CRInSAR和PSInSAR技術在地表形變監測中的應用

顏芳 孫芳 徐銳 岳雷 劉宇薇

摘 ? 要：基于人工角反射器和永久散射體的InSAR技術對于監測地面形變的效果理想，能夠檢測到3～5個毫米級量級的地表形變運動，可彌補靜力水準測量、GNSS監測在地表形變監測的不足。文章描述了位于涿州園區的CR的設計、安裝方法，并結合該CR和距離園區5 km內的PS形變數據進行了分析，驗證了角反射器InSAR技術在地表形變監測領域的可行性。

關鍵詞：合成孔徑雷達干涉測量;人工角反射器;永久散射體;地表形變監測;精度分析

1 ? ?技術背景

合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術作為一種連續的、區域覆蓋的地面形變監測方法，在地質災害監測領域發揮了愈來愈明顯的作用[1-2]。而基于人工角反射器（Corner Reflector，CR）和永久散射體（Permanent Scatters，PS）的InSAR技術，簡稱CRInSAR和PSInSAR技術的出現有效地提高了重軌圖像系列的時間相干性和空間相干性，測量精度也較常規InSAR測量精度有所提高[3-6]。本文描述了CR的原理、設計方法，并結合該CR和距離園區5 km內的PS形變數據進行了分析。

2 ? ?角反射器的設計

2.1 ?角反射器的結構設計

本方案中選用三面角的角反射器，如圖1—2所示。材料為鋁板和鍍鋅鐵皮雙層結構，鋁板厚度3 mm，外加鍍鋅鐵皮（1 mm厚）以保護反射面（鋁板），邊側加三角角鋼加固;3塊金屬板之間的相互垂直角度加工公差不超過±1°;在棱邊設置了3個活動關節，通過伸縮桿來調節CR的仰角;在頂底處設置了一漏水孔，防止積水影響其反射路線;為獲得最大反射截面（Radar Cross-Section，RCS），可根據雷達數據軌道信息來調整角反射器的底邊方位角，并使角反射器的底邊與衛星飛行方向平行。

2.2 ?角反射器的結構尺寸及角度參數

根據調研，可以獲取SAR數據的雷達衛星包括德國TanDEM-X系統、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2衛星、歐空局Sentinel-1星座等4個雷達衛星系統。其中前3個為收費系統，歐空局的Sentinel-1星座（兩顆衛星—A，B）提供免費數據下載。收費衛星數據費用高昂，每景數據的費用根據參數不同為一萬多元到六萬多元不等。出于成本考慮，項目最終選取歐空局的Sentinel-1星座提供的數據進行研究。該數據下載一景約7.8 G，需2～3天。

根據選取的衛星系統，最終確定角反射器的各參數如下：

（1）CR的底邊尺寸。需要達到所接收雷達信號波長的10～80倍，而Sentinel-1雷達系統的中心頻率為5.405 GHz，則其波長λ為5.55 cm。所以可設計CR直角邊為1.2 m（21倍）或者1.5 m（27倍）。

（2）底邊方位角。根據所要選取的SAR數據獲取模式：升軌或者降軌（見圖3），來調整角反射器的底邊方位角，并使角反射器的底邊與衛星飛行方向平行。最終計算確定升軌角反的底邊方位角為10.7°（朝西），降軌角反的底邊方位角為10.7°（朝東）。

（3）CR仰角。根據SAR衛星的入射角調整CR的仰角。當雷達波入射方向與CR的法線方向平行時，CR散射截面最大，因此CR的布設應滿足這一條件。由于SAR數據訂購之后，其衛星的入射角是一定的，因此CR的仰角是固定不隨地點變化的。Sentinel-1衛星在Interferometric Wide Swath模式下的入射角為30°～42°。因為無法精確確定設備安裝點的衛星入射角，所以選取衛星入射角中間值36°作為入射角，γ=90°-35.264°-θ，則仰角γ的值為18.736°。

3 ? ?試驗測試

3.1 ?儀器布設

在涿州工業園區安裝2臺角反射器，針對哨兵1號衛星布設，一臺降軌朝向（1號CR），一臺升軌朝向（2號CR）（見圖4）。因1號CR的滴水孔尺寸太小，已被樹葉及灰塵全部堵住，角反射器的反射面氧化嚴重，下文不再對1號CR的數據進行分析。

3.2 ?試驗結果

本次試驗獲取了2018年1月1日—2018年11月的20景哨兵1升軌和降軌影像。20期影像中1號CR無任何影像，2號CR點處的“十字星”不明顯，PS點角反射器反映明顯的“十字星”特征，其影像特征如圖6所示。

2號CR點和3號PS點在SAR影像中的分布，與實際GNSS接收機測試的坐標一致，如圖7所示。

經過IN-SAR形變計算，獲得2號升軌角反射器的形變曲線如圖8所示。

經過IN-SAR形變計算，獲得PS角反射器的形變曲線如圖9所示。

3.3 ?結果分析

根據上面的試驗結果分析如下：（1）1號CR因氧化嚴重，從SAR影像上根本無法識別。（2）2號CR在SAR影像上的十字星特征不明顯，但能識別到，可能是垂直度誤差大于1°，也可能是角反射器放的位置偏低引起，目前約1 m左右，在后面的試驗中會改進角反射器的設計，將垂直度誤差調整至小于1°，同時調整角反射器的安裝高度至5 m左右。（3）由于2號CR在7月23號的高程調整了25 mm，其可能引起該CR在SAR影像上高程的變化，無法標定其代表的光學點在高程上變化了多少，但從圖8中可以看出2號CR在調整高度后高程有上升的趨勢。（4）3號PS點的“十字星”特征明顯，該PS點的高程變化在0～3.5 mm，能夠比較真實地反映該PS點所在的區域的變化趨勢。

4 ? ?結語

通過試驗發現，本試驗中設計的1號CR和2號CR無論從設計上還是安裝上，均有許多需要改進的地方，并不能真實地反映該區域的高精度形變趨勢。但通過SAR影像獲取的PS點，有較明顯的“十字星”，可以監測該PS點所在區域的形變趨勢。

若后期有條件的話可以考慮用收費的衛星數據，從歐空局網站上下載免費的哨兵一號數據，其數據空間分辨率為20 m，而目前在軌商業SAR衛星空間分辨率最高可到1 m。可以考慮購買商業SAR衛星的數據來增加測量的精度。

[參考文獻]

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Abstract：The research and application show that the InSAR technology based on artificial angle reflector and permanent scatterer is ideal for monitoring the ground deformation， and can detect the surface deformation motion of 3～5 millimeters， which can make up for the deficiency of static leveling and GNSS monitoring in the surface deformation monitoring. This paper describes the design and installation method of the CR located in Zhuozhou Park， and analyzes the deformation data of the CR and the PS within 5 km from the park to verify the feasibility of the angular reflector InSAR technology in the field of surface deformation monitoring.

Key words：interferometric synthetic aperture radar; corner reflector; permanent scatters; surface deformation monitoring; accuracy analysis