常 亮

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院測(cè)繪科學(xué)與工程系,南京,210098

InSAR技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的極具應(yīng)用價(jià)值的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù),具有監(jiān)測(cè)精度高、范圍大、成本低、空間連續(xù)覆蓋等優(yōu)點(diǎn),為滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供了一種新型的監(jiān)測(cè)方法。由于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在暴雨頻發(fā)、地質(zhì)地貌復(fù)雜的區(qū)域,特殊的地理位置與氣候使得InSAR技術(shù)應(yīng)用中受大氣延遲的影響非常嚴(yán)重,導(dǎo)致InSAR圖像錯(cuò)誤解釋。利用GPS進(jìn)行InSAR大氣延遲改正是最有效的方法之一。但由于 GPS測(cè)站空間分辨率低以及 GPS測(cè)站附近的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失等問題,降低了GPS改正InSAR大氣延遲的精度。美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合推出的全球再分析資料包含了豐富的氣象觀測(cè)資料,可用來精確估計(jì)氣象參數(shù)并提高大氣延遲分布圖的精度。

針對(duì)GPS改正InSAR大氣延遲現(xiàn)存的問題,綜合利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和NCEP再分析資料,研究InSAR大氣延遲改正新方法,以促進(jìn)InSAR理論及方法的發(fā)展,為滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和防治提供可靠依據(jù)。主要取得以下成果:

(1)針對(duì) GPS測(cè)站附近氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失時(shí)大氣延遲估計(jì)精度差的問題,提出利用NCEP再分析資料估計(jì)氣象參數(shù)及大氣延遲的方法。通過對(duì)再分析資料進(jìn)行水平、垂直和時(shí)間插值,估計(jì) GPS測(cè)站附近的溫度、壓強(qiáng)及地表加權(quán)平均溫度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失時(shí)大氣濕延遲及大氣可降水量(PWV)的精確估計(jì)。選取2007年上海地區(qū)的9個(gè) GPS測(cè)站及附近的探空觀測(cè)資料,對(duì)NCEP再分析資料估計(jì)得到的氣象參數(shù)和PWV進(jìn)行精度分析與評(píng)定。結(jié)果表明,提出方法估計(jì)的地表溫度、壓強(qiáng)與實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差和均方根分別為1.6 K, 2.5 K和0.9 hPa,0.9 hPa;基于再分析資料估計(jì)的 PWV與有氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)探測(cè)的PWV的標(biāo)準(zhǔn)差和均方根分別為0.5 mm,1.1 mm。因此,提出方法可用于GPS測(cè)站附近的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失時(shí)大氣濕延遲及PWV的精確估計(jì)。

(2)針對(duì)地面GPS網(wǎng)絡(luò)的低空間分辨率給InSAR大氣延遲改正帶來的不利影響,提出融合 GPS和NCEP FNL(final)進(jìn)行大氣延遲改正的方法。將NCEP FNL得到的平均風(fēng)速用于“凝固流”假設(shè)理論,獲得了“擴(kuò)展”的濕延遲控制點(diǎn),從而提高了濕延遲分布圖的精度。選取Envisat ASAR影像及同步的 GPS測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)研究與方法驗(yàn)證。研究結(jié)果表明,與僅利用 GPS觀測(cè)進(jìn)行InSAR大氣改正的效果不明顯相比,提出方法將殘余大氣相位的RMS減少了18.5%,可有效減少InSAR干涉圖中的殘余大氣相位。

(3)在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的山區(qū),GPS設(shè)備架設(shè)比平原地區(qū)更加困難,使得GPS空間分辨率低的問題進(jìn)一步突出,針對(duì)這一問題,提出融合地基GPS和空基COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)的 InSAR大氣延遲改正方法。綜合利用地基GPS網(wǎng)絡(luò)和空基掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性,提高濕延遲控制點(diǎn)的空間分辨率,獲得了高精度的濕延遲分布圖。研究結(jié)果表明,與僅利用地基 GPS進(jìn)行大氣延遲估計(jì)相比,引入COSMIC掩星觀測(cè)后得到的PWV與探空PWV更為接近,相關(guān)系數(shù)由0.42增加為0.67, RMS由4.44 mm減小為3.58 mm。因此,融合 GPS和COSMIC掩星觀測(cè)可有效地提高大氣延遲估計(jì)精度,在GPS測(cè)站建站困難的區(qū)域開展 InSAR大氣延遲改正時(shí),該方法具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。