差分干涉技术在变形观测中的应用

差分干涉技术在变形观测中的应用摘要：叙述了星载重复轨道差分干涉测量技术包括复影像配准、干涉图滤波、去除平地效应等方面，利用D-InSAR技术处理影像数据的过程，以及利用三轨法差分干涉测量技术和ENVISATASAR雷达影像数据所获取巴姆地震引起地表形变的情况。关键词：D-InSAR，干涉相位图，配准，相位解缠LIHongMENGAiqing*(CivilandArchitecturalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyDepartmentTaiyuan,Shanxi,China030024)Abstract:Thispaperdescribestheprincipleofspacebornerepeatorbitdifferentialinterferometrictechniquesincludingcompleximageregistration,interferogramfilter,removethegroundeffect,theuseofD-InSARprocessingimagedata,aswellastheuseofathree-trackmethoddifferentialinterferometrymeasurementtechniqueandENVISATASARradarimagedataacquiredbythecircumstancesandcausesoftheBamearthquakecausedsurfacedeformation.Keywords:D-InSAR,interferometricphasematching,phaseunwrapping0引言地面沉降监测是对地观测的方法之一，经典的方法是采用精密水准测量，观测一、二等水准网，然后计算平差，得到微小地面沉降的变化值。近代GPS技术开始融入到地面沉降监测工作中。然而，受到若干条件的限制，GPS测量的数据密度往往不够，而且目前其空间域的分辨率也难以满足高空间分辨率形变监测的要求。星载雷达差分干涉测量（D-InSAR）技术是20世纪90年代发展起来的1项对地观测新技术，其是利用雷达图像的相位差信息，精确测量出图像上每个点的三维位置，用于提取地面目标点微小地形变化的技术，精度能达到厘米级甚至毫米级，干涉图质量较好时，可以从干涉图识别出毫米级的形变。D-InSAR技术的特点是面积大、快速、准确、成本低，其实用性大大优于常规地面沉降监测技术。目前，SAR数据已覆盖了全球大部分区域，在无常规测量数据区域的地震监测中发挥着显著优势。笔者在深入研究D-InSAR技术的基础上，对在地面沉降监测应用中的研究，解决了D-InSAR技术中影像处理面临的一些关键问题，得到最终的地表形变结果。D-InSAR的三轨法通常，进行地面沉降差分干涉，需要获取被观测地区沉降前后的2幅影像，通过比较得出形变量。在2幅影像干涉图中，同时包含有相位信息和地形信息。欲得到形变量，需除去其中的地形信息，因此，必须先太清楚地面的DEM值，被称为“二轨法”。在难以获得地面DEM值时，可采用“三轨法”。三轨法需要用到同一区域的3幅影像，分别是形变前的2幅和形变后的1幅。然后，利用这3幅影像可生成2幅干涉纹图，其中，1幅呈现形变前的地形信息，另1幅呈现形变后的地形信息。同样的，对2幅干涉图进行匹配、重采样、去除平地效应和相位解缠，最后将2幅影像进行差分，便可得到地表沿视线方向的地形变化1。这方法的优点是无需地面信息，如DEM，对于一些无地形数据的变化监测尤为重要；缺点是相位解缠较复杂，其质量将影响到最终的形变结果。D-InSAR技术在巴姆地区的应用2.1被观测数据的选取针对不同的干涉应用需选取合适的SAR干涉影像对。伊朗东南部城市巴姆地区曾于2003年发生了强度为6.6级的大地震，为了利用D-InSAR技术获取巴姆地震引起的地面形变，欧空局（ESA）提供了7幅ENVISATASAR数据。其中，4幅为降轨数据,巴姆古城位于图像中部，Track号为120；3幅为升轨数据,巴姆古城位于图像的近距端，Track号为385。进行干涉处理，要求像对必须相干，因此，选取像对时必须考虑2个因素：a）临界基线距的限制。过短的基线将无法监测出形变变化量，过长的基线将导致2幅影像间的相关系数过低而无法形成干涉；b）存在时间间隔的影像。对于地形变监测为目的的干涉测量，其时间基线的选取要尽可能地短，以减小时间的去相关影响。利用Eoli-sa软件进行数据选取时，根据被观测区域的经纬度和时间，查找合适的干涉数据。其中，Orbit确定轨道，景号（Frame）确定雷达照射区域位置，航迹号（track）确定成像时间。用于干涉测量的SAR数据必须具有相同的track和frame。图1给出巴姆3幅影像的航迹和区域位置信息。从中看出，形变前的影像9192和6687以及形变后的影像9693具有相同的Track号。6687的Frame为3020，即中心结点号为3020，该幅影像的结点跨度30113029。因为，ENVISAT卫星的轨道被分割成7200个结点，通过与影像中心相近的400个结点来标识SAR的Frame号。因此，2个相邻的Frame用18个结点来标识。同理，9192影像的结点跨度30043021，即这2幅影像有共同的结点，即有共同区域，进而得出9693与9192也有共同的区域。图1BAM地区三幅影像信息对比2.2实验过程笔者采取三轨法进行差分处理，分别利用9192和6687构成的像对，9192和9693构成的像对，得出地震形变前后的地形，然后，再对这2个像对影像进行差分，获得地面点高程的形变信息。差分的关键步骤包括干涉影像的配准、干涉图的滤波、去除平地效应、相位解缠，最后把相位信息转换到高程。2.2.1SAR复数影像配准在雷达干涉处理中，配准的目的是将2幅影像上的对应点处理成地面上同名地物点。先采用匹配方法找到2幅影像上的同名点，继而确定2点的偏移量，再对其中1幅影像进行重采样，使2幅影像上的同名点一一对应。干涉雷达复图像的匹配，分粗匹配和精匹配两步进行2。确定图像搜索窗内按行列不同的整像元偏移量为粗匹配，计算复图像对之间的匹配质量评价指标,得到精度在像元级的匹配；精匹配通过对复图像作亚像元插值，再计算匹配指标。理论上，匹配度需要达到子像素级(1/10像素)3。匹配策略如下：a）粗匹配采用基于卫星轨道参数的方法。由于卫星飞行的轨道参数是可确定的