InSAR技术的理论与应用研究现状及其展望

第23卷第3期山东科技大学学报(自然科学版)Vol.23No.3 2004年9月Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Scienc e)Sep.2004
文章编号:1672-3767(2004)03-0001-06
InSAR技术的理论与应用研究现状及其展望
刘国林1,2,郝晓光1,薛怀平1
(1.中国科学院测量与地球物理研究所,湖北武汉430077;2.山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东泰安271019)
摘 要:介绍了合成孔径雷达的发展历史,概述了合成孔径雷达干涉测量和差分合成孔径雷达干涉测量的理论和应用研究现状,对今后的研究焦点进行了展望和分析。

关键词:合成孔径雷达;合成孔径雷达干涉测量;差分合成孔径雷达干涉测量;数据处理
中图分类号:P225.1 文献标识码:A
Present Status and Prospect of the Theory
and Application of InSAR Technology
LIU Guo-lin1,2,HAO Xiao-guang1,XU E H ua-i ping1
(1.Institute of Geodes y and Geophysics,Chinese Academy of Science,W uhan,Hubei430077,China;
2.College of Geo-info Science and Eng.,SUST,T aian,Shandong271019,China)
Abstract:The SAR development history is briefly introdued,and present status and prospect of the theoretic application study of InSAR and D-InSAR are g iven.T he prospect and analyses for the focus of InSAR research in future are proposed.
Key words:SAR;InSAR;D-InSAR;data processing
1 InSAR技术的发展概况
合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar-InSAR)是合成孔径雷达(Sy nthetiC ApertureRadar SAR)技术与射电天文学干涉测量技术的合成。

它使用卫星或飞机搭载的合成孔径雷达系统,通过两副天线同时观测(单轨模式),或两次近平行的观测(重复轨道模式),获取地面同一景观的复影像对。

由于目标与两天线位置的几何关系,在复图像上产生了相位差,形成干涉纹图。

干涉纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息。

根据复雷达图像的相位差信息,利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系,通过影像处理、数据处理和几何转换等来提取地面目标地形的三维信息[1]。

而合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-INSAR)是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源,利用复雷达图像的相位差信息来精确地测量出图像上每一点的三维位置和提取地面自标微小地形变化或测量地表形变等。

由于它可以穿过各种大气云层,全天候、全天时获取地面高程及形变信息,现已成为一种极具潜力的空间对地观测技术。

文献[2]首次提出合成孔径雷达在地形制图方面的应用,并以两天线在水平方向分开的机载、单航过、光学SAR成像处理为背景,阐述InSAR 成像中地形制图的原理,并获得了地形图。

[3]利用机载侧视雷达估算高程的研究,在飞机上安装了相距11.1m的两个SAR天线,应用交轨干涉测量模式绘制出地形图,首次获得了大约10m分
收稿日期:2004-03-29 基金项目:山东省优秀中青年科学家科研奖励基金资助项目(03BS148)作者简介:刘国林(1966-),男,河南焦作人,教授,博士,博士生导师,主要从事测量数据处理理论与应用,InSAR 技术的关键数据处理与应用方面的研究.
辨率的地形数据。

[4]应用平行轨道干涉测量模式获取了旧金山海湾地区的潮汐移动图像。

[5]把机载图像处理的方法延伸应用到Seasat星载观测数据的处理中,[6]采用InSAR技术获取了死亡谷Cottonball盆地的地形图,且与已出版的美国地质调查局的地形图非常吻合。

自20世纪90年代开始,由于星载SAR系统的增多和完善, InSAR的理论和技术有了重大进展。

目前进行SAR干涉测量的系统主要有机载系统和星载系统,而最常用的是星载系统。

星载系统有利于大范围测绘和动态过程的长期监测,特别适合危险地区和人类无法进入地区的研究工作,因而得到广泛应用。

第一个应用于干涉测量的星载SAR数据是1978年JPL发射的海洋卫星Seasa-t SAR,美国于1981年和1984年分别利用 哥伦比亚 号和 挑战者 号航天飞机搭载的SIR-A和SIR-B的两次航天飞行任务。

随着星载合成孔径雷达技术的发展,欧空局1991年发射载有C波段SAR卫星ERS-1,特别是1995年ERS-2发射后,ERS-1和ERS-2的串联运行极大地扩展了利用星载SAR干涉的机会,由于可以提供仅隔一天的干涉资料,所取得研究结果的实用性得到了进一步证实。

由于InSAR技术的应用前景日益看好,许多国家都进行了研究和开发。

2 InSAR技术的理论研究现状分析
InSAR技术的理论研究除了SAR与InSAR 成像技术研究等外,更多集中在InSAR技术的数据处理工作步骤中,其中干涉处理与相干性分析、降噪滤波、亚像元精度的配准、相位解缠等又是研究的关键理论和热点。

90年代后期,InSAR与GPS、LIDAR的数据融合又成为InSAR技术研究的一个新的热点研究方向。

文献[7]利用SeasatSAR数据研究了影响SAR图像相干的重要参数 观测基线长度对所获得的地形数据精度的影响。

[8,9]分析了导致两幅SAR图像失相干的多种原因,[10]讨论了距离向分辨率的问题。

[11]以ERS-1的重复轨道数据,对InSAR的高度测量精度进行了研究, [12]分析了干涉相位的统计特征。

[13]给出了一个包含热噪声、地面坡度、基线等在内的测高精度表达式等。

[14]分析了斜距不确定性、基线不确定性、高度不确定性、相位不确定性等引起的测高误差,[15]提出一种解释InSAR三维成像原理的数学描述,[16,17]建立D-InSAR用于形变量提取的数学模型,分析了相位观测误差、卫星轨道误差、地形误差等误差源对不同工作模式的影响。

在相位噪声处理上,也有大量研究成果:[18]首先提出通过估计干涉相位图的局部频率来计算干涉相位图的相位梯度,实现干涉相位图的重构滤波;
[19]提出一种自适应相位条纹降噪滤波方法;
[20]提出基于小波变化的干涉SAR图像的降噪方法;[21]提出一种结合多视平均和非线性滤波的干涉相位图噪声抑制方法;[22]提出基于静态小波分解的SAR干涉图滤波;[23]提出基于形态学的干涉相位图滤波算法等。

干涉雷达复图像之间的精确匹配技术是提高雷达干涉测量精度的关键之一。

[24]详细论述了亚像素配准及其实现方法,提出根据两幅复图像的相关系数、相位差的信噪比等来进行两复图像配准,且这种亚像素配准方法在以后的InSAR数据处理中得到广泛应用。

[25]提出根据相位差图像的平均扰动函数进行两复图像配准,并分析了配准中控制点位移矢量的质量指标,[26]提出利用干涉SAR影像的光谱差异来进行复图像配准, [27]提出基于几何配准结果和能量影像相关技术的配准算法,[28]提出复图像配准精度分析方法, [29]提出一种将相关匹配和最大谱图像配准相结合的配准方法等。

相位解缠作为InSAR技术中关键步骤,一直是研究的热点。

文献[6]提出支剪法进行干涉相位的解缠,且这种方法在以后的InSAR数据处理中得到广泛应用,[30]给出最小二乘准则下非加权和加权两种二维相位解缠方法,其中,非加权最小二乘相位解缠法等价于第二类边界条件的泊松方程解,可用快速离散余弦变换实现,加权最小二乘相位解缠法要用迭代法求解。

该方法成为二维相位解缠的基本方法之一。

[31,32]证明了最小二乘和格林方程两种解缠方法在理论上的一致性,[33]提出利用多格网技术进行相位解缠, [34,35]提出基于网络的相位解缠法利快速相位解缠法。

[36]提出相位解缠的区域增长法,[37]提出基于梯度估值的LMS相位解缠法,[38]的基于区域分割和编码的相位解缠法,[39]基于遗传算法的InSAR相位解缠,[40]基于不规则网络下网络流算法的相位解缠方法等。

由于相位解缠的复杂性及其受多种因素的影响,相位解缠一直是InSAR数据处理中的难点和热点问题,许多学
2山东科技大学学报(自然科学版) 第23卷
者不断地提出新的方法。

1995年到1997年,Goldstein、Tarayre和Zebker等就提出,由于在时间与空间上人气变化的不确定性,对雷达信号会造成不同的传播延迟,从而会影响InSAR地形制图和变形监测的精度问题[41~43]。

[44]研究了对流层对InSAR结果的影响,[45]研究了SAR测量的中性人气延迟, [46]采用内插GPS网中获取的数据和GPS时间序列两种方法建立对流层延迟改正模型来改善InSAR数据,[47,48]提出InSAR与GPS的集成问题,并提出了DIDP(double interpolation and double prediction)方法,[49]利用GPS观测数据修正中性大气对InSAR干涉测量相位延迟,[50]分析了干涉图中大气参数对干涉相位的影响。

3 InSAR技术的应用现状分析
InSAR技术的应用主要体现在以下几个方面:(1)大规模的数字高程模型(DEM)的建立和地形制图;(2)地球表面形变场的探测,包括地震位移测量、火山运动监测、冰川漂移、地表沉降与山体滑坡等引起的地表位移监测:(3)森林调查与制图;(4)海洋测绘以及土地利用与分类等[51]。

文献[2]首次提出干涉合成孔径雷达时,地形测绘便是它的主要应用之一,[3]应用干涉雷达获得了大约10m分辨率的地形数据。

90年代,随着星载合成孔径雷达的不断升空,产生了丰富的SAR数据,InSAR技术在地形测绘上的应用有了很大的进展。

国外研究人员利用不同的星载SAR数据源开展了许多InSAR生成DEM的研究工作,取得大量成果。

在国内,文献[1]用1994年10月美国航天飞机成像雷达SIR-C/X-SAR 的L波段数据对我国新疆昆仑山地区进行三维地形信息的提取研究工作,[52]用ERSl/2SAR 图像提取了西藏玛尼地区的数字高程模型,[53]利用三峡地区的ERSl/2SAR图像提取数字高程模型等。

文献[54]首次论证D-InSAR技术可用于探测厘米级的地表形变,[55]首先利用ERS-1SAR 数据获得了1992年美国的Landers地震(M= 72)的形变场,[56]获取了1995年Hyogoken-Nanbu地震的同震形变场,[57]利用JERS-1获取了1994年加利福尼亚的Northridge地震同震形变场,[58]获取1997年意大利Colfiorito地震的同震地面位移场。

对其它许多地震都有大量的InSAR获取震前、同震和震后形变场的研究文献资料,主要包括1993年和1994年加利福尼亚的Eureka valley地震、Northridge地震、1995年日本的Kobe地震、希腊的Grevena地震、土耳其的Dinar地震等。

[59]利用星载D-InSAR技术首次提取了1998年中国张北-尚义里氏6.2级的同震形变场,[60]利用星载D-InSAR技术分析了张北-尚义地震震源破裂的特征,[61]应用ERS-1/ 2SAR数据,提取了1997年西藏玛尼里氏7.4级地震震前一年的地壳形变和震时同震形变, [62,63]利用InSAR提取的同震形变场正演了西藏玛尼地震断层参数。

在火山运动监测、冰川漂移上,文献[64]使用ERS-1SAR数据揭示了意大利Sicily的Etna火山运动所引起的地表形变信息,InSAR不仅能以精细的干涉条纹检测出强震位移,亦能以厘米级精度检测出余震变形信息,[65]对阿拉斯加Westdahl火山干涉测量中发现该火山喷发前后有先膨胀后收缩的现象等。

在冰川研究上,文献[66]首次在没有地面控制点的情况下直接测量冰流速度,[67]应用InSAR来监测格陵兰东北部冰河的相对速度。

在地表沉降与山体滑坡上,文献[68]利用ERS-1分析了法国阿尔卑斯的Saint Etienne Tinee滑坡体的运动情况,[69]给出了利用D-InSAR监测局部地面沉降与滑坡的两个事例, [70]研究了美国加利福尼亚East Mesa地区地热场活动引起的地面沉降,[71]利用ERS SAR数据对加利福利亚Belridge油田的地面快速沉降进行了研究。

[72]利用D-InSAR技术研究和分析了苏州地区的地表沉降,[73]利用D-InSAR技术研究和分析了天津地区的地表沉降等。

4 结论与展望
从InSAR技术的发展历程、研究现状以及应用的情况可以看出,InSAR技术的发展主要体现在四个方面:一是探测技术的发展。

从早期的并非专门针对SAR干涉测量而设计的ERS-1、ERS-2、JERS-1、Radarsat,到新一代充分考虑SAR干涉测量应用的Envisat、Radarsat-2等;从机载双天线发展到机载、星载重复路径干涉;从单一波段发展到多波段组合;从单极化、固定入射角、单模式向多极化、变入射角、多模式发展。

为获得丰富的SAR数据资源奠定了基础。

二是InSAR技术
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第3期 刘国林等:InSAR技术的理论与应用研究现状及其展望
应用范围的发展。

从早期InSAR技术的应用主要是地形制图,到开展形变比较明显的地震形变、地壳形变、火山活动、冰川移动等大面积监测研究,随着InSAR技术的不断成熟和研究工作的不断深入,又逐渐转向地面沉降、山体滑坡等引起细微持续的地表位移。

另外,在森林调查与制图、海洋测绘以及土地利用与分类、水文、地质等方面也得到成功应用。

三是InSAR与GPS的数据融合。

GPS精密定位可以确定地面离散点上的精确位置和高程变化,可以较为精确地确定电离层、对流层参数,而InSAR提供的是整个区域面上连续的信息,特别是GPS允许长时间连续观测,而InSAR可被看作瞬时测量。

因此,InSAR与GPS 两种技术,具有很好的互补性,可以相互结合,不仅保证时间连续性和空间连续性,而且利用GPS 改善InSAR卫星轨道的确定精度减少大气效应的影响,改善InSAR图像质量。

四是数据处理方面的发展。

针对InSAR技术中的关键数据处理,配准、相干性分析、降噪滤波、相位解缠等,出现了大量数据处理理论与分析方法、算法设计,使得该技术从早期粗略、宏观的理论研究转变为目前精细、微观的应用研究。

InSAR的数据处理涉及诸多内容,与探测技术以及应用的发展相比,数据处理与分析的发展更加广泛、深入和迫切。

其中复值图像配准、相干性分析、抑制干涉相位图中的噪声以及相位解缠、精化电离层延迟与对流层延迟等理论与方法以及相应的最优数值解算等问题的研究还需要进一步深入。

随着InSAR技术应用范围的不断扩展, InSAR技术中的数据处理与分析及其相应的算法设计等还有诸多问题需要进一步的深入研究。

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