利用雷達干涉技術(shù)監(jiān)測區(qū)域地表形變

前言

引起地球表面形變的原因很多，包括自然因素（如地殼運動）和人為因素（如采礦與城市地下水抽?。┑?。長期以來，測量學家和地球物理學家一直在探求監(jiān)測各種地球表面形變及其災(zāi)害的有效技術(shù)和方法。20世紀70年代末發(fā)展起來的衛(wèi)星合成孔徑雷達干涉（syntheticapertureradarinterinterometry，InSAR）便是一項極具潛力的區(qū)域地表形變監(jiān)測技術(shù)。目前，歐美國家對這一技術(shù)正競相展開研究，我國對雷達干涉的研究仍處于起步階段，但已引起了國內(nèi)測繪界與地學界同仁們的極大興趣和廣泛關(guān)注?！癐nSAR”是一個嵌套式的英文縮寫，即Radio detection and ranging（Radar，無線電探測和測距，簡稱雷達），Synthetic Aperture Radar（SAR，合成孔徑雷達），Synthetic aperture radar interferometry（InSAR，合成孔徑雷達干涉）。這一縮寫方式大致說明了InSAR的發(fā)展歷程，同時也表達了它是合成孔徑雷達遙感成像與電磁波干涉兩大技術(shù)的融合。InSAR應(yīng)用于地表形變探測具有高形變敏感度、高空間分辨率、幾乎不受云雨天氣制約，并具有空中遙感等突出的技術(shù)優(yōu)勢。它是迄今為止獨一無二的基于面觀測的形變監(jiān)測手段，既可補充已有的基于點觀測的低空間分辨率大地測量技術(shù)（如全球定位系統(tǒng)、激光測衛(wèi)、甚長基線干涉測量和精密水準測量等），又可為地球物理模型反演研究、相關(guān)形變基理解釋、甚至形變?yōu)暮︻A(yù)測提供豐富的觀測數(shù)據(jù)，它已在研究地震形變、火山運動、冰川漂移、城市沉降以及山體滑坡等方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。1999-2003年，作者在香港理工大學攻讀博士學位期間，先后承擔了香港政府研究基金項目（編號：BQ406）、香港理工大學研究基金項目（編號：87A7）、香港理工大學博士學位研究基金項目（編號：GV747）和武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室開放研究基金項目（編號：WKI（00）0103），其后又主持和參予了國家自然科學基金項目（編號：40374003，50278082）。依托這些項目，對雷達干涉技術(shù)的理論與應(yīng)用進行了系統(tǒng)而深入的研究，并取得了一系列的研究成果?？紤]到目前國內(nèi)外已出版的有關(guān)InSAR的書籍或?qū)Ｖ^少，而關(guān)注和從事InSAR研究的學者越來越多，為此，作者決定出版此本專著，以期與廣大相關(guān)學者和研究人員及時分享本人的研究經(jīng)驗和成果。本書在擴展本人博士論文的基礎(chǔ)上，將主要圍繞使用InSAR測量地表形變的精度和可靠性這兩個方面展開討論和分析，并提出改善它們的有效方法和建議。本書在回顧和總結(jié)衛(wèi)星InSAR的發(fā)展歷史、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和理論背景的基礎(chǔ)上，逐章陳述有關(guān)InSAR精度和可靠性這兩方面的研究成果。全書共分為10章：第1章介紹了本書的研究目的和研究范圍；第2章介紹了衛(wèi)星InSAR的發(fā)展歷史、差分干涉數(shù)學模型及其應(yīng)用制約因素；第3章總結(jié)了使用衛(wèi)星InSAR提取形變信號的數(shù)據(jù)處理方法和工作流程；第4章分析了衛(wèi)星InSAR的誤差來源，并發(fā)展了差分干涉的誤差傳播模型；第5章討論了地形數(shù)據(jù)誤差對形變精度的影響及控制措施；第6章和第7章分別發(fā)展了干涉相位數(shù)據(jù)先驗濾波算法和衛(wèi)星軌道（基線）數(shù)據(jù)精化算法；第8章涉及干涉模型的穩(wěn)健估計理論與方法；第9章給出了衛(wèi)星InSAR應(yīng)用的研究實例，包括香港填海區(qū)域地表沉降以及臺灣西部地區(qū)的地殼形變；第10章為結(jié)論與進一步研究建議。作者感謝為本人進行InSAR研究工作而提供的各項研究基金的資助，沒有這些實質(zhì)性的資助，研究工作不可能順利進行；同時也感謝測繪科技專著出版基金的資助，使本書才得以出版；此外，還要感謝為此書出版付出辛勤勞動的各位編輯。作者對香港理工大學的三位導(dǎo)師丁曉利教授、陳永奇教授和李志林教授的悉心指導(dǎo)與幫助表示誠摯的謝意，并對丁曉利教授在本書寫作過程中所提出的許多寶貴建議和悉心修改表示衷心的感謝。此外，作者還對武漢大學的李德仁院士、上海天文臺的鄭大偉教授、西南交通大學的劉文熙教授和黃丁發(fā)教授在本研究進行過程中所給予的建議、關(guān)心、支持與幫助表示誠摯的謝意。作者期望本書的出版能給同行學者帶來方便，對他們的研究工作起到借鑒作用，為推動我國InSAR理論與應(yīng)用研究起到積極有益的影響。盡管作者已盡最大的熱情和投入來完成本書，以不辜負將要面對的諸多讀者，但由于作者水平所限，書中難免存在錯誤和不妥之處，敬請讀者不吝賜教。

內(nèi)容概要

本書采取理論闡述、實驗分析與實踐驗證相結(jié)合的形式，系統(tǒng)地講述了衛(wèi)星合成孔徑雷達干涉（InSAR）遙感技術(shù)應(yīng)用于大范圍地球表面形變監(jiān)測的基本原理、誤差來源和誤差傳播模型，并主要針對精度和可靠性這兩個方面展開討論和分析。在地形數(shù)字高程模型誤差的影響和控制、干涉相位圖的先驗濾波算法、基于地面控制點的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)（基線參數(shù)）精化、干涉模型的抗差估計等方面進行了深入研究，并提出了相應(yīng)的改善精度和可靠性的方法與建議。基于多幅歐洲空間局衛(wèi)星ERS-1和ERS-2合成孔徑雷達圖像，將上述方法和算法成功應(yīng)用到香港填海區(qū)域地表沉降以及臺灣西部地區(qū)的地殼形變的研究中，相關(guān)結(jié)果以圖文并茂的形式展示在書中。    本書可作為高等院校及研究所測繪類專業(yè)研究生教學用書，亦可作為攝影測量與遙感、空間大地測量、工程測量和地球物理等專業(yè)的科技人員與高等院校師生的學習參考書。

作者簡介

劉國祥,1968年生，湖南人，現(xiàn)任西南交通大學教授。1991年于華東地質(zhì)學院（現(xiàn)更名為東華理工學院）獲得工程測量專業(yè)學士學位；1994年于西南交通大學獲得攝影測量與遙感專業(yè)碩士學位；2003年于香港理工大學獲得博士學位。曾在香港理工大學從事合成孔徑雷達干涉研究4年，在美國

書籍目錄

第1章 綜述  1.1 研究動機  1.2 本書所涉及的研究內(nèi)容  1.3 本書寫作的組織結(jié)構(gòu)第2章 形變測量與衛(wèi)星合成孔徑雷達干涉技術(shù)  2.1 概述  2.2 地表形變及其測量途徑  2.3 InSAR的發(fā)展歷史  2.4 InSAR的基本原理  2.5 當前衛(wèi)星InSAR的應(yīng)用局限性第3章 基于差分干涉進行區(qū)域地表形變探測的數(shù)據(jù)處理  3.1 概述  3.2 SAR影像配準與重取樣  3.3 干涉圖像的生成  3.4 從干涉圖中提取形變相位  3.5 相位解纏  3.6 干涉結(jié)果影像的糾正第4章 干涉形變探測中的誤差來源分析與誤差模型  4.1 概述  4.2 SAR信號及干涉相位的統(tǒng)計特性  4.3 失相關(guān)引入的相位隨機誤差  4.4 相位解纏中的粗差  4.5 差分干涉中的誤差傳播模型  4.6 總結(jié)和結(jié)論第5章 差分干涉中地形數(shù)據(jù)誤差的影響分析  5.1 概述  5.2 實驗方案  5.3 實驗結(jié)果與討論  5.4 結(jié)論第6章 基于先驗數(shù)字濾波方法改善干涉圖質(zhì)量  6.1 概述  6.2 InSAR中的頻譜漂移現(xiàn)象  6.3 SAR圖像的先驗數(shù)字濾波算法  6.4 先驗濾波實驗及其結(jié)果分析  6.5 結(jié)論第7章 基線參數(shù)的精確估計  7.1 概述  7.2 基線參數(shù)模型  7.3 基于地面控制點的基線參數(shù)最小二乘估計方法  7.4 地面控制點的優(yōu)化布設(shè)  7.5 結(jié)論第8章 干涉測量模型中的可靠性分析與抗差估計  8.1 概述  8.2 理論背景——干涉測量模型中的可靠性分析與抗差估計  8.3 基于可靠性分析的地面控制點（聯(lián)系點）優(yōu)化布設(shè)  8.4 干涉測量模型中的抗差估計  8.5 結(jié)論第9章 衛(wèi)星差分雷達干涉應(yīng)用于區(qū)域地表形變探測中的研究實例  9.1 概述  9.2 香港填海區(qū)域沉降探測研究  9.3 與臺灣9.21集集大地震相關(guān)的地殼形變探測研究第10章 結(jié)論與進一步研究建議參考文獻附錄A彩圖

章節(jié)摘錄

插圖：衛(wèi)星InSAR既屬于微波遙感新技術(shù)，又屬于空間大地測量新技術(shù)，它在區(qū)域地表形變探測的應(yīng)用上已表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。從技術(shù)構(gòu)成和歷史的角度來看，InSAR是在融合“合成孔徑雷達遙感成像”與“電磁波干涉”兩大技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。雷達傳感器主動發(fā)射具有固定波長的微波信號，接收并記錄目標反射信號（包含目標反射能量信息和反映傳感器到目標距離的相位信息），每一像素信息可用一個復(fù)數(shù)來表達，因此SAR圖像也被稱為復(fù)數(shù)圖像。長時間以來，人們僅僅利用SAR圖像的強度（灰度）信息，而拋棄了SAR圖像的相位信息。早期的雷達遙感大多基于單張SAR圖像的灰度信息來進行地質(zhì)調(diào)查、極地冰川、土地利用、植被和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。進入20世紀70年代，射電天文領(lǐng)域發(fā)展成熟的干涉技術(shù)被引入，將覆蓋同一地區(qū)的兩張SAR圖像聯(lián)合處理并提取對應(yīng)像素的相位差（干涉相位）信息，以此恢復(fù)目標形狀如建立數(shù)字高程模型，從而導(dǎo)致了InSAR的誕生。隨后的技術(shù)擴展結(jié)果是差分雷達干涉，用以探測地球表面的微小形變。1989年，N.ASA／JPL的Gabriel等首次提出衛(wèi)星差分雷達干涉的觀點并發(fā)表了對California某地區(qū)地面垂直位移觀測的實驗結(jié)果，這種高分辨率、高精度和覆蓋范圍大的獨特技術(shù)特征以及這種形變數(shù)據(jù)應(yīng)用的巨大潛力極大地刺激了：InSAR技術(shù)的快速向前發(fā)展。從原理上來看，InSAR正是基于衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)或基線參數(shù)，利用具有高敏感特性的干涉相位信號來提取和分離出有用信息如地表高程或地表形變的。將覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達圖像對應(yīng)像素的相位值相減（即一次差分）可得到一個相位差圖，即所謂干涉相位圖。這些相位差信息是地形起伏和地表形變（如果存在）等綜合因素的體現(xiàn)。因此，InSAR數(shù)據(jù)分析和處理的焦點是干涉相位，這一點與攝影測量和可見光、近紅外遙感主要利用影像灰度信息來重建三維或提取信息技術(shù)是完全不同的。目前，機載InSAR系統(tǒng)鮮有應(yīng)用于探測地表形變的，而衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)在地表形變探測中應(yīng)用較多。為分離出形變信息，具有顯著影響的參考趨勢面和地形起伏的相位貢獻必須從初始干涉相位中去除，也就是所謂的二次差分。目前存在三種二次差分模式來提取形變圖，即“兩軌”、“三軌”和“四軌”模式。值得指出的是，InSAR觀測得到的地表形變是斜距（傳感器一地表）方向上的一維位移量，而非地面目標的三維位移。從實際應(yīng)用來看，衛(wèi)星重復(fù)軌道差分干涉主要受到兩大因素的制約，即時間幾何失相關(guān)引起的低相位信噪比和雷達成像時不同的大氣條件引入的相位延遲。時間失相關(guān)常常導(dǎo)致形變測量（特別在植被覆蓋區(qū)）失敗，幾何失相關(guān)限制了有效干涉像對的可用數(shù)量，而大氣效應(yīng)將大大降低形變結(jié)果的精度和可靠性。當前這兩個棘手問題國際上都沒有得到很好的解決，這無疑制約了InSAR在區(qū)域形變探測等方面的普及應(yīng)用。本章將簡要回顧InSAR的發(fā)展歷史，系統(tǒng)地介紹InSAR的基本觀測量、干涉相位信號分解及其數(shù)學模型和用于形變探測的差分干涉方法。從理論上分析并比較了各種已有衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)對形變量的敏感程度，從實用上分析了它們的應(yīng)用局限性。

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