柳　林，江利明，高斌斌，孫亞飛，孫永玲，汪漢勝

(1. 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

?

山地冰川運(yùn)動(dòng)地基InSAR監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

柳林1,2，江利明2，高斌斌1,2，孫亞飛1,2，孫永玲1,2，汪漢勝2

(1. 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

Measuring Mountain Glacier Flow Velocity by Means of Ground-based InSAR

LIU Lin，JIANG Liming，GAO Binbin，SUN Yafei，SUN Yongling，WANG Hansheng

摘要：利用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)，在新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦附近的一處山地冰川進(jìn)行了冰面流動(dòng)速度連續(xù)觀測(cè)。結(jié)果表明，該冰川平均表面流動(dòng)速度為2.63 mm/h，且在空間上呈現(xiàn)從冰川中上游向下游遞增的趨勢(shì)，但冰川末端的流動(dòng)速度明顯減緩。在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，冰川運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為平穩(wěn)，基本處于連續(xù)滑動(dòng)狀態(tài)。研究結(jié)果為揭示冰川基本性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，初步驗(yàn)證了地基InSAR技術(shù)測(cè)量冰川表面流速的可行性及其廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：山地冰川；表面流動(dòng)速度；地基InSAR；時(shí)間序列

冰川是氣候變化的理想指示器，也是冰凍圈的重要組成部分，已經(jīng)成為全球和區(qū)域氣候、環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)之一[1]。冰川表面流速作為評(píng)估冰川運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是揭示冰川基本性質(zhì)和冰川動(dòng)力學(xué)機(jī)制的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。目前，測(cè)量冰川表面流速的技術(shù)主要有兩種：花桿測(cè)量和衛(wèi)星遙感。傳統(tǒng)的花桿測(cè)量法是利用全站儀和GPS等測(cè)量?jī)x器在不同時(shí)間多次精確測(cè)量冰川上花桿的坐標(biāo)值，從而得到一段時(shí)間間隔內(nèi)花桿坐標(biāo)的變化量，并由此計(jì)算花桿所在點(diǎn)的冰流速度[3]。這種方法雖然可以精確測(cè)量各花桿處的冰流速度，但是由于氣候條件、地理環(huán)境和經(jīng)費(fèi)等限制，其測(cè)量的花桿數(shù)量往往都非常有限，因此難以獲取整個(gè)冰川的冰流速度場(chǎng)。20世紀(jì)末以來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)的不斷進(jìn)步，研究人員獲取了大量的冰流速度場(chǎng)結(jié)果[4-5]。但是，由于衛(wèi)星遙感重返周期較長(zhǎng)，難以獲取連續(xù)的冰川運(yùn)動(dòng)信息，并且受限于相對(duì)較低的空間分辨率，在測(cè)量地形起伏較大和規(guī)模較小的山地冰川時(shí)仍存在一定的挑戰(zhàn)。

地基合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(ground-based interferometry synthetic aperture radar，GB-InSAR)是近10年發(fā)展起來(lái)的一種微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)。與星載InSAR相比，地基InSAR具有高精度、高空間分辨率、高采樣頻率和多角度觀測(cè)等突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)[6]。由于集成了步進(jìn)頻率連續(xù)波或調(diào)頻連續(xù)波、合成孔徑雷達(dá)和雷達(dá)干涉測(cè)量等多種先進(jìn)技術(shù)，地基InSAR可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，且形變測(cè)量精度可達(dá)0.1 mm。因此，該技術(shù)為連續(xù)、高精度測(cè)量較小規(guī)模山地冰川的冰流速度場(chǎng)，提供了一項(xiàng)新的極具應(yīng)用前景的可行方案。目前，該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，如山體滑坡[7]、礦坑邊坡[8]、水利工程[9]和火山[10-11]等。

本文利用IBIS-L地基InSAR設(shè)備在天山山脈西段的一處小型山地冰川進(jìn)行了冰流速度測(cè)量研究。詳細(xì)介紹了IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，以及數(shù)據(jù)采集和處理的基本方法，對(duì)冰川區(qū)域的SAR回波信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行了詳細(xì)探討，深入分析了冰川表面流速場(chǎng)的空間特征及其時(shí)間序列變化結(jié)果，初步驗(yàn)證了地基InSAR連續(xù)觀測(cè)山地冰川表面流速的可行性。

一、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山山脈西段，新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣備戰(zhàn)鐵礦附近的一處小型冰川(以下簡(jiǎn)稱：鐵礦冰川)。鐵礦冰川屬于亞大陸型冰川，面積約為2 km2，長(zhǎng)度約為1 km，冰川末端的海拔高度為3746 m。冰川表面的基本形態(tài)及周邊地理環(huán)境如圖1所示。近年來(lái)，在全球氣候變暖的作用下，研究區(qū)所處西天山區(qū)域，冰川主要呈現(xiàn)持續(xù)消融狀態(tài)[12]。本文關(guān)注的鐵礦冰川位于靜縣備戰(zhàn)鐵礦的礦區(qū)范圍內(nèi)，鐵礦開采和礦石運(yùn)輸?shù)热祟惢顒?dòng)也是影響冰川變化的重要因素之一。另外，鐵礦冰川末端十分靠近備戰(zhàn)鐵礦的礦石運(yùn)輸專用道路，兩者之間的直線距離不超過200 m，冰川融水已經(jīng)在道路上方形成了一個(gè)初具規(guī)模的湖泊(如圖1所示)，是該路段不可忽略的潛在危險(xiǎn)。

圖1　鐵礦冰川表面基本形態(tài)及周邊環(huán)境

二、數(shù)據(jù)和方法

1. IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)介紹

IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)是意大利IDS公司和佛羅倫薩大學(xué)長(zhǎng)期合作研究開發(fā)的產(chǎn)品，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。該系統(tǒng)利用步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(stepped frequency continuous wave，SFCW)保證傳感器始終發(fā)射頻率為16.6～16.9 GHz(Ku波段)的雷達(dá)波。Ku波段具有較高頻率，不易受微波輻射干擾，具有較遠(yuǎn)的有效傳輸距離。雷達(dá)傳感器具有較大帶寬，可對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行細(xì)致分割，以實(shí)現(xiàn)距離向的高分辨率(0.5 m)。由于采用了合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，IBIS-L系統(tǒng)可以將尺寸較小的真實(shí)雷達(dá)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理方法合成為較大的等效雷達(dá)天線孔徑，提高了測(cè)量的角度向分辨率。通過對(duì)比不同時(shí)刻雷達(dá)回波的相位信息，利用InSAR技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)的位移值，其測(cè)量精度可達(dá)0.1 mm。

表1　IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

2. 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

為了測(cè)量鐵礦冰川的表面流速場(chǎng)，2015年7月3日利用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了約4.8 h的連續(xù)觀測(cè)。圖2為地基InSAR觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，鐵礦冰川處于兩座巖石山體之間的峽谷中。由于兩側(cè)山體坡度較大，可供架設(shè)儀器的相對(duì)平坦位置非常有限，且野外觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)沒有大型吊裝設(shè)備，因此將IBIS-L測(cè)站設(shè)置在距離鐵礦冰川末端大約50 m處的一處平臺(tái)上(如圖1所示)，臨近備戰(zhàn)鐵礦的礦石運(yùn)輸專用道路。

圖2　鐵礦冰川野外測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

經(jīng)過連續(xù)觀測(cè)，共獲取47景IBIS-L原始雷達(dá)數(shù)據(jù)。進(jìn)行雷達(dá)干涉測(cè)量處理前，需對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)定標(biāo)和影像聚焦等?；咎幚磉^程如下：首先選取一部分連續(xù)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)(15～20景)；然后在IBIS-DV軟件中對(duì)其進(jìn)行分析，從而確定適合所有數(shù)據(jù)(47景)的定標(biāo)和聚焦參數(shù)；最后再利用上述參數(shù)對(duì)所有原始雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到雷達(dá)干涉處理所需要的單視復(fù)數(shù)(SLC)數(shù)據(jù)。

3. 地基SAR干涉測(cè)量

為了高精度獲取目標(biāo)區(qū)的形變量，利用星載SAR干涉測(cè)量基本原理和方法對(duì)IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)采集的單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行兩次測(cè)量的時(shí)間間隔內(nèi)，若某一點(diǎn)發(fā)生了變化，則該點(diǎn)在兩景SAR影像中所對(duì)應(yīng)的相位信息存在差異。SAR干涉測(cè)量技術(shù)就是通過計(jì)算同一目標(biāo)在不同時(shí)間段雷達(dá)圖像中的相位差，從而獲取目標(biāo)在前后兩段時(shí)間內(nèi)的微小形變值。根據(jù)干涉測(cè)量的基本原理，形變值d與相位差φint的關(guān)系為

(1)式中，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。因此，在獲取SAR影像上每一個(gè)點(diǎn)相位差的基礎(chǔ)上，即可利用式(1)計(jì)算所對(duì)應(yīng)研究區(qū)的形變測(cè)量結(jié)果。在星載SAR干涉測(cè)量處理的過程中，所獲取的相位差主要包括以下組成部分

φint=φtopo+φdisp+φatm+φnoise

(2)

式中，φtopo為空間基線引起的地形相位；φdisp為地表形變相位；φatm為大氣擾動(dòng)相位；φnoise為噪聲相位(如斑點(diǎn)噪聲和熱噪聲等)。

與星載InSAR不同，地基InSAR在連續(xù)測(cè)量過程中儀器位置不發(fā)生變化，空間基線為0，因此地形相位φtopo為0；同時(shí)，地基InSAR測(cè)量范圍在幾千米之內(nèi)，所獲取原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量相對(duì)較高，噪聲影響較小，在選擇合適濾波方法之后，噪聲相位φnoise的影響基本可以忽略。但是，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)過程中，地基InSAR受到大氣擾動(dòng)的影響較大，需通過氣象模擬或地面控制點(diǎn)(GCP)校正等方法對(duì)大氣擾動(dòng)相位φatm加以改正。因此，對(duì)于地基SAR干涉測(cè)量數(shù)據(jù)濾波后，式(2)可改寫為

φint=φdisp+φatm

(3)

三、結(jié)果與討論

1. SAR數(shù)據(jù)反射強(qiáng)度及相干性

SAR數(shù)據(jù)的信噪比和相干性是評(píng)價(jià)地基InSAR數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要參數(shù)。信噪比代表目標(biāo)區(qū)雷達(dá)信號(hào)的反射強(qiáng)度，值越大表明目標(biāo)物的信號(hào)反射能力越高，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。相干性代表目標(biāo)物在不同時(shí)間的信號(hào)干涉性能，最大值為1，最小值為0，相干性越接近于1，表明相應(yīng)目標(biāo)物的信號(hào)干涉性能越好。

圖3(a)和(b)分別為地基InSAR測(cè)量數(shù)據(jù)的反射強(qiáng)度和相干性，圖中黑色曲線為鐵礦冰川的邊界線，曲線外部為冰川兩側(cè)的基巖等非冰川區(qū)域。本研究旨在提取鐵礦冰川的表面流速，因此以下結(jié)果分析只考慮黑色曲線內(nèi)的冰川區(qū)域。在鐵礦冰川中下游(圖3中的A區(qū)域)，由于距離地基InSAR儀器較近(小于700 m)，且不存在遮擋物，因此該區(qū)域具有非常高的反射強(qiáng)度(均值大于20 dB)和相干性(均值大于0.9)。在鐵礦冰川中上游，由于受到中下游冰川和兩側(cè)基巖的遮擋(圖3中的B區(qū)域)，地基InSAR系統(tǒng)幾乎難以捕捉到回波信號(hào)，大部分區(qū)域的反射強(qiáng)度和相干性都趨近于0；在通視條件較好的目標(biāo)區(qū)(圖3中的C區(qū)域)，由于距離較遠(yuǎn)(大于1100 m)，雷達(dá)回波信號(hào)的反射強(qiáng)度和相干性都低于A區(qū)域，但是仍然具有較高的平均值(分別約為15 dB和0.8)。綜上所述，在不存在遮擋的情況下，即使距離超過1000 m，IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)也具有較高的反射強(qiáng)度和較好的相干性，證明了該系統(tǒng)測(cè)量山地冰川表面流速場(chǎng)的可行性。

圖3　測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2. 冰川表面流速場(chǎng)及其時(shí)間序列

由式(3)可知，在地基InSAR系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)過程中，其測(cè)量結(jié)果會(huì)受到大氣擾動(dòng)的影響。在本文研究中，將采用地面控制點(diǎn)校正方法對(duì)其進(jìn)行改正。根據(jù)研究區(qū)周邊地理環(huán)境及雷達(dá)信號(hào)的反射強(qiáng)度和相干性，在鐵礦冰川兩側(cè)的巖石山體上選取了3個(gè)地面控制點(diǎn)，分別為圖4中的GCP1、GCP2和GCP3。經(jīng)過大氣改正，最終得到的鐵礦冰川表面流速場(chǎng)如圖4所示。

圖4　鐵礦冰川表面流速場(chǎng)

從圖4中可看出，在距離較近且正對(duì)儀器的鐵礦冰川中下游(圖3中的A區(qū)域)，IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)獲取了非常好的表面流速場(chǎng)結(jié)果；在距離較遠(yuǎn)但通視條件較好的冰川中上游(圖3中的C區(qū)域)，也測(cè)得了較為完整的冰流速度場(chǎng)；而在大部分區(qū)域受到遮擋的冰川中上游(圖3中的B區(qū)域)，只有少數(shù)地方獲取了表面流速信息。研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了地基InSAR技術(shù)測(cè)量山地冰川表面流速的能力。但是，在野外作業(yè)過程中，應(yīng)在條件允許的情況下，盡量將儀器架設(shè)在具有更大測(cè)量范圍的位置，或采用2～3次測(cè)站方式，彌補(bǔ)一次測(cè)站中往往不可避免的數(shù)據(jù)空洞，從而測(cè)得整個(gè)冰川完整的表面流速場(chǎng)。

地基InSAR系統(tǒng)測(cè)得鐵礦冰川的平均表面流速為2.63 mm/h。盡管測(cè)量結(jié)果在冰川中上游存在較大的空洞，根據(jù)圖4依然可以看出該冰川的表面流速在空間上呈現(xiàn)從冰川中上游向下游遞增的趨勢(shì)，但冰川末端的流動(dòng)速度明顯減緩。表2為冰川中軸線上所選取的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變和表面流速信息，結(jié)果表明，從冰川中上游的P4點(diǎn)，到中下游的P3點(diǎn)及下游的P2點(diǎn)，其表面流速依次增加，分別為0.86、2.27和3.44 mm/h。但是，位于冰川末端的P1點(diǎn)與臨近的P2點(diǎn)相比，其表面流速明顯減小，僅為0.82 mm/h。

表2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變值及冰川表面流速

圖5為鐵礦冰川所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變值的時(shí)間序列，可以看出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斜率基本不變，表明在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的冰川表面流速基本穩(wěn)定。但是，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變時(shí)間序列曲線都存在著比較明顯的波動(dòng)，甚至在個(gè)別時(shí)間段出現(xiàn)了形變值變小的情況，這可能是由于大氣擾動(dòng)相位消除不完全所引起的。在以后的工作中，將綜合利用氣象模擬和GCP校正等方法，進(jìn)一步抑制大氣擾動(dòng)對(duì)地基InSAR測(cè)量結(jié)果的影響，以得到更加精確、可靠的山地冰川表面流速信息。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文將地基InSAR技術(shù)應(yīng)用于新疆和靜縣鐵礦冰川表面流速的連續(xù)觀測(cè)。結(jié)果表明，利用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)在山地冰川的大部分區(qū)域具有較強(qiáng)反射強(qiáng)度，且連續(xù)觀測(cè)可以很好地保持冰川表面的相干性，測(cè)得鐵礦冰川的平均表面流速為2.63 mm/h。因此，利用地基InSAR技術(shù)可以快速、高精度地獲取山地冰川的連續(xù)表面流速信息。但是，由于觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的儀器架設(shè)位置限制，部分冰川區(qū)域幾乎沒有雷達(dá)回波信號(hào)，后續(xù)野外測(cè)量工作應(yīng)設(shè)置多個(gè)測(cè)站，以獲取整個(gè)冰川完整的表面流速場(chǎng)。本研究初步驗(yàn)證了地基InSAR技術(shù)連續(xù)測(cè)量山地冰川表面流速的可行性及其廣闊的應(yīng)用前景，研究成果將為揭示人類活動(dòng)對(duì)冰川變化的影響，以及評(píng)估冰川融水對(duì)備戰(zhàn)鐵礦生成的潛在威脅提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5　監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變時(shí)間序列

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中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)04-0054-04

作者簡(jiǎn)介：柳林(1985—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)樯降乇鲃?dòng)速度和質(zhì)量平衡等。E-mail：liulin@whigg.ac.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41274024；41431070；41321063)；中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”人才項(xiàng)目(Y205771077)

收稿日期：2016-01-06

引文格式： 柳林，江利明，高斌斌,等. 山地冰川運(yùn)動(dòng)地基InSAR監(jiān)測(cè)試驗(yàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(4)：54-57.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0120.