何 敏，顧利紅，何秀鳳

（1.河海大學(xué) 衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所，江蘇 南京210098）

濕地覆蓋地球表面僅有6%，卻為地球上20%的物種提供了生存環(huán)境，且在抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、改善氣候、控制污染、美化環(huán)境和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等方面有其他系統(tǒng)所不能替代的作用，被譽(yù)為“地球之腎”。近年來(lái)，由于農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)、礦產(chǎn)開(kāi)采、城市發(fā)展以及其他人為因素的影響，濕地面積和質(zhì)量不斷下降，導(dǎo)致濕地生態(tài)功能日趨下降及濕地資源嚴(yán)重破壞，濕地研究已成為新的熱點(diǎn)[1-4]。反映濕地儲(chǔ)水能力的水位變化，是控制濕地進(jìn)化的一個(gè)重要參數(shù)。傳統(tǒng)的濕地水位變化監(jiān)測(cè)，如實(shí)地水文觀測(cè)，存在許多不足：①采樣點(diǎn)較少，只能獲得有限點(diǎn)的資料，無(wú)法獲得大范圍觀測(cè)信息，同時(shí)很難保證采樣點(diǎn)具有代表性；②觀測(cè)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)成本高；③對(duì)于測(cè)量人員不易到達(dá)的區(qū)域，也難以取得資料。因此需要探求新的濕地水位變化監(jiān)測(cè)方法，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間、時(shí)間分辨率，降低監(jiān)測(cè)成本。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)InSAR是正在發(fā)展中的極具潛力的微波遙感新技術(shù)，也是一種獨(dú)特的基于面觀測(cè)的空間大地測(cè)量新技術(shù)，是對(duì)地觀測(cè)中最重要的前沿領(lǐng)域之一[5-7]。目前，InSAR技術(shù)主要用于地震形變、火山運(yùn)動(dòng)、冰川漂移、城市沉降、山體滑坡等方面的研究，開(kāi)發(fā)InSAR技術(shù)新的應(yīng)用潛力是InSAR技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的觀念里面，普遍認(rèn)為InSAR技術(shù)不能監(jiān)測(cè)植被覆蓋的濕地地區(qū)的地表變化。然而，2000年Alsdorf等[8]在《Nature》上發(fā)表了利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)亞馬遜河漫灘濕地的水位變化的研究成果，打破了人們的這種認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)了InSAR技術(shù)新的應(yīng)用領(lǐng)域[9-15]，且為濕地監(jiān)測(cè)提供了新手段。國(guó)外已迅速地展開(kāi)了對(duì)InSAR的濕地監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在還沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表InSAR技術(shù)在濕地監(jiān)測(cè)方面研究的文獻(xiàn)。

本文首先介紹InSAR技術(shù)濕地水位監(jiān)測(cè)原理，并分析影響InSAR濕地監(jiān)測(cè)結(jié)果精度的因素，然后以江蘇鹽城射陽(yáng)縣的濕地為實(shí)驗(yàn)區(qū)，研究InSAR監(jiān)測(cè)濕地水位變化的可行性，并提供初步研究結(jié)果。

1 InSAR水位變化監(jiān)測(cè)

雷達(dá)波與水面的相互作用較簡(jiǎn)單[16]。雷達(dá)波作用在平靜的水面上，形成鏡面反射，只有極少一部分雷達(dá)信號(hào)返回到SAR傳感器，當(dāng)水面因受到風(fēng)、船只等因素影響時(shí)，水面變粗糙，雷達(dá)波和水面形成漫反射，部分雷達(dá)信號(hào)將返回到SAR傳感器。在不同時(shí)刻接收到的由水面返回的雷達(dá)信號(hào)是不相干的，因此，在傳統(tǒng)的觀念里認(rèn)為InSAR技術(shù)不能監(jiān)測(cè)水位的變化。

雷達(dá)波與濕地的相互作用十分復(fù)雜[17]。在被水淹沒(méi)的植被區(qū)，SAR傳感器接收到的后向散射信號(hào)包括雷達(dá)波與樹(shù)冠表面、植被莖、水面形成的反射信號(hào)?；谶B續(xù)樹(shù)冠后向散射模型[18]，濕地的總后向散射信號(hào)主要包括：①樹(shù)冠后向散射信號(hào)；②樹(shù)冠體散射信號(hào)；③水表面和植被莖形成兩次角反射信號(hào)。當(dāng)兩次角反射為主要的雷達(dá)散射信號(hào)時(shí)，就可以利用重復(fù)軌道InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)濕地的水位變化，其原理如圖1所示。水位變化與干涉相位之間的關(guān)系為：

式中，z為干涉相位；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；θ為入射角；n為噪聲。

InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)濕地結(jié)果的精度與雷達(dá)波長(zhǎng)、濕地類(lèi)型、濕地植被覆蓋密度等因素有關(guān)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)植被的穿透能力就越強(qiáng)，雷達(dá)波多次被折射，就有更多的反射信號(hào)返回到SAR傳感器，如圖2所示。因此，在理論上，長(zhǎng)波長(zhǎng)的SAR圖像更適合濕地監(jiān)測(cè)。

圖1 InSAR濕地監(jiān)測(cè)原理

圖2 植被對(duì)不同波長(zhǎng)雷達(dá)波的反射

不同濕地類(lèi)型，InSAR應(yīng)用的效果是不一樣的。比如說(shuō)，木本濕地返回SAR傳感器的總信號(hào)主要是樹(shù)冠后向散射信號(hào)、樹(shù)冠體散射信號(hào)、水表面和植被莖形成兩次角反射信號(hào)；而草本濕地返回SAR傳感器的總信號(hào)主要是體散射信號(hào)以及少量水表面和植被莖形成兩次角反射信號(hào)，在干涉測(cè)量中有用的信號(hào)是水表面和植被莖形成兩次角反射信號(hào)，由于草本濕地植被莖的時(shí)間可變性較木本濕地大，草本濕地的水表面和植被莖形成兩次角反射信號(hào)較不穩(wěn)定，因此，草本濕地InSAR監(jiān)測(cè)的效果不如木本濕地好。此外，濕地植被覆蓋的密度對(duì)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果也有影響。據(jù)Alsdorf等研究[9]，為了確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，每25 m×25 m的SAR圖像像元內(nèi)需要有1～2棵的植被存在。

2 數(shù)據(jù)處理

選擇由衛(wèi)星Envisat分別于2003-12-13和2004-01-17獲取的2幅江蘇鹽城地區(qū)SAR圖像作為源數(shù)據(jù)，利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)水位變化。2幅SAR圖像在斜距和方位向的分辨率分別為7.9 m和4.0 m，空間垂直基線(xiàn)和水平基線(xiàn)分別為83.8 m和42.9 m，截取有濕地分布的射陽(yáng)縣衛(wèi)星農(nóng)業(yè)隊(duì)周邊區(qū)域進(jìn)行分析，覆蓋范圍為13.5 km×8.7 km，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)Landsat圖像和SAR圖像

2幅SAR圖像進(jìn)行干涉處理后，獲得的干涉相位包括參考面相位、地形相位、大氣延遲相位、水位變化相位以及噪聲相位。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，忽略大氣延遲相位和噪聲相位對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。采用歐空局公布的精密軌道數(shù)據(jù)，并根據(jù)成像幾何，反演并去除參考面相位，如圖4所示。由圖4可以看出，在距離向和方位向都不存在趨勢(shì)性周期變化條紋，說(shuō)明參考面相位的去除達(dá)到了數(shù)據(jù)處理精度的要求。

現(xiàn)有公開(kāi)發(fā)布的DEM有GTOPO30和SRTM。GTOPO30空間分辨率為30"×30"，高程精度小于30 m，利用GTOPO30反演并去除地形相位不能滿(mǎn)足水位監(jiān)測(cè)精度的要求。SRTM DEM的空間分辨率為3"×3"，在平原地區(qū)高程精度優(yōu)于5 m，利用SRTM DEM反演并去除地形相位能滿(mǎn)足水位監(jiān)測(cè)精度的要求。然而，在我們選擇的濕地覆蓋區(qū)，SRTM DEM沒(méi)有數(shù)據(jù)，因此不能利用SRTM DEM來(lái)去除地形相位。本文采用多項(xiàng)式擬合曲面來(lái)去除地形相位。多項(xiàng)式階數(shù)的選擇是擬合曲面的關(guān)鍵。根據(jù)參考文獻(xiàn) [10]的研究，在地形較平坦的區(qū)域選用低階多項(xiàng)式模擬地形相位，而在地形起伏較大的區(qū)域選用高階多項(xiàng)式。由于本文實(shí)驗(yàn)區(qū)域地形起伏較小，高差不超過(guò)3 m，因此選用一階多項(xiàng)式模擬地形相位。圖5是去除地形相位后的干涉圖。由圖5可以看出，去除地形相位后的干涉圖中不存在趨勢(shì)性變化的殘余相位，說(shuō)明地形相位的去除達(dá)到了數(shù)據(jù)處理精度的要求。

圖4 去除參考面相位后的干涉圖

圖5 去除地形相位后的干涉圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將去除地形相位后的干涉圖采用枝切線(xiàn)法進(jìn)行解纏，然后利用式（1）估計(jì)出實(shí)驗(yàn)區(qū)水位變化，結(jié)果如圖6所示，為了詳細(xì)分析水位的變化情況，選擇A-A’剖面進(jìn)行分析，負(fù)號(hào)表示上升，正號(hào)表示下降。圖7是研究區(qū)域的相干系數(shù)圖。由圖7可以看出，整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)相干性很好，濕地區(qū)域的相干性?xún)?yōu)于0.7，有利于水位的監(jiān)測(cè)。

圖6 水位變化結(jié)果

圖7 相干系數(shù)圖

由圖6a可以看出，在2003-12-13和2004- 01- 17 SAR成像時(shí)刻，研究區(qū)陸地地表的變化大部分都在±5 mm左右，少數(shù)陸地區(qū)域大于10 mm，如圖6a中橢圓形區(qū)域，這些區(qū)域大部分都位于堤壩或斜坡上。由于地形相位的去除是采用曲面擬合的方式，這些區(qū)域有可能含有地形相位誤差。在濕地區(qū)域，2004- 01- 17相對(duì)于2003-12-13，濕地水位大約上升了15 mm。分析A-A’剖面，陸地地表的變化都小于5 mm，陸地與濕地交界處變化為0，進(jìn)入濕地區(qū)域，突然發(fā)生一跳變，濕地水位的上升大部分都大于15 mm，最大上升量為24 mm，濕地水位相對(duì)于陸地變化14 mm左右。通過(guò)中國(guó)氣象局網(wǎng)站查閱射陽(yáng)縣歷史氣象資料，在2003- 12-13天氣晴朗，沒(méi)有降雨發(fā)生，2004-01- 17有降雨發(fā)生，降雨量達(dá)16 mm，地表水匯集，導(dǎo)致濕地水位上升，由此引起2004-01-17相對(duì)于2003- 12-13水位上升，這與InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，驗(yàn)證了InSAR監(jiān)測(cè)水位變化的可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

以鹽城射陽(yáng)縣的濕地為實(shí)驗(yàn)區(qū)，研究了InSAR監(jiān)測(cè)濕地水位變化的可行性。結(jié)果表明，InSAR技術(shù)能大范圍監(jiān)測(cè)濕地水位變化情況，且水位變化監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相符，說(shuō)明InSAR監(jiān)測(cè)濕地水位的變化是可行的。由于InSAR技術(shù)能有效克服傳統(tǒng)濕地監(jiān)測(cè)技術(shù)中的時(shí)空分辨率低、費(fèi)用高、工作周期長(zhǎng)的缺陷，能實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地大范圍內(nèi)高時(shí)空間分辨率的監(jiān)測(cè)，在濕地監(jiān)測(cè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，因此，InSAR技術(shù)將是濕地監(jiān)測(cè)中新的重要監(jiān)測(cè)手段。但由于濕地地區(qū)水汽含量大且植被覆蓋易變性，InSAR技術(shù)易受大氣延遲誤差、時(shí)間去相關(guān)等因素的影響，如何解決大氣延遲誤差和時(shí)間去相關(guān)是InSAR濕地監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵問(wèn)題，有待深入研究。

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