時(shí)序InSAR技術(shù)及其在京西北試驗(yàn)區(qū)微小形變的應(yīng)用研究

張桂芳

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

時(shí)序InSAR技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新的InSAR測(cè)量技術(shù)。其中PS-InSAR技術(shù)是通過(guò)分析高相干的永久散射體相位變化信息提取形變，受時(shí)間和空間基線的限制小，該方法需要假設(shè)形變特征為勻速，同時(shí)需要大量的SAR數(shù)據(jù)(25景)來(lái)估算大氣效應(yīng)貢獻(xiàn)值；短基線技術(shù)(SBAS)可以降低幾何去相干的影響，同時(shí)較短基線使DEM誤差的敏感性大大降低，但該方法通過(guò)一定大小的窗體計(jì)算相干性，并據(jù)此來(lái)選擇時(shí)間序列穩(wěn)定點(diǎn)，窗體操作降低了被選像元的分辨率，但抑制了噪聲相位的影響；干涉圖疊加方法(interferogram stacking)是將多幅差分干涉圖進(jìn)行疊加，提高結(jié)果中形變信息對(duì)大氣干擾的相對(duì)精度，可以獲取大區(qū)域的連續(xù)形變場(chǎng)；CR-InSAR技術(shù)將人工角反射器作為觀測(cè)對(duì)象，通過(guò)建立CR點(diǎn)上的形變模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)如滑坡、水庫(kù)和斷層的形變監(jiān)測(cè)。從以上的敘述可以看出，幾種時(shí)序InSAR技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而本文最終的研究目標(biāo)是監(jiān)測(cè)京西北試驗(yàn)區(qū)的地表微小形變，所以論文選用以上幾種時(shí)序InSAR技術(shù)作為地表形變監(jiān)測(cè)手段，獲取覆蓋試驗(yàn)區(qū)不同尺度的形變速率場(chǎng)。在沒(méi)有GPS和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)資料的情況下，同一區(qū)域不同監(jiān)測(cè)技術(shù)手段得到的形變場(chǎng)之間可以相互檢驗(yàn)，對(duì)比其可靠性和精度。圍繞這一目標(biāo)，論文的研究工作主要聚焦到以下內(nèi)容。

1 角反射器輻射特性研究

在理想狀態(tài)下，雷達(dá)散射截面與有效散射面積和雷達(dá)波長(zhǎng)有關(guān)。為更清楚地認(rèn)識(shí)在不同環(huán)境背景下，不同尺寸的角反射器對(duì)雷達(dá)信號(hào)實(shí)際的反應(yīng)特性，論文對(duì)角反射器的輻射強(qiáng)度進(jìn)行分析。以三角形角反射器為例，在完成角反射器設(shè)計(jì)制作、選點(diǎn)安裝和定標(biāo)以后，利用R-D模型和鄰域搜索算法對(duì)角反射器像素進(jìn)行了精確定位，然后統(tǒng)計(jì)各個(gè)角反射器對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度，并對(duì)角反射器安裝前的背景輻射強(qiáng)度與不同尺寸角反射器輻射強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)分析可知，反射器安裝后輻射強(qiáng)度較背景輻射強(qiáng)度有明顯增加，而且輻射強(qiáng)度隨角反射器尺寸的增加而增大。角反射器安裝前，背景的平均輻射強(qiáng)度為214.117 1，即46.6 dB；邊長(zhǎng)為1 m×1 m角反射器的平均輻射強(qiáng)度為646.314 6，即56.2 dB；邊長(zhǎng)為1.2 m×1.2 m角反射器的平均輻射強(qiáng)度為902.059 0，即59.1 dB；減去輻射定標(biāo)常數(shù)45.1 dB，則背景和兩個(gè)不同邊長(zhǎng)角反射器的輻射強(qiáng)度分別為1.5 dB、11.1 dB和14.0 dB。角反射器安裝前后輻射強(qiáng)度離散指數(shù)則隨角反射器尺寸的增大而減小，安裝前背景、邊長(zhǎng)為1 m×1 m角反射器和邊長(zhǎng)為1.2 m×1.2 m角反射器的輻射強(qiáng)度平均離散指數(shù)分別為0.305 7、0.133 7和0.116 8，這說(shuō)明角反射器尺寸越大，角反射器輻射強(qiáng)度越穩(wěn)定。但角反射器相位在安裝后沒(méi)有表現(xiàn)出穩(wěn)定的特性，這可能與在SAR數(shù)據(jù)獲取和raw數(shù)據(jù)處理過(guò)程引起的相位誤差有關(guān)。論文還分析了角反射器所在像素及其周?chē)?鄰域像素的相位，發(fā)現(xiàn)在3×3窗口內(nèi)9個(gè)像素間的相位不具相關(guān)性，彼此之間的相位差很大，而且沒(méi)有任何規(guī)律，這說(shuō)明角反射器相位受噪聲影響仍然嚴(yán)重。

2 CR點(diǎn)形變速率獲取

角反射器的優(yōu)勢(shì)之一是能長(zhǎng)時(shí)間保持相干性，而且相干性也不受空間基線的影響。所以可以充分利用數(shù)據(jù)，在長(zhǎng)時(shí)間大空間基線條件下分析CR點(diǎn)的形變；同時(shí)論文也在小基線集的情況下對(duì)CR點(diǎn)的形變做了分析。由第一部分內(nèi)容的分析可知，角反射器像素的相位受噪聲影響嚴(yán)重。為抑制噪聲相位的影響，在進(jìn)行干涉處理前，對(duì)角反射器像素及其周?chē)?鄰域像素的實(shí)部和虛報(bào)分別作了平均處理，然后對(duì)具有平均后實(shí)部和虛部的CR點(diǎn)集復(fù)共軛相乘。針對(duì)離散CR點(diǎn)差分干涉相位解纏的問(wèn)題，在分析總結(jié)已有的角反射器相位解纏方法的基礎(chǔ)上，參考基于相對(duì)高程的相位解纏方法，提出了基于高程差的相位解纏方法。前者是基于CR點(diǎn)之間相對(duì)高程差進(jìn)行相位解纏，而后者是基于CR點(diǎn)實(shí)測(cè)高程與其對(duì)應(yīng)的DEM高程之間的差進(jìn)行相位解纏。試驗(yàn)區(qū)CR點(diǎn)差分干涉相位的解纏應(yīng)用證明了本論文提出的基于高程差的相位解纏方法的實(shí)用性。大氣水汽空間上的垂直分層使得大氣效應(yīng)的影響與地形相關(guān)，大氣效應(yīng)在1～2 km的范圍內(nèi)是空間相關(guān)的，而試驗(yàn)區(qū)內(nèi)部分角反射器的距離超過(guò)了這個(gè)空間相關(guān)的范圍，針對(duì)這種情況，研究過(guò)程中用線性模型模擬大氣相位與地形的關(guān)系，從而減弱CR點(diǎn)上大氣相位誤差。通過(guò)CR點(diǎn)集相位分析模型得到了長(zhǎng)時(shí)間大空間基線和小基線集兩種條件下的CR點(diǎn)形變速率場(chǎng)，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。兩種條件下CR點(diǎn)形變趨勢(shì)基本相同，即CR點(diǎn)形變以視線向下降為主，形變速率為-2.0～0.0 mm/a。在沒(méi)有GPS和水準(zhǔn)形變資料的情況下，用兩種條件下分析得到的CR點(diǎn)形變速率相互比對(duì)，即可驗(yàn)證CR點(diǎn)形變的正確性，也有力地證明了角反射器的優(yōu)勢(shì)：在時(shí)序數(shù)據(jù)集中不受時(shí)間和空間基線的限制，能夠保持良好的相關(guān)性，為長(zhǎng)時(shí)間大空間基線數(shù)據(jù)的利用提供了更好的條件。

3 京西北試驗(yàn)區(qū)大區(qū)域微小地表形變速率場(chǎng)獲取

論文用PS-InSAR技術(shù)和干涉圖疊加技術(shù)在京西北試驗(yàn)區(qū)做了應(yīng)用研究，分別獲取PS-InSAR覆蓋了70 km×45 km范圍的離散點(diǎn)形變速率場(chǎng)，和覆蓋盆地內(nèi)部(不包含水庫(kù)區(qū)域)及盆地內(nèi)邊緣的干涉圖疊加形變速率場(chǎng)。兩種技術(shù)獲取的形變速率場(chǎng)在重疊區(qū)域結(jié)果基本一致，即盆地內(nèi)部視線向下降，形變速率為-2.0～0.0 mm/a；盆地內(nèi)部的鎮(zhèn)級(jí)居住區(qū)比縣級(jí)居住區(qū)下降速率大，對(duì)應(yīng)的形變速率分別為-3.0～-2.0 mm/a和-2.0～-1.0 mm/a；盆地邊緣區(qū)的形變速率是-1.0～1.0 mm/a，說(shuō)明斷裂帶的形變速率梯度范圍是0～2.0 mm/a；盆地外邊緣到山區(qū)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是視線向上升，PS-InSAR時(shí)序形變場(chǎng)顯示上升速率為1.0～4.0 mm/a，PS-InSAR技術(shù)得到的形變速率略大于干涉圖疊加形變速率，這可能是由PS-InSAR技術(shù)誤差傳播引起的。據(jù)方仲景等人(1993)對(duì)延礬盆地北緣斷裂的研究，其垂直形變速率為0.17～0.91 mm/a，本文給出延礬盆地北緣斷裂的形變速率與這一研究結(jié)果基本一致。