個,該網(wǎng)絡系統(tǒng)除了為全美國的GPS用戶提供厘米級定位和導航之外,同時支持地表形變監(jiān)測、大氣水汽分布研究和衛(wèi)星遙感(包括雷達)應用等[10]。并早已提出了由于在時間和空間上大氣變化的不確定性,對雷達信號會造成不同的傳播延遲,從而會影響變形監(jiān)測的精度問題。為此,Galloway等人[11]用 GPSInSAR組合技術分析了美國某地區(qū)由于地下開采造成的地面沉降。其做法是,首先利用CGPS數(shù)據(jù)對InSAR數(shù)據(jù)進行大氣延遲誤差改正,減弱大氣延遲對InSAR的影響,再利用GPS定位結果對InSAR軌道誤差進行校正,將計算結果與GPS控制點測量結果進行對比分析,表明在ERS-1/2和JERS-1重復過境數(shù)據(jù)支持下,用GPS-InSAR組合技術能以毫米級的精度監(jiān)測地面沉降變化。GPS觀測值與GPS/InSAR計算值對比結果如表1所示。

表1 GPS觀測值與GPS/InSAR計算值對比表

3 結 論

分析和實例證明,GPS和InSAR技術具有很強的互補性,一方面GPS為解決InSAR對于大氣參數(shù)的變化敏感和軌道誤差校正提供了途徑,另一方面,可以利用InSAR技術提高GPS的空間分辨率,并能以毫米級的精度監(jiān)測地表形變。因此,利用GPS-InSAR集成技術將突破單一技術的應用局限,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,極大地改善空間域和時間域的分辯能力,更好地為地表形變監(jiān)測提供服務。由于開展GPS-InSAR集成研究是一種新嘗試,在技術層面還存在相位解纏算法、區(qū)域水汽模型和大氣層延遲誤差改正模型、時間域和空間域的融合模型和算法等諸多問題[12],但隨著CGPS的逐步完善、SAR分辨率和衛(wèi)星軌道參數(shù)精度的提高,以及更高精度的數(shù)據(jù)模型的采用等,GPS-InSAR集成技術在大范圍地表形變監(jiān)測方面的優(yōu)勢將會得到更好的發(fā)揮。

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