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

2004年12月

中国地震

EARTHQUAKERESEARCHINCHINA

Vol.20　No.4Dec.2004

[文章编号]100124683(2004)042410209

星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InSAR)

技术在形变监测中的应用概述

马　超

2)(太原理工大学,太原　030024)

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)

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InSAR及D2InSAR,统称InSAR技术)的技术原理及特点,介绍了国内外InSAR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GPS监测技术的对比后指出,由于InSAR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　InSAR技术的发展

SAR干涉测量(InSAR)以SAR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

Michelson2Morley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,InSAR技术首次应用于对金星表面测量(RogersandIngalls,1969),1972年同样的技

术用于月球表面的测量(Zisk,1972)。Graham(1974)首次提出用InSAR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(GoldsteinandZebker,1988)。

早期的InSAR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,一定程度上了InSAR技术的成长,InSAR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SAR系统(ALMAZ、ERS2lΠ2、JERS2l、RADARSAT2l)的成功发射,一系列的航天飞机成像雷达(SIR2A,SIR2B,SIR2CΠX2SAR)及航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)的成功完成,为全球提供了更

[收稿日期]2003208208;[修定日期]2004208206。

[项目类别]地震科合基金(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。

4期马　超等:星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InSAR)技术在形变监测中的应用概述

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多的适合进行干涉处理的SAR数据,InSAR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InSARΠD2InSAR的技术原理,InSARΠD2InSAR原理在相关

文献多有记述(Zebker,1986;Gabrieletal.,19;Rodriguez,1992;Ghiglia,andPritt,1998;Santitamnont,1998)。

2　地球表面的形变及InSAR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　InSAR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GPS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InSAR技术进行开采沉陷监测在国外首先得到应用。MarcovanderKooij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ERSSAR数据也监测过油田的地面快速沉降。波兰学者Perski利用InSAR技术对UpperSilasia开采下沉盆地进行了系统研究(Perski,1998;2000,Perski&Jura,1999),作为对照,UpperSilasia煤田开采沉陷监测也采用了GPS技术(表1)。由于UpperSilasia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,InSAR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GPS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WilliamFoxall(1999)曾利用InSAR技术对NevadaTestSite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InSAR技术用于极端环境形变监测具有的优越性。

　　表1UpperSilasia煤田开采下沉盆地GPS控制点的沉降量

与InSAR对比表(1993年3月9日～8月10日)

控制点

4600458145822405240325902591

GPS

InSAR

差值

(mm)-6+5-2+5+5+5+1

测点沉降(mm)

48384330263235

计算沉降(mm)

42434135313736

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InSAR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。

412中　国　地　震20卷

212　InSAR技术在地面沉降监测中的应用

地面沉降主要是由于过量开采承压含水层而引起的地质灾害,它大多发生在人口稠密、

经济发达的沿海和平原地区,我国已有16个省、市的46个城市发生了地面沉降(段永侯,1998)。常规的城市地面沉降监测一般采用重复精密水准测量方法。近10年来,卫星定位及对地观测技术飞速发展,这种野外作业周期长、耗费大量人力物力的传统测量方法已逐渐为周期短、精度高,布网迅速的GPS技术所取代。一般说来,水准测量可达到1～10mm,GPS测量则为5～20mm。

在国外,InSAR技术进行地面沉降监测已进入实用化阶段。Wegmuller(1999)利用1992年8月至1996年5月期间的ERS数据监测意大利Bologna城的沉降情况,并与常规测量数据对比,发现形变场及形变速率较为一致;同时,日本的Nakagwa等(2000)利用JERS21L波段的SAR研究Kanto北部平原的地面沉降,发现L波段比C波段的SAR数据更适合平原地区的地面沉降研究;KazuyoHIROSE等(2001)借助JERS21ΠL2SAR对印度尼西亚Jakarta地区因过度开采地下水而引起的地面沉降监测取得了满意的效果。InSAR监测结果表明,该地区1993～1995年下沉10cm,1995～1998年下沉6cm,水准测量结果为1991～1997年下降6～10cm,GPS测量结果为1995～1998年下沉6cm,结果吻合很好。此外,英国的BNSCADP2(英国国家空间中心,自动数据处理计划)计划也将开展InSAR地面沉降研究。

西南交通大学与理工大学合作利用InSAR技术对赤腊角机场沉降场进行分析,认为InSAR对微小的地表沉降具有很高的敏感度,结果精度优于1cm(Liu,etal.,2002)。中科院遥感所选取位于“苏锡常”大沉降区的苏州市,利用InSAR技术进行了城市地表沉降监测,与常规水准测量相比,两者相关度达01943,说明InSAR测量值与其保持很高的一致性;进一步统计分析表明,样本对的差异均值为41460208mm,标准误差均值为011702mm,如果以水准测量结果作为地面形变的真值,则InSAR测量精度可达5mm(样本对的差异均值+标准误差均值),顾及各种影响,InSAR技术监测精度仍可达到10mm(表2)(王超等,2002a)。InSAR技术在天津市地面沉降监测的试验也取得了一致的结论(路旭等,2002)。

国内外InSAR技术用于地表沉降监测的实践表明,InSAR技术同样具有大面积、连续、快速、准确的优势,由于城市地面覆盖植被较少,城市用地变化较少,干涉测量在城市区域往往表现出较高相干性;而且InSAR监测可得到一定面积空间的平均变化估算值,而传统方法只能得到点或线的差异。这些特点说明InSAR技术特别适合城市环境的地面沉降监测。同时,由于地面沉降形变时间更长(干涉相干大大降低),形变量更小(大气等影响更大),差分干涉会面临更多的困难。

　　表2　

方　法精密水准测量GPS测量InSAR监测

几种地面沉降监测方法的比较(王超等,2002a)

形变分量垂直水平Π垂直距离向

精度(mm)1～105Π20

10

样本频率(Πd)

1～1010～30

µ106

样本密度10～10010～100

105～107

测量方式线网络面

213　InSAR技术在地壳与构造地质形变监测中的应用

地壳与构造地质形变包括地壳运动、地震形变、火山活动及固体潮等。由于固体潮变化量很小,监测精度要求达到毫米级甚至亚毫米级(国家地震局科技监测司,1995),已超出

4期马　超等:星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InSAR)技术在形变监测中的应用概述

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InSAR技术对形变的捕捉范围,故在此不做讨论。21311　用于地壳运动研究

在国外,已有学者用InSAR技术研究地壳运动及板块漂移,其中规模最大的当属美国国

家科学基金会(NSF)、地质调查所(USGS)和国家航空和航天局(NASA)联合发起的“地球探

(Earthscope)计划。计划由USArray(美国地震阵列)、测”SAFOD(圣安德烈斯断裂深部观测站)、PBO(板块边界观测站)和InSAR(干涉合成孔径雷达)对北美地区和太平洋板块提供空间间隔30～100m,时间间隔8天的测量数据,这些数据将揭示各种地形上向量解达1mm的水平和垂直运动。在我国,InSAR技术在这一领域中的应用刚刚起步,中国地震局、国家测绘局和中国科学院共同承担了“九五”国家大型科学工程“中国地壳运动观测网络”,计划将利用GPSΠInSAR组合技术,快速重建覆盖全国的高精度高分辨率数字地形图,监测地壳微形变及其与周边地区地壳精细的相对运动关系,反演覆盖全国的精细大地构造。InSAR干涉测量将成为全球DEM建立的唯一有效技术。由于地壳运动形变具有大空间尺度,大时间跨度和微小形变量的特点,在以往的地面观测实践中,很难或者说是不可能获取连续的地壳垂直形变场及形变特征。由于InSAR技术精度可靠,技术可行,可以获得大空间尺度,大时间跨度的微小形变阶段性累积量,是连续空间的地壳变形尺度和变形速率等定量化数据的基础。加之通过与GPS、VLBI和SLR技术相结合,必将成为地壳运动观测与分析的有力工具。21312　用于地震形变研究地震形变监测是InSAR技术应用最为成功的领域之一。Massonnet等(1993)利用ERS21数据获取了1992年的Landers地震(MS712)的形变场,并将其结果与其它类型的测量数据及弹性形变模型进行比较,结果相当吻合。此后通过对1993年加州的EurekaVally地震(PeltzerandRosen,1995)、1994年加州Northridge地震(MassonnetandFeigl,etal.,1995)、1995年希腊的Grevana地震(Meyeretal.,1996)、1995年日本Kobe地震(Ozawaetal.,1997)和1999年加州HectorMine等地震(Allisonetal.,2002)的研究,表明InSAR为震前、震间、同震、震后和抗震构造的机理研究提供了很好的帮助。美国的“地球探测”计划研究的InSAR部分配合GPS和应变观测数据将能够勾画出地震和火山爆发前后地面位移分布图,从而可进一步了解断层破裂机制和岩浆运移机理。

我国位于印度板块、欧亚板块和太平洋板块相互作用的交汇处,处于西太平洋地震活动带与地中海-喜马拉雅地震活动带之间,属地震高发区(陆仲家等,1991),采用三通差分干涉测量(D2INSAR)技术,已对1997年玛尼地震(单新建等,2001)、1998年张北-尚义地震(王超等,2000;单新建等,2002a)和1999年集集地震(Liang,etal.,2001)进行了较为深入的研究。2001年11月在青藏高原昆仑山口西发生了MS8.1地震,我国学者利用40景ERS22数据,采用两通+DEM的干涉测量技术对该震区420多公里破裂带的同震形变进行了详细研究,其研究规模及详细程度为地震界鲜有(单新建等,2004)。此外,以玛尼地震为

例的利用InSAR技术开展的震间研究也已起步。

InSAR技术的应用为地震研究开拓了一条新的途径。InSAR技术可以使我们直接获取大范围的、连续空间覆盖的断层位移和运动速率等定量化的基础数据,为深层了解地震重复间隔、潜在震源区等问题,从而认清地震应力应变的积累与释放过程,并为结合其它资料建

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立断层运动与地震发生的理论模型做准备。InSAR技术不受大空间尺度和复杂自然因素影响,可以获得极为经济的垂直形变信息,结合GPS的高精度水平形变信息,在时间轴上进行

矢量叠加,可以得到区域地表的三维动态位移场、速度场和应变场,对于监测震前的微量形变、震时的同震位错和震后的变形回弹等地形形变研究,有着极其重要的意义,可为地震预测提供丰富可靠的定量信息。2000年西太平洋地球物理会议上提出的InSARΠGPS的测量结果集成,进而利用InSAR和GPS双内插和双估计(DIDP)进行地震形变测量,是InSAR技术的延伸,这一技术已成功运用到1992年发生在南加州的地震形变场研究中(胡建国等,2001)。21313　用于火山活动研究

火山爆发是突发变形,也是最严重的自然灾害之一。我国境内有3处休眠火山,即吉林长白山天池火山、云南腾冲火山、黑龙江五大连池火山,都有潜在喷发危险性;极少数火山近代有活动,如的大屯火山群。

地形变是监测岩浆活动和预测火山喷发的主要手段之一,虽然一些地体活动和形变在喷发前并设有处于峰值点,但多数火山在喷发前确有很明显的地表形变。精确的地表形变探测可推测火山活动模型,还有助于进行火山爆发的预测。常规的监测岩浆囊膨胀和收缩的方法包括地球化学、大地测量、GPS测量及应变测量等。基于InSAR技术,一个月数次的重复观测很容易监测每月几个厘米的火山运动形变量,无论在热带雨林如夏威夷的Kilauea火山(Rosenetal.,1996),还是在极地冰雪地带如阿拉斯加Katmai地区(Lu,etal.,1997;1998),SAR图像均能保持令人满意的相干性。Moughinis(1996)及Rowland等(1996)利用InSAR干涉技术提取GalapagosFernandia火山的坡度,来研究火山爆发时的物质变化。目前

研究人员已经成功地利用InSAR差分技术监测火山形变情况,其中包括意大利的Etna火山,夏威夷的火奴鲁鲁火山等(Massonnet,1995;Briole,etal,1997),我国学者在这方面也进行了有益的探索,如基于SAR图像的长白山天池火山近代喷发物的空间分布规律的研究等(单新建,2002b)。

实践表明,与常规法相比,InSAR技术具有如下优势:无需布设先期的地面控制点;其次,InSAR能够对活火山周围的整个形变区进行大范围的详细空间覆盖;尤其重要的是,火山爆发使得地面测量非常危险,采用InSAR技术能够收集到火山爆发预测所需的关键数据,使实测危险性最小化。

214　InSAR技术在其它形变监测中的应用

这部分应用包括冰川运移及山体滑坡。21411　在冰川研究中的应用

内陆与极地的冰原、冰河、浮动的冰架和高山冰川等共同组成冰冻圈,由于其独特的地域特征和巨大的时空延展性,其定量化一直是冰川学研究的一个难点,而获得准确的冰容量及运动数据对研究全球气候、淡水储量等具有重要作用。InSAR干涉测量技术对冰川研究有两大技术优势:首先无需现场测量,InSAR干涉技术能够提供完整的、高分辨率的、高精度的地形数据;其次,重复轨道差分测量能够获得冰的缓慢流动及变化。Goldstein等(1993)首次在没有地面控制点的情况下直接测量冰流速度。目前各国学者已利用InSAR技术对冰川地形、冰流速度、温带冰川及冰川学应用等多个方面进行了研究。如Goldstein等(1993)对南极的Rurford冰河进行了测量,Hartl等(1994)利用SAR数据研究Filchner2Ronne冰架的潮汐

4期马　超等:星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InSAR)技术在形变监测中的应用概述

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位移,Kwok等(1996)测量了格陵兰东北部冰河的相对速度等。我国用InSAR手段研究高原

积雪已经起步(李震等,2001;2002)。

实践中,冰Π雪原的表面变化、山地冰川的地形变化、高度随时间和空间的变化等都给InSAR测量数据获取与解译带来了困难,InSAR冰川研究还有许多有待解决的技术问题,如冰的散射与透射问题,冰的测高与测速精度等。此外,极地冰川研究的数据仍很匮乏。21412　在滑坡研究中的应用在我国西部尤其西南地区,因构造运动频繁、地形地质环境复杂及降水量较大等,滑坡现象十分发育。滑坡作为一种地质灾害,由于其产生条件、作用因素、运动机理的多样性、多变性和复杂性,预测及预防都很困难。滑坡监测方法主要是常规三角测量、应力应变测量、地震监测、近景摄影测量和GPS遥测监测网等,以及多采用几种监测手段联合的方法。目前已有采用InSAR手段研究滑坡的先例。如Achache(1995)及Fruneau等(1996)对法国南部Saint2EtiennedeTinee的滑坡现象(1995～1996年)应用D2InSAR技术进行监测,几十个干涉图使用ERS21Π2SAR图像序列生成并从中提取位移梯度图,利用它们模拟该地区的变形模型,处理结果与常规离散监测方法吻合程度很高。在我国地区,将遥感应用于滑坡监测与治理较早,如在1998年,实现了遥感与GIS技术集成开展滑坡危险区预测研究(单新建,2002c),2000年利用高精度遥感卫星影像对青山地区滑坡体的监测及治理工程。近几年,内地也开始合作利用InSAR技术对滑坡体的发展、堰塞湖水量的增长、下游河道的坡度等进行监测和定量计算研究(Xia,etal,2002)。

滑坡通常形变范围较小,滑坡体形成前形变量较小,需预先通过高精度的DEM进行预估。尽管如此,滑坡由于在短时间造成地表破坏,往往导致InSAR干涉失相干,形变提取成功率较低,目前InSAR技术开展的滑坡监测研究较少。但已有些开拓性的设想,如放弃测区相干区研究,转而通过退相干区研究滑坡(HoonyolLee,etal.,1999)。

3　结语

雷达波具有穿透能力,对地物粗糙度、地物内部结构和介电常数等都十分敏感,具有全天候、全天时、能揭露目标表面和内部物理属性的特性;合成孔径雷达在此基础上加载了实时、动态成像特点;星载合成孔径雷达还具有大范围、高精度和连续观测的优点。鉴于这些属性与特点,InSAR技术在形变监测领域具有得天独厚的优势。

目前,InSAR形变监测技术正从一般尺度及规模的形变监测(如地震形变,冰川运动,火山形变)向大尺度大规模的形变监测(如地壳运动)和小尺度小规模的形变监测(如地表沉降,开采沉陷,滑坡监测)的方向发展;从采用早期单波段单极化相干数据,提取表面形变量、形变场,到采用多波段多极化相干数据,提取形变场及物理特性场的方向发展;从形变场定量化分析到形变预测及定性化辅助分析方向发展。

当前,各种InSAR形变监测技术共同面临的问题是高精度、高可靠性、多波段、多极化、多视角和多工作模式等的SAR数据源的匮乏,而下一代新型SAR系统ENVISAT21(已于2002年3月发射成功)、RADARSAT22、ALOS、SIR2D等都充分地考虑了InSAR的应用,随着新型SAR数据的加入和研究的不断深入,对InSAR形变研究提出了新的课题,但同时也意味着更广阔的应用前景。

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MonitoringDeformationUsingDifferentialInterferometry

Space2borneSyntheticApertureRadar

MaChao

1),2)

　ShanXinjian

1)

1)(StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China)

2)(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract　Inthepaper,maindeformationtypesofearthsurface(includingminingsubsidence,groundsubsidence,crustmovement,earthquakedeformation,volcanomovement,glacialmovementandlandslide)anditsdistributioninChinaarediscussed.CombiningInSARtechnique(InSARandD2InSAR)anditscharacteristics,itsapplicationanddevelopmentofforeignanddomesticareintroducedindeformationmonitoringfieldinrecentyears.Finally,theauthorsputforwardthatthankstoInSARtechnologiccharacteristics,offeringsomenewmethodsandmeans;InSARisofimportanttechnologicadvantagescomparingwiththetraditionalmethodsinthedeformationmonitoring.ItissurethatInSARwillpromotethedevelopingofdeformationmonitoringinthefuture.Keywords:SAR(SyntheticApertureRadar)　InSAR(InterferometrySyntheticAperture

Radar)　D2InSAR(DifferentialInterferometrySyntheticApertureRadar)　Deformation