基于時序InSAR的青藏高原凍土監測研究

李 真 實

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

1 概述

我國約22%的國土面積含有多年凍土，主要分布在青藏高原和東北地區。其中，青藏高原是世界上海拔最高、面積最大的多年凍土區。溫度處于0 ℃以下達兩年以上者，稱之為多年凍土。廣義上的多年凍土層可進一步劃分為靠近地表的活動層(Active Layer，ALT)和其下的永凍層，如圖1所示。其中，活動層對溫度十分敏感，表現為其中冰和水隨季節溫度變化而相互轉化：氣溫較高的夏季，活動層中的冰融化成水，體積減少，地表下沉；寒冷的冬季時，水凝固成冰，體積增加，地表抬升。凍土的季節性周期形變較為劇烈，形變幅度可達20 mm～30 mm，循環往復的凍脹與融沉現象反映在地表，對建筑、路橋等設施造成了潛在的隱患。氣候變暖的條件下，凍土呈現出退化的趨勢，表現為其下的永凍層轉化為活動層，活動層厚度增加，地表沉陷。

高寒地區的建筑設施須考慮凍土的影響，尤其是活動層的季節變化導致的地表運動。形成高質量、高分辨率的凍土分布、分類圖，對基建而言是至關重要的。同時，凍土中儲存有大量的碳，氣候變暖使得凍土退化，其中大量的碳將被排放到大氣中，進而加劇氣候變化，形成惡性循環。凍土監測與研究，無論對生態環境還是生產建設，都具有相當的研究價值。

凍土研究主要以成圖為目的，旨在獲取高質量的凍土地圖，揭示凍土成分、深度、類型的時空分布規律，為生態、基建等領域提供參考。對凍土區傳統的野外勘探效率低，且高寒地帶的惡劣環境也帶來了極大的人身風險；后來，光學遙感等方式開始應用于凍土探測，通過獲取的土壤參數，使用數學模型對活動層厚度進行反演；青藏高原多年凍土模型不斷完善，其輸入的參數不斷改進。為了進一步完善現有模型，InSAR技術在地表形變監測領域逐漸得到普及，越來越受到模型研究者的重視。

2 InSAR技術概況

合成孔徑雷達(SAR)干涉測量技術，是20世紀70年代左右興起的一門微波遙感技術。起初它被應用于天體表面的觀測，而后被引入地表變形監測并得以推廣，精度可達毫米級。SAR發射電磁波，能夠穿透一定厚度的物體，根據其波長不同，其波段可分為X，C，L，P波段，穿透力由弱到強。如C波段可穿透稀疏低矮的草地，L波段則可穿透茂盛的叢林。最先出現的差分干涉(D-InSAR)技術多用于兩個特定時間點之間地表形變的獲取，但無法獲取一系列時間點的連續形變序列，從而難以揭示或分析地表形變隨時間變化的規律。其次，合成孔徑雷達干涉測量受到干涉對的時空基線制約，例如兩幅SAR影像的時間基線過長，可能就會遭遇隨時間推移地表變化太大而導致的時間失相干；而空間基線越長，則干涉對組合對地形變化就越敏感，過長的空間基線可能帶來較強的噪聲影響，給地表變形監測帶來不便；SAR傳感器發射電磁波，雖然不受晝夜制約，但是無法避開大氣影響，如何除去大氣相位始終是InSAR技術不斷完善的難題。為了克服這些困難，很多學者在D-InSAR的基礎之上提出了新的方法，對地表形變進行時序分析。

1999年，Usai等人為解決多主影像的歸算問題，提出了一種利用最小二乘方法由多個不同主影像的干涉對中求解單時段形變序列的方法，這一方法在2002年被Beradino等人加以改進和完善，形成了現在被廣泛使用的小基線集法(Small Baseline Subsets，SBAS)并處理了時間跨度8年的SAR數據，結果與GPS測量值相符，證明了該方法的可靠性。2000年，Ferretti等人提出了基于后向散射系數的時序分析方法，即PS-InSAR，該方法選取地表散射系數穩定的地物點，比如人工建筑、裸巖等，對這些點的相位變化做單主影像的時序分析，以獲取時間序列。PS方法于2007年前后，由Hooper等人改進為StaMPS方法，并應用于火山監測。長時間序列InSAR相較于D-InSAR的優勢，一方面在于時間的連續，另一方面也在于對大氣相位的濾除。一般的，認為大氣相位是空間連續的，其時間相關性則很低，利用這樣的特征，時序InSAR可通過空間濾波、相位回歸分析等方式估計大氣的影響，并將其從干涉對中去除。此外，對于大氣延遲模型的研究，也產生了GACOS這樣的大氣相位產品，可具體到每一天的小時，這也為去大氣提供了新的參考方法。

3 數據處理實驗

小基線集(SBAS)和永久散射體(PS)是長時間序列InSAR處理中最常見的兩個手段。其中，PS方法基于對永久散射點的選擇，它選取那些后向散射系數穩定的點進行時序分析和處理，因此較為依賴地物的穩定性，更多的用于城市區域；SBAS方法基于像元的相干性，選取高相干的干涉對并盡可能約束基線質量，進而獲取可靠的形變時序。自然地表受環境影響大，且在青藏高原等高寒地帶，冰川運動、物質積累、風蝕水蝕等現象廣泛存在，地表變化大，單主影像的PS方法容易受失相干影響，導致PS點過于稀疏。因此自然地表下，一般選擇SBAS方法較為可靠。

選取青藏高原五道梁地區2006年10月～2009年8月的22個ENVISAT ASAR單視復數影像(Single Look Complex, SLC)組成94個干涉對，其中最長垂直基線為1 000 m，最長時間基線為420 d。在組建基線網時，可以在SBAS的基礎上增加一些間隔約一年的干涉對。由于多年凍土的周期性變化，這些干涉對往往具有較好的相干性，有利于增加基線網的復雜度，進而提高解算質量。完成相位解纏后，用線性模型估計高程誤差，剔除地形殘留嚴重及解纏錯誤者。之后用時空濾波模擬大氣延遲，將其從展開相位中去除。在地圖幾何中，分辨率約為30 m。SBAS方法采用多參主影像的干涉對組合，因此不同的子集合之間至少要有1個干涉對使其首尾相連，才能完成最終歸算，得到單主影像的時間序列。在去除其他殘差后，利用奇異值分解(SVD)將所有干涉圖計算成一個參考時間序列，然后轉化為垂直形變。

4 結果與討論

雖然夏季數據大多無法獲取，但SBAS結果仍然顯示了該地區多年凍土的季節性形變，圖2顯示了該地區2006年10月31日～2009年8月11日的地表形變時序，所有形變均被歸算到以2006-10-31為參考，湖泊等相干性較低的區域被剔除。地表整體趨勢為冬季抬升，夏季沉降，符合凍土的周期性變化。典型點的形變如圖3，圖4所示，星號標記為InSAR原始觀測數據，曲線為擬合結果，可看到明顯的周期變化。該區域內，山體上的形變往往較小，形變規律性較弱，并不像平坦地區那樣平滑。雖然許多采樣點也有季節性變化，但即使最高振幅也很少達到10 mm/y，可能是由于山區的地形和氣候不利于保水。此外，雪的融化和冰川的移動可能會將物質從山上帶到地面，造成大量堆積，這些物質很可能會沿著山脈形成隆起帶，在結果中，形變大的地區往往在平坦區域，或沿著山腳分布。另一方面，沿水體的形變也更加劇烈，這可能與土壤含水量有關，凍土活動層的季節變化幅度，主要取決于其含水(冰)量的多少，含水量越高，其年際變化的潛質越大，年際變化幅度越大。在研究區內，形變較大的區域也容易出現在水系發達的地帶，這些地帶內部經常分布有零星的小湖或蜿蜒的河流。形變大的區域，其形變周期相對穩定，具有明顯的周期性和規律性，振幅較大，可達30 mm/y，這與人們對青藏高原多年凍土形變范圍(一般為10 mm～30 mm)的認識是一致的。同時，山腳下的形變除了凍土固有的周期變化外，還經常伴有線性的抬升趨勢，青藏高原海拔高、氣候寒冷，且有冰川分布，山上積雪與冰川運動的過程中，往往會造成物質遷移，進而在山腳下形成堆積。圖4這樣伴有沉降趨勢的周期變化，可能與凍土退化有關。在形變特征上，形變的峰值出現在4月左右，低谷出現在9月前后，這與凍土形變滯后的特征相符，多年凍土活動層的年變化過程，可劃分為夏季融化過程、秋季凍結過程、冬季降溫過程和春季升溫過程，共4個階段，因此其形變的最值點，將滯后于氣溫1個～2個月。結果表明，SBAS方法在該區域取得了良好的結果，揭示了該地區地表隨季節的周期性變形。

5 總結與討論

冰凍圈是全球氣候變化研究中的重點之一，相較于其他圈層，目前冰凍圈的關鍵參數與實測數據十分稀少。凍土作為冰凍圈的重要成分，其所處的地帶往往難以開展大范圍的實地勘測，從而使得研究者們將方向由實地調查轉向模型反演，試圖以遙感手段為基礎，建立觀測值與冰凍圈關鍵參數之間的關系。近年來，衛星遙感的發展為冰凍圈關鍵參數反演提供了有力的支撐，長時間序列InSAR技術的成熟，高時空分辨率的SAR衛星數據的積累，使得InSAR技術成為凍土研究的一個熱點。青藏高原是我國最大的凍土區，隨著全球氣候變暖的影響，凍土作為冰凍圈的一部分備受關注。往年的凍土分布圖限于技術水平導致分辨率較低或覆蓋不足，如今隨著遙感技術的進步，以及凍土模型的完善，高質量凍土地圖的獲取成為可能。