D_InSAR与PS_InSAR的理论模型_技术特点及应用领域_常占强

D -InSAR 与PS -InSAR 的理论模型、

技术特点及应用领域

常占强1,2, 宫辉力1,2, 张景发3, 龚利霞3

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100037;

2.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京 100037;

3.中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

摘要:合成孔径雷达干涉测量I nSAR(synthetic aper ture radar interferometry)是空间对地观测技术的一次革

命性飞跃,特别是D -I nSAR 和PS -InSAR 技术在对地表沉降监测中的应用,受到了越来越多的关注.介绍了D -In -SAR 和PS -InSAR 技术的理论模型,在分析理论模型的基础上,归纳出这2种技术的不同特点,系统地总结了它们各自适合的应用领域以及暂时难以应用的情况.

关键词:D -InSA R;P S -I nSAR;理论模型;应用领域

中图分类号:P 236 文献标识码:A 文章编号:1000-5854(2008)01-0113-04

合成孔径雷达干涉测量InSAR(synthetic aperture radar interferometry)是合成孔径雷达遥感技术与射电天文干涉技术的结晶,是空间对地观测技术的一次革命性飞跃[1~3].特别是差分干涉测量技术(differential InSAR,D -InSAR)和永久散射体干涉技术(perm anent scatterers InSAR,PS -InSAR)在对地表沉降监测中的应用受到了遥感界和地学界越来越多的关注,主要是因为这2种技术都具有动态、高效获取连续空间覆盖的形变信息的能力,是传统测量技术(如水准测量、GPS 测量)所不具备的.以下从分析2

种技术的理论模型入 图1 三轨法示意图

手,归纳出各自的技术特点,依据这些特点,探讨各自适合的应用领域

以及待解决的问题.

1 D -InSAR 和PS -InSAR 的理论模型

1.1 D -InSAR 理论模型

常规差分干涉测量技术(conventional differential InSAR),简称差

分干涉测量技术(D -InSAR),主要有三轨法(3幅SAR 图像,见图1)和

双轨法(2幅SAR 图像加上1组DEM 数据).其基本思想:用地表形变

后的SAR 图像和形变前的SAR 图像分别与同一幅地表形变前的

SAR 图像形成干涉相位,然后再对这2幅干涉相位进行某差分处理,

获取地表形变信息.它的理论模型如下[4~

6]: -4 r = f 1-B 1B 2 f 2

.(1)其中: r 为LOS(line of sig ht )向的地表形变; f 1和 f 2分别是去除平地效应后形变像对和地形像对的干涉相位;B 1和B 2分别是形变像对和地形像对的垂直基线距; 为SAR 工作波长.由(1)可知:如果得到形变像对和地形像对的干涉相位以及相应的垂直基线距,就可获取到地表形变,其精度可以达到cm 级.

1.2 PS -InSAR 理论模型

PS -InSAR 是2001年Ferretti 等提出的[7,8].假设研究区内有N +1幅SAR 图像,可得到N 幅相对于主 收稿日期:2007-09-03

基金项目:国家863计划(2006AA12Z111).作者简介:常占强(1964-),男,河北辛集人,副教授,博士,主要从事遥感与地理信息系统研究.

第32卷/第1期/

2008年1月河北师范大学学报/自然科学版/J OU RNAL OF HEB EI NO RMAL UNIV ER SITY /Natu ral Scien ce Edition /Vol.32No.1Jan.2008

图像的干涉图,再与DEM 进行差分后生成N 幅差分干涉图.设第k 幅图像的差分相位 k ,此时 k 除了有形变信息外,还包含各种误差的贡献.

k =4 r k +

k +n k + k + .(2)其中: 是雷达波长; r k 表示目标运动量(相对于主图像); k 是大气相位项(以主图像为参考);n k 表示失相关噪声(热噪声、斑点噪声); 为DEM 残余误差的相位贡献; k 为目标后向散射差异引起的相位变化,对于永久散射体PS(permanent scatter),该项趋于0,可忽略.因此,在小范围内(如小于3km )的2个PS 点i,j 的相位差 i ,j ;k 为

i ,j ;k =4 r i ,j ;k

+ i ,j ;k + n i ,j ;k + i ,j .(3)假设目标运动是均匀的,(3)中的第1项可写为(4 / ) i ,j T k .其中: i,j 为斜距向平均形变速率差;T k 是相对主图像的时间基线; i ,j 是DEM 残余误差相位贡献之差.因为大气相位项在空间上的强相关性, i ,j ;k 很小;再者,对于PS 点 n 也很小,现用w i,j ;k 表示两者之和,则(3)可写为

i ,j ;k =4 i ,j T k

+ i ,j +w i ,j ;k .(4)对于每对PS 点,都可以得到幅差分干涉图,则对于未知项 i ,j 和 i ,j 就有N 个方程,可用最小二乘法求出其最值或然值,再反求 i ,j ;k ,然后对每对PS 点的相位差 i,j ;k 进行积分,就可解缠出PS 格网的干涉图.同样,可以通过累加 i ,j 得到每个散射体相对于主图像的位移速度.可见,该技术很大程度上消除了失相关和大气影响.当然,要以足够多的SAR 图像为前提,而且还要有足够密度(10个/km 2)的PS 点.2 D -InSAR 与PS -InSAR 的技术特点

2.1 D -InSAR 技术特点

在D -InSAR 技术中,主要限制因素是时间失相关和空间失相关和SAR 图像之间的大气异质性.如果雷达相干波的失相关太大,就无法得到形变像对干涉相位和地形像对的干涉相位,也就无法得到地表形变.从以上分析中,不难总结出该技术的特点:

1)实现算法简单,参数较少,只需要2个垂直基线参数.

2)对地表连续覆盖,覆盖范围大,经差分处理后可得到整幅SAR 图像对应区域的地表沉降信息.

3)成本低,只需要3景SAR 图像.

4)可监测较大的地表形变.为了保证对干涉相位进行解缠,在LOS 方向上所能探测的SAR 图像两相邻分辨单元之间的最大形变值不大于 /2[9](对于C 波段为2.8cm,对于L 波段为12cm),如果将形变累计起来,总形变值可以较大.

5)失相干的影响大.这就使得该技术对地表覆盖物要求比较苛刻,在植被茂密的地区或时间基线较长的情况下实现起来比较困难.

2.2 PS -InSAR 技术特点

1)失相干影响较小,对地表覆盖物要求较低,在一定程度上克服了常规D -InSAR 技术中对地表覆盖物要求过于苛刻的不足.

2)测量精度高,可测得0.1mm/a 的视向移动速度[10].

3)算法复杂、要求数据量大,成本较D -InSAR 技术高.每个监测区域至少需要25~30景SAR 图像,这是因为只有足够多的SAR 图像才能准确识别PS 点.在Ferretti 等的试验中,SAR 数据量一般都达到50~60景[11],这对于我国用户和研究单位不仅是个成本问题,而且是否能够获取这么多SAR 数据都是个问题.

4)监测区域类型和大小的限制.虽然该技术在一定程度上克服了常规D -InSAR 技术中对地表覆盖物要求过于苛刻的不足,但还是需要测量区域有较多的天然散射体,如城市和岩石出露较多的丘陵地带.而且在理论模型中假设PS 点之间的间距一般在2~3km,如果范围扩大,就无法满足算法的前提要求.

5)研究对象形变速度慢、形变量较小.由于理论模型假设PS 是作匀速运动,因此,该技术比较适合测量运动速度比较小的对象,一般在每年数厘米到数毫米运动速度范围内.

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