InSAR在地表变形监测中的应用

InSAR在地表变形监测中的应用

InSAR在地表变形监测中的应用一、概述近年来地震、火山、滑坡和地面沉降等地质灾害越来越严重地威胁着人类的生存空间，针对这种灾害而发展起来的地表形变监测和测量技术就显得尤为重要。20世纪70年代后期，空间影像雷达在遥感中开始扮演重要角色。1978年美国国家航空与航天局(NASA)发射了第一颗用于观测地球表面的SEASAT卫星。而后发现，合成孔径雷达(SAR)可以广泛地用于研究陆地、冰川和海洋、于空间影像雷达使用微波信号(厘米至分米波段)很少受气象条件及是否有太阳照射影响，可以在任何时候获取全球表面信息，因此非常适用于地表面监测工作。侧视成像、脉冲压缩技术及合成孔径技术的综合应用，可以保证空间影像雷达获得几米到几十米精度的地面几何分辨率。

InSAR英文全称为Interferometric SyntheticAperture Radar,InSAR，中文含义为“合成孔径雷达干涉技术”，是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，InSAR传感器可以通过记载或星载的方式对地球表面成像，于航天技术的发展，商用卫星的InSAR系统已投入应用，并不断地趋于完善，使该项技术被认为是前所未有的新的空间观测技术。研究表明：其能够生成大规模的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，InSAR用于差分模式(D-InSAR)能以cm级甚至毫米级精度在大的时间与空间尺度上探测到地球表面位移，并已应用于地震与火山研究、冰川运动监测、地球构造运动研究、地面沉降监测等领域。Goldstein等人应用欧洲遥感卫星(或称地球资源卫星)ERS-1间隔6d的数据在没有地面控制点情况下直接测定冰川速率。Massonnet等人首先利用ERS-1资料计算出1992年美国Landers 地震的同震位移，获得的地面至卫星方

向上的变化量与野外断层滑动测量结果，与GPS观测结果非常一致。Massonnet等人的方法在SAR数据处理时应用了已有的数字地面模型。美国喷气推进实验室(JPL)的Zebker等人应用差分InSAR方法获得了类似的结果，他们的方法是利用3～4圈卫星数据进行差分干涉，同时获得数字地形与形变量。InSAR是20世纪发展起来的一种新型的空间对地观测技术，它具有高空间分辨率、高精度和面矩阵测量等优点。雷达干涉测量已经广泛的应用于地形测绘、地球表面的形变场探测、海洋研究、森林制图和土地分类与应用等方面，得到了国际地学界的广泛关注。二、可用于干涉的雷达卫星目前已发射的多颗合成孔径雷达卫星见表1。SEASAT海洋卫星是美国国家航空与航天局发射的第一颗利用微波传感器进行海洋监测的卫星，卫星上搭载了SAR传感器，获取的SAR图像被广泛应用于冰川、地质、陆地分析等研究领域。

ALMAZ-1卫星是前苏联发射的一颗对地观测卫星，载有S波段SAR系统，遗憾的是，发射10个月后于故障卫星停止工作，但仍留下许多有用的SAR数据。ERS-1是欧洲空间局(ESA)的第一颗卫星，其SAR数据在海洋、冰川、火山、地形绘制、地形变监测、森林调查、农业等诸多方面的成功应用，极大地增强了人们对InSAR应用的信心，现在人们已经能够以mm级精度监测地表面变化；为进一步增强ERS的应用效率，1995年ESA发射了SAR系统与ERS-1完全相同的ERS-2卫星，所不同的仅是ERS-2仅以35d重复周期工作。两颗卫星可以1d或8d的时间间隔对同一区域成像，利用这种所谓前后串接(Tandem)模式开展InSAR研究。JERS-1是日本的一颗载有光学传感器合成孔雷达的卫星，以能源、森林、农业、海洋、湖泊、沼泽、冰雪等研究为主要目标。Radarsat是加拿大研制的一颗兼顾商用与科学研究试验的雷达遥感卫星，主要任务是供冰川与海洋

信息、勘测可再生资源(如林业与农业)和不可再生资源(如地质)。加拿大在两年内即将发射的第二颗Radarsat-2卫星将携带一套军事监视系统，2005年内计划发射的Radarsat-3卫星主要任务是增强防务监视能力。表1已经发射的星载合成孔径雷达卫星发射时间波段/波长(mm) SEASAT ALMAZ-1 ERS-1 ERS-2 JERS-1 Radarsat SIR-C SRTM 1978-06-28 1991-03-31 1991-07-16 1995 1992-02-11 1995-11 1994 2000-02 1 C/ X,C,L C/56 C 24 可调35 35 可变可变可变15～45 800 215 233 800 25～30 25～40 30×30 5～150 500 15～90 广扫描5～5000 C/ L/235 C/ 3,35,168 35 44 23 35 785 568 25 18×18 100 75 23 S/96 定向控制300±10 785 25 100 30×15 2×172 L/235 轨道重复周期(d) 3 中央入射角(。) 23 800 (m) 25×25 轨道高空间分辨率扫描宽度(km) 100 ENVISAT 2002-03-0航天飞机影像雷达(Shuttle Imaging Radar，SIR)是

美国NASA受SEASAT SAR成功鼓舞而实施的星载SAR计划。SIR-A与SIR-B 按计划分别于1981年与1984年实施。1994年实施的SIR-C计划是迄今为止惟一的在太空同时获取多波段、多极化的雷达数据。SIR-C搭载了单极化X波段(3cm)传感器，以及全极化L(24cm)波段与C(6cm)波段传感器。为进行重复轨道干涉，SIR-C于1994年4月与10月进行了两次飞行。航天飞机雷达地形测图计划(SRTM)是美国NASA、美国国防制图局(DMA)与德国空间局合作开展的20世纪第一次载人航天飞行雷达地形测图计划，通过装载在“奋进”号航天飞机的雷达和从航天飞机上伸出60m长臂端的另一雷达天线构成干涉雷达系统，经过222h23min的连续工作，完成了北纬60°至南纬56°的地球表面三维地形测绘，获取了前所未有的高精度地形数据。ENVISAT是欧洲航天局迄今生产的最先进的地球环境观测卫星，携带有10台地球和大气观测仪器，其中包括先进合成