利用GPS与InSAR融合提高形变监测精度方法研究

1、第30卷第3期2010年6月大地测量与地球动力学JOURNALOFGEODESYANDGEODYNAMICSVo.l30No.3󰀁June,2010󰀁󰀁文章编号:1671󰀁5942(2010)03󰀁0059󰀁04利用GPS与InSAR融合提高形变监测精度方法研究谌󰀁华󰀁甘卫军1)2)*1)中国科学院空间科学与应用研究中心,国家八六三计划微波遥感技术实验室,北京󰀁2)中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京󰀁100029摘&#

2、983041;要󰀁提出一种GPS+InSAR+CR(角反射器)的融合方法,经过论证和前期的一些实证工作,认为该方法是可行的,能对多种误差因素进行削弱和较大程度上提高形变监测精度。关键词󰀁角反射器;GPS;InSAR;形变监测;误差中图分类号:P315.33󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A+STUDYONIMPROVINGDEFORMATIONMONITORINGACCURACYBYUSINGINTEGRATEDGPSANDInSARChenHuaandGanWeijun1)2)1)NationalMicrow

3、aveRemoteSensingLab.,CenterforSpaceScience&AppliedResearch,CAS,Beijing󰀁2)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,CEA,Beijing󰀁100029Abstract󰀁OnthebasisofcomprehensivelyintegratingthecurrentGPSandInSARtechniques,amethodofin󰀁tegratingGPS,InSARandCor

4、nerReflectors(CR)isproposed.Throughsomedemonstrationsandpreliminaryem󰀁piricalwork,itisprovedthatthemethodisfeasible,andcanreducethenumberoferrorfactors,greatlyimprovetheaccuracyofdeformationmonitoring.Keywords:CR(CornerReflector);GPS;InSAR;deformationmonitoring;error汽含量。如何利用GPS的优势来弥补InSAR的不足

5、,从而提高InSAR的形变观测精度,是近年来很多学者关注的问题3-721󰀁引言近十几年来,InSAR技术在地表形变监测领域得到广泛应用。但由于目前InSAR技术主要采用重复轨道观测,众多误差源的存在影响了其观测精度,这些误差源包括仪器噪声、卫星轨道误差、大气干扰、时间去相干、空间去相干、外部DEM估计误差、残差地形相位以及处理过程中的误差等1。文献3,4,8利用GPS定位精度高的优势,尝试利用GPS数据削弱大气延迟的影响和卫星轨道误差,进而提高InSAR的观测精度。大气延迟误差是干涉测量误差的一个重要方面,其中,对流层延迟湿分量的贡献值最大,与大气对流层水汽含量密切相关,而大气

6、对流层水汽含量又是随时变化的,这就使得大气延迟误差成为一个随时间变化的量而不能。而GPS作为一项发展成熟的大地测量技术,不仅能获取高精度的大地测量控制点,而且能够反演大气水*收稿日期:2009󰀁12󰀁23基金项目:中国地震局地震行业科研专项(20070813):,.-mlhen60精确确定9大地测量与地球动力学30卷。针对不同的大气水汽情况,可以采取10汽含量;最后,得到该形变区域的SAR图像,进行后期处理,其主要处理流程如下(图1):一定方法加以削弱。相位解缠一直是InSAR处理的关键步骤和难点,各种噪声和延迟的引入又增加了相位解缠的难度,影响了解缠相位的质量

7、。2000年,SverrirGue󰀁mundsson11利用GPS数据作为参考,应用马可夫随机模型和模拟退火法对干涉图像进行相位解缠,得到了高空间分辨率的三维地壳变形场。通过对InSAR与GPS融合研究成果的分析,可以发现研究偏重于利用GPS数据建立某一项模型12-17借以改正InSAR观测精度,没有考虑InSAR处理中的综合误差因素,因此建立一套完整的GPS与InSAR融合的理论和方法十分必要。2󰀁GPS与InSAR融合方法影响InSAR形变监测精度误差源有很多,在这些误差源中,对于空间去相干和时间去相干,可以利用在监测区架设角反射器,并用GPS对角反射器点进

8、行联测来削弱其影响;与此同时,把角反射器作为地面控制点,还可以对卫星的干涉基线进行重新估算,从而提高观测精度;在将角反射器点固化为地面控制点后,还可以将GPS接收机置于这些控制点上,利用GPS观测大气水汽含量来去除大气水汽的影响;对于相位解缠步骤中产生的误差,可以将GPS测得角反射器点上的高程值转换成相位值,转18换公式为:4󰀂Bhcos +Bvsin 󰀁=-h1sin(1)图1󰀁ingGPS、InSAR和CR融合处理流程Fig.1󰀁FlowchartofGPS,InSARandCRintegratedprocess𘀀

9、1;3󰀁试验结果首先,在试验区(图2)布设SAR图像能很容易识别的角反射器,将其固化为地面控制点,利用GPS测得角反射器点位上的三维坐标值,通过SAR图像中识别的角反射器点(图3)进行SAR图像配准分析;获取角反射器点位上的大气水汽含量参数,计算大气水汽在水平向和垂直方向的影响量(图4和图20,215),对大气水汽的影响进行去除处理。研究结果表明我们提出的大气水汽去除方法是可行的,当大气水汽相对湿度变化21.6%时,差分干涉处理中大气水汽产生的󰀂伪形变 !大气水汽影响的绝对量值,在水平方向为12.2cm,在高程方向为5.29cm。式中,Bh表示水平基线,Bv表示

10、垂直基线, 为视角,r1为主图像的斜距,!为波长,h为GPS高程,󰀁为GPS高程计算的相位值。在干涉图中确定了GPS点对应的像素后,依据式(1)便可以将GPS高程转化为相位值。在设置枝切线和选择积分路径时,以这些相位值作为约束,从而提高解缠精度。通过分析可得到如下的融合方法,即,利用人工角反射器作为GPS与InSAR融合的纽带,建立󰀂GPS+InSAR+CR 的融合模式。这样做的合理性在于:在将角反射器固化为地面控制点后,不仅能够在SAR图像中准确地识别这些角反射器,还能够用GPS控制这些角反射器点的三维坐标及这些点位上大气水汽含量的参数。我们设计的联合观测方案

11、为:在选定的重点监测的形变区域布设一定数量的角反射器,并固化为地面控制点;利用GPS获取监测区域形变前后控制点的三维坐标,同时利用GPS获取卫星过境(194󰀁结束语受研究时间的限制,我们尚未能够对提出的算法流程进行全部的实证工作,从而得到最终的形变监测结果,及对这个结果的精度进行评定。但是,根据目前的研究和部分实证工作,我们认为该融合方法是可行的,并且是优越的,因为它能够同时削弱几种误差因素的影响,这将大大提高形变监测的精度。󰀁第3期谌华等:利用GPS与InSAR融合提高形变监测精度方法研究61图2󰀁角反射器分布图Fig.2󰀁Di

12、stributionofCornerreflectors图3󰀁在获取的SAR图像中识别角反射器Fig.3󰀁CornerreflectorsinSARimages图4󰀁大气水汽引起的垂直向形变Fig.4󰀁Verticaldeformationcausedbyatmosphericwatervapor图5󰀁大气水汽引起的水平向形变Fig.5󰀁HorizontaldeformationcausedbyatmosphericwatervaporSouthernCaliforniaJ.(29):293.4&#

13、983041;GeL,HanSandRizosC.Thedoubleinterpolationanddoubleprediction(DIDP)approachforINSARandGPSin󰀁tegrationR.IAPRS,2000,XXXIII,Amsterdam.5󰀁陈基炜.InSAR󰀁GPS󰀁GIS数据整合在地面沉降研究中的应用J.大地测量与地球动力学,2004,(3):87-91.(JiwiGPS󰀁GISdataiandEOSTrans.,AGU,1997,78参考文献1󰀁RottH.G

14、laciologicalstudiesintheAlpsandinAntarcticausingERSinterferometricSARR.FRINGE1996.2󰀁HanssenRF.Radarinterferometry:datainterpretationanderroranalysisM.KluwerAcademic,Dordrecht;Boston,2001.3󰀁sS.i62大地测量与地球动力学30卷tiontodetectionoflandsubsidenceJ.JournalofGeodesyandGeodynamics,2004,(3):87-

15、91)6󰀁乔书波,等.GPS/VLBI/SLR/InSAR在地球动力学研究中的应用J.大地测量与地球动力学,2004,(3):92-97.(QiaoShubo,eta.lApplicationofGPS/VLBI/SLR/InSARcombinationtogeodynamicsJ.JournalofGeodesyandGe󰀁odynamics,2004,(3):92-97)7󰀁薛怀平,等.三峡库区秭归GPS󰀁CR滑坡监测网的建立J.大地测量与地球动力学,2006,(增刊):178-180,184.(XueHuaiping,eta

16、.lSet󰀁upofZiguiGPS󰀁CRlandslidemonitoringnetinThreeGorgesreserviorareaJ.JournalofGeodesyandGeodynamics,2006,(Supp.):178-180,184)8󰀁GeL.Developmentandtestingofaugmentationsofcontinu󰀁ously󰀁operatingGPSnetworkstoimprovetheirspatialandtemporalresolutionD.UNSW,Austra

17、ila,2001.9󰀁ZebkerHAandRosenPA.HensleyS1atmosphericeffectsininterferometricsyntheticapertureradarsurfacedeforma󰀁tionandtopographicmapsJ.JournalofGeophysicalRe󰀁search,1997,102(B4):75470-75631.10󰀁LiZ,eta.lAssessmentofthepotentialofMERISnear󰀁in󰀁fraredwater

18、vapourproductstocorrectASARinterferomet󰀁ricmeasurementsJ.InternationalJournalofRemoteSensing,underreview,2006,27(2):349-365.11󰀁ThesisMSandGuemundssonS.CrustaldeformationmappedbycombinedGPSandInSARD.TechnicalUni󰀁versityinDenmark,Iceland,2000.12󰀁LiZ,MullerJPandCrossP.Co

19、mparisonofprecipitablewatervaporderivedfromradiosonde,GPS,andmoderate󰀁resolutionimagingspectroradiometermeasurementsJ.JournalofGeophysicalResearch,2003,108(D20),4651,do:i10.1029/2003JD003372.13󰀁LiZ,eta.lValidationofMERISnearIRwatervapourre󰀁trievalsusingMWRandGPSmeasurementsA.

20、MERISuserworkshopC.ESAESRIN,Frascat,iItaly,10-13November,2003.14󰀁程璞,许才军,王华.InSAR相位解缠算法研究J.大地测量与地球动力学,2007,(3):50-55.(ChengPu,XuCaijunandWangHua.Analysisofphaseunwrappingal󰀁gorithmJ.JournalofGeodesyandGeodynamics,2007,(3):50-55)15󰀁HaynesM.CornerreflectoraspectsoftheSNAPprogram

21、:DemonstratingtheutilityofdifferentialSARinterferometryfortheassessmentofearthquakeriskR.NPAGroup,CrockhamPark,2001.16󰀁WuX,Karl󰀁HeinzThielandAloysiusWehr.TheeffectsofdifferentlandcoversontheaccuracyofinterferometricDEMR.FRINGE96,1996.17󰀁XiaY,KaufmannHandGuoXF.Landslidemonitor

22、ingintheThreeGeorgesareausingD󰀁InSARandcornerreflectorsJ.PhotogrammetricEngineeringandRemoteSensing,2004,70/10:1167-1172.18󰀁DelftKB.Objectorientedradarinterferometricsoftwareus󰀁ersmanualandtechnicaldocumentationM.DelftUni󰀁versityofTechnology,2005.19󰀁谌华.CRϗ

23、041;InSAR大气校正模型研究及其初步应用D.中国地震局地质研究所,2006.(ChenHua.AstudyoftheCRInSARatmosphericcorrectionmodelanditspreliminaryapplicationD.InstituteofGeology,CEA,2006)20󰀁王超,张红,刘智.星载合成孔径雷达干涉测量M.北京:科学出版社,2002.(WangChao,ZhangHongandLiuZh.iSpacebornesyntheticapertureradarinterferometryM.Beijing:SciencePress,2002)21󰀁谌华,等.利用NOAA󰀁16/FY󰀁1C和ASAR数据纠正大气水汽对重轨星载D󰀁InSAR的影响J.地球物理学报,2007,50(3):707-713.(ChenHua,eta.lCorrectionofat󰀁mosphericwatervapoureffectsontherepeat󰀁passspace󰀁borneD󰀁InSARbyusingNOAA&#