干涉SAR三维地形成像数据处理技术综测量D_InSAR技术在形变监测中的应用概述

[文章编号]100124683(2004)042410209

[收稿日期]2003208208;[修定日期]2004208206。

[项目类别]地震科学联合基金(102096)及国家自然科学基金(40374013)联合资助。

[作者简介]马超,男,1967年生,太原理工大学讲师,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在职博士生。星载合成孔径雷达差分干涉测量(D 2I nSAR)

技术在形变监测中的应用概述

马　超

1),2)　单新建1)1)(中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京德外祁家豁子　100029)

2)(太原理工大学,太原　030024)摘要　本文综述了地球表面形变的主要类型(包括开采沉陷、地表沉降、地壳运动、地震形

变、火山运动、冰川运动及山体滑坡等)及其在我国的分布状况,结合合成孔径雷达干涉测量(包括InS AR 及D 2InS AR ,统称InS AR 技术)的技术原理及特点,介绍了国内外InS AR 技术近年来在形变监测领域的应用与发展。通过与传统形变监测及G PS 监测技术的对比后指出,由于InS AR 特有的技术特点,使其在各类形变监测应用中具有传统方法无可比拟的技术优势,必将对形变监测的发展起到极大的推动作用。

关键词:　合成孔径雷达　干涉合成孔径雷达　差分干涉合成孔径雷达　形变监测

[中图分类号]P315 [文献标识码]A

1　I nSAR 技术的发展

S AR 干涉测量(InS AR )以S AR 复数据所承载的相位信息为信息源,作为一项地表三维和变化信息获取技术,其研究始于上世纪50年代。1946年,Ryle 和Vonberg 构造了类似Michels on 2M orley 干涉仪产生的无线电波,并用于一些新的宇宙电波的定位(张红,2002)。1969年,InS AR 技术首次应用于对金星表面测量(R ogers and Ingalls ,1969),1972年同样的技术用于月球表面的测量(Z isk ,1972)。G raham (1974)首次提出用InS AR 技术来制图的构想并用机载数据实现了能满足1:25万地形图要求的高程数据。1988年,星载数据获得实用性实验结果(G oldstein and Z ebker ,1988)。

早期的InS AR 系统主要是机载系统。由于机载系统的不稳定性及数据获取能力的局限性,一定程度上限制了InS AR 技术的成长,InS AR 技术徘徊于纯理论研究和实验研究之间。1978年世界上第一颗合成孔径雷达卫星(美国Seasat 卫星)发射成功。进入90年代,原苏联、欧洲空间局、日本、加拿大也先后成功地发射了合成孔径雷达卫星。一系列的星载S AR 系统(A LM AZ 、ERS 2l Π2、J ERS 2l 、RADARS AT 2l )的成功发射,一系列的航天飞机成像雷达(SIR 2A ,SIR 2B ,SIR 2C ΠX 2S AR )及航天飞机雷达地形测绘任务(SRT M )的成功完成,为全球提供了更

第20卷　第4期(410～418)

2004年12月中国地震E ARTH QUAKE RESE ARCH I N CHI NA V ol.20　N o.4Dec.2004

多的适合进行干涉处理的S AR数据,InS AR研究逐步从理论研究阶段跨入实用研究的阶段。

干涉测量形变监测主要依据于InS ARΠD2InS AR的技术原理,InS ARΠD2InS AR原理在相关文献多有记述(Z ebker,1986;G abriel et al.,1989;R odriguez,1992;G higlia,and Pritt,1998; Santitamnont,1998)。

2　地球表面的形变及I nSAR技术在形变监测中的应用

地球表面形变依形变场大小可以分为开采沉陷、地表沉降、地壳与构造地质形变及日月引力作用产生的固体潮。其中前两种形变主要是人为因素造成的,后两种形变的成因是自然力的作用。

211　I nSAR技术在开采沉陷形变监测中的应用

对于因煤炭、石油、天然气及部分金属矿等开采引起的沉陷,常规的监测方法是采用精密水准测量或重复光电测距三角高程测量,这些方法在我国的矿区及油田已沿用几十年,为沉陷监测及环境治理做出了贡献。随着G PS技术引入,充分发挥了高精度、易于自动化监测、自动化数据采集与处理的优势。近年来,利用InS AR技术进行开采沉陷监测在国外首先得到应用。Marco van der K ooij等(1995)选取1992～1996年间6个重复观测像对用ERS数据对美国加利福尼亚Belridge油气田进行了沉陷监测,该油气田年均下沉30～40cm,与常规方法对比,差分获得的沉陷区吻合相当好,最大高程误差小于5mm。Patzek等(2001)利用ERS S AR数据也监测过油田的地面快速沉降。波兰学者Perski利用InS AR技术对Upper Silasia 开采下沉盆地进行了系统研究(Perski,1998;2000,Perski&Jura,1999),作为对照,Upper Silasia煤田开采沉陷监测也采用了G PS技术(表1)。由于Upper Silasia煤田开采大量采用水沙充填,下沉量远小于自然冒落开采,因此,采用沉降监测要有较高精度。沉陷监测的实践表明,InS AR技术具有大面积、连续、快速的优势,可以达到厘米级的分辨率,完全满足精度要求,是水准测量和G PS测量的有效补充,在大面积、短周期沉陷区损害调查及预测中优势明显。此外,在人工扰动沉陷监测领域,美国学者William F oxall(1999)曾利用InS AR技术对Nevada T est Site地下核试验场1992年3月的一次核爆炸沉陷坑进行了计算,这也体现了InS AR技术用于极端环境形变监测具有的优越性。

表1Upper Silasia煤田开采下沉盆地GPS控制点的沉降量

与I nSAR对比表(1993年3月9日～8月10日)

控制点

G PS

测点沉降(mm)

InS AR

计算沉降(mm)

差值

(mm)

46004842-6 45813843+5 45824341-2 24053035+5 24032631+5 25903237+5 25913536+1

由于开采沉陷范围较小、形变量较小、形变变化缓慢,时间基线距及大气影响会造成退相干及形变假象。利用InS AR技术测量这种细微的地表形变很有挑战性,通常要有精确的模型来消除大气的影响,才能找到真正的地球物理信号,许多细微的信号需要至少间隔10年

的干涉图像才能监测到,所以这一技术应用于开采沉陷监测还有待发展。114

4期马　超等:星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InS AR)技术在形变监测中的应用概述