基于INSAR技術的地表形變監測探究

朱瑞杰　師帥　劉歡

摘 要：近年來，由于地表形變引發的地質災害頻繁發生，嚴重威脅人們的生命財產安全，因此加強地表形變監測具有十分重要的意義。隨著科技的不斷進步，傳統的監測技術難以滿足現代社會的發展要求，INSAR技術作為一種新型的空間對地觀測技術，具有精確度高、實時動態監測等優點，在地表形變監測中得到了廣泛應用。本文簡單分析了INSAR技術的基本工作原理及其在地表形變監測中的具體應用。

關鍵詞：INSAR；地表形變；監測

中圖分類號： TP79 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）29-158-2

0 引言

由于受到過度抽取地下水、大量開采煤礦等人為因素以及冰川漂流、火山運動等自然因素的影響，地球表面時刻發生著細微的形變，當形變積累到一定程度，將會引發嚴重的地質災害，例如火山、地震、海嘯、滑坡等，對自然環境以及人們的生命財產安全構成嚴重的危害。在這種情況下，加強先進監測技術的研究和應用成為相關地質部門和企業的重要任務。隨著雷達遙感技術的不斷進步，INSAR技術獲得發展，為大范圍地表形變的監測提供了有效保障，在地表形變監測中體現出較高的形變敏感度和空間分辨率，同時不會受到惡劣天氣的影響，因此，INSAR技術具有十分重要的應用價值，值得相關部門和企業進行深入研究和推廣。

1 INSAR技術簡析

1.1 INSAR技術的基本工作原理

INSAR技術即為合成孔徑雷達干涉測量技術，其基本理論根據與干涉測量法有關。干涉測量法主要是通過兩個光源同時向同一目標發射相干光，然后以兩束相干光的相位差為依據，分析和計算出目標的位置距離。INSAR技術則是利用兩組天線裝置進行同步觀測，或者進行兩次平行觀測，從而得到地面上同一景觀的圖像，因為目標位置與兩組天線裝置的位置存在一定的幾何關系，從而在圖像中產生相位差，形成干涉條紋圖，將斜距向上的點和兩組天線的位置差等具體信息數據記錄下來。因此，INSAR技術可以通過雷達波長、傳感器高度、波束視向及天線基線距之間的幾何關系，精確地測量出圖像上每一點的三維位置和變化信息。

1.2 INSAR技術的相關工作流程

1.2.1 圖像配準處理

在INSAR技術中，圖像對的精確配準是十分關鍵的環節。圖像配準處理主要針對不同傳感器在不同時間或不同視角對同一景物所形成的兩幅圖像或多幅圖像進行匹配和疊加的過程。對于星載INSAR生成的兩幅圖像，由于并非同步得到，圖像之間的像素點不能夠一一對應，這就需要進行圖元配準，采用曲線插值或擬合等方法，將兩幅圖像中的相同位置的像素與地面同一回波點進行對應，從而形成干涉條件。圖像配準一般來說包括粗配準和精配準，粗配準存在大約一個像素的誤差，精配準可以達到亞像元精度。

1.2.2 干涉圖的生成

不同傳感器在不同時間或不同角度對同一地面景物測得復雷達圖像對，由于兩組天線裝置與地面同一目標之間的距離不相同，使得復雷達圖像對中的同名像點之間出現相位差，進而形成干涉紋圖。一般而言，圖像的配準誤差要低于八分之一個像元，才能減少對干涉條紋的影響。相位差的測量數值，地面目標的三維空間位置與該相位差存在一定的幾何關系，根據飛行軌道的參數進行分析，就可以確定地面目標的三維坐標位置，進而生成干涉圖。

1.2.3 干涉圖的濾波

利用INSAR技術進行成像處理，干涉相位圖經常受到各種噪聲的影響，造成干涉條紋不明顯。其中噪聲的來源十分廣泛，包括圖像不匹配噪聲、相干斑點噪聲、信號處理噪聲、基線相關損失、接收機熱噪聲、觀測區域地形等多種影響因素，如果噪聲源過大，甚至會覆蓋過原本的干涉條紋，這就需要對干涉相位圖進行濾波處理，減少噪聲因素引起的殘余點數量，從而提高干涉條紋的質量，有利于對干涉相位圖的二維相位進行處理。

1.2.4 去平地效應

INSAR形成的干涉圖不僅要進行噪聲去除處理，還要去除干涉圖產生的平地效應。平地效應指的是干涉圖中高度相同的平地上的干涉條紋表現出隨著方位向和距離向的變化而產生變化的現象，同時平地效應的變化存在一定的周期特性。在INSAR干涉圖中，如果地形起伏所引起的條紋和平地效應引起的條紋出現夾雜的問題，則不能夠準確地反映地表形變信息，這種情況下就要利用干涉條紋乘以復相位函數的方法來進行去除處理。

1.2.5 相位解纏

干涉相位圖在進行去平地效應后還要進行相位解纏。相位解纏的基本含義就是在相位測量值加上2kπ的相位周期，解出相位模糊度，從而準確計算出目標點的高程。其中的相位模糊度產生的原因是由于相位差形成干涉相位圖的條紋，該條紋與地面位置以2π為模形成相位，測出的相位差不到一個周期，從而失去了2kπ的相位模糊度。目前INSAR技術的相位解纏基本分為兩個步驟，第一步是以纏繞相位為基礎對解纏相位的相位梯度進行估算；第二步是采用積分法進行相位解纏，例如最小二乘法、路徑跟蹤法等，其中路徑跟蹤法的穩定性和靠性更高。在完成相位解纏處理之后，計算出地表形變信息，并將形變圖投影到地理坐標體系中。

2 INSAR技術在地表形變監測中的具體應用

2.1 火山研究

目前地球上存在很多火山存在爆發的風險，尤其是在人口聚集區，一旦火山爆發將會對人們的生命財產安全造成嚴重的影響，因此加強火山地區的地表監測具有十分重要的意義。由于火山爆發大都沒有規律可循，傳統的GPS測量技術難以進行準確判斷，一些火山在噴發前往往存在明顯的地表形變，這種情況下就可以采用INSAR技術對火山周圍的地表形變進行監測，進而有效的預測火山的爆發情況。相對于傳統的地面形變監測技術，INSAR技術在火山活動監測中存在以下幾點優勢：第一，不用進行先期的地面控制；第二，傳統的方法只能提供有限測量點的數據，而INSAR技術可以提供大范圍的覆蓋數據。如D-INSAR技術提供的數據可以繪制整個火山附近的地圖，準確的反映出巖漿移動情況的信息，實現對火山活動情況的全面監控和爆發預警。目前，很多國家已經采用D-INSAR技術對火山形變情況進行研究，例如阿拉斯加活火山、意大利Etna火山等。

2.2 冰山研究

隨著科技的不斷進步，我國的科學家早就對南北極冰川展開了科學研究，冰川的融化現象對全球氣候造成的影響成為環境科學家高度關注的研究課題。由于極地的自然環境十分惡劣，這就需要更加先進、科學的技術進行實時的監測，從而為科學家進行研究提供可靠數據。星載SAR技術在冰川和冰蓋的監測方面顯現出非常重要的應用價值。相關數據研究表明，冰川隨著氣溫變化情況十分明顯，在季節變化的過程中，冰川存在明顯移動和融化現象，而冰蓋的變化較為穩定，這就要應用星載SAR技術加強對極地地表形變情況的監測和研究，可以從以下兩方面入手，一方面使用INSAR技術獲得精度較高的地形數據；另一方面，利用D-INSAR技術對冰蓋的緩慢漂移進行測量，并對其他變化情況進行評估。

2.3 細微地表變化的研究

目前很多城市存在地表下沉的問題，尤其是不均勻地表下沉存在嚴重的危害性，對城市的建筑物和公路橋梁等基礎設施造成嚴重影響。通常，相關部門采用GPS數據測量方法來對城市的地表形變進行監測，這種測量方法存在一定的局限性，需要耗費大量的人力、物力、財力等資源，還需要對GPS監測點進行長期的維護，除此之外，GPS測量技術只能獲得離散點的下沉量，而無法對下沉的趨勢和范圍進行全面的把控。而應用INSAR技術能夠有效克服上述缺陷，由于城市周圍的地勢一般較為平坦，沒有過多的植被覆蓋，雷達能夠進行良好的反射，從而可以大大提高干涉圖像的質量，使得INSAR技術具有更加理想的應用效果。此外，對于西部的一些常規地面測量手段難以進行地形圖測繪與更新的地區以及大型的庫區及周邊的地表變形監測，INSAR技術也具有良好的應用前景。

3 結束語

總而言之，INSAR技術在地表形變監測中具有十分重要的應用價值，通過空中對地面及地面多孔徑雷達的全新監測方法，大大提高了地表形變監測的可靠性。我國地域遼闊，一些地區的地質環境十分復雜，自然條件惡劣，傳統的測量技術難以進行實時有效的監測，利用INSAR技術可以對各種區域情況進行地表形變監測，從而有效預測各種地質災害，保障人們的生命財產安全。

參 考 文 獻

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