[文章编号]100124683(2004)042410209[收稿日期]2003208208;[修定日期]2004208206。[项目类别]地震科学联合基金(102096)及国家自然科学基金(40374013)联合资助。

[作者简介]马超,男,1967年生,太原理工大学讲师,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在职博士生。

星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InSAR)

技术在形变监测中的应用概述

马　超1),2)　单新建1)1)(中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京德外祁家豁子　100029)2)(太原理工大学,太原　030024)

摘要　本文综述了地球表面形变的主要类型(包括开采沉陷、地表沉降、地壳运动、地震形变、火山运动、冰川运动及山体滑坡等)及其在我国的分布状况,结合合成孔径雷达干涉测量(包括InSAR及D2InSAR,统称InSAR技术)的技术原理及特点,介绍了国内外InSAR技术近年来在形变监测领域的应用与发展。通过与传统形变监测及GPS监测技术的对比后指出,由于InSAR

特有的技术特点,使其在各类形变监测应用中具有传统方法无可比拟的技术优势,必将对形变监测的发展起到极大的推动作用。关键词:　合成孔径雷达　干涉合成孔径雷达　差分干涉合成孔径雷达　形变监测[中图分类号]P315 [文献标识码]A

1　InSAR技术的发展SAR干涉测量(InSAR)以SAR复数据所承载的相位信息为信息源,作为一项地表三维和变化信息获取技术,其研究始于上世纪50年代。1946年,Ryle和Vonberg构造了类似Michelson2Morley干涉仪产生的无线电波,并用于一些新的宇宙电波的定位(张红,2002)。

1969年,InSAR技术首次应用于对金星表面测量(RogersandIngalls,1969),1972年同样的技术用于月球表面的测量(Zisk,1972)。Graham(1974)首次提出用InSAR技术来制图的构想并用机载数据实现了能满足1:25万地形图要求的高程数据。1988年,星载数据获得实用性实验结果(GoldsteinandZebker,1988)。早期的InSAR系统主要是机载系统。由于机载系统的不稳定性及数据获取能力的局限性,一定程度上限制了InSAR技术的成长,InSAR技术徘徊于纯理论研究和实验研究之间。1978年世界上第一颗合成孔径雷达卫星(美国Seasat卫星)发射成功。进入90年代,原苏联、欧洲空间局、日本、加拿大也先后成功地发射了合成孔径雷达卫星。一系列的星载SAR

系统(ALMAZ、ERS2lΠ2、JERS2l、RADARSAT2l)的成功发射,一系列的航天飞机成像雷达(SIR2A,SIR2B,SIR2CΠX2SAR)及航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)的成功完成,为全球提供了更

第20卷　第4期(410～418

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2004年12月中国地震EARTHQUAKERESEARCHINCHINAVol.20　No.4Dec.2004多的适合进行干涉处理的SAR数据,InSAR研究逐步从理论研究阶段跨入实用研究的阶段。干涉测量形变监测主要依据于InSARΠD2InSAR的技术原理,InSARΠD2InSAR原理在相关文献多有记述(Zebker,1986;Gabrieletal.,1989;Rodriguez,1992;Ghiglia,andPritt,1998;

Santitamnont,1998)。

2　地球表面的形变及InSAR技术在形变监测中的应用地球表面形变依形变场大小可以分为开采沉陷、地表沉降、地壳与构造地质形变及日月引力作用产生的固体潮。其中前两种形变主要是人为因素造成的,后两种形变的成因是自然力的作用。211　InSAR技术在开采沉陷形变监测中的应用对于因煤炭、石油、天然气及部分金属矿等开采引起的沉陷,常规的监测方法是采用精密水准测量或重复光电测距三角高程测量,这些方法在我国的矿区及油田已沿用几十年,为沉陷监测及环境治理做出了贡献。随着GPS技术引入,充分发挥了高精度、易于自动化监测、自动化数据采集与处理的优势。近年来,利用InSAR技术进行开采沉陷监测在国外首先得到应用。MarcovanderKooij等(1995)选取1992～1996年间6个重复观测像对用ERS数据对美国加利福尼亚Belridge油气田进行了沉陷监测,该油气田年均下沉30～40cm,与常规方法对比,差分获得的沉陷区吻合相当好,最大高程误差小于5mm。Patzek等(2001)利用ERS

SAR数据也监测过油田的地面快速沉降。波兰学者Perski利用InSAR技术对UpperSilasia开采下沉盆地进行了系统研究(Perski,1998;2000,Perski&Jura,1999),作为对照,Upper

Silasia煤田开采沉陷监测也采用了GPS技术(表1)。由于UpperSilasia煤田开采大量采用水沙充填,下沉量远小于自然冒落开采,因此,采用沉降监测要有较高精度。沉陷监测的实践表明,InSAR技术具有大面积、连续、快速的优势,可以达到厘米级的分辨率,完全满足精度要求,是水准测量和GPS测量的有效补充,在大面积、短周期沉陷区损害调查及预测中优势明显。此外,在人工扰动沉陷监测领域,美国学者WilliamFoxall(1999)曾利用InSAR技术对NevadaTestSite地下核试验场1992年3月的一次核爆炸沉陷坑进行了计算,这也体现了InSAR技术用于极端环境形变监测具有的优越性。 表1UpperSilasia煤田开采下沉盆地GPS控制点的沉降量与InSAR对比表(1993年3月9日～8月10日)

控制点GPS测点沉降(mm)InSAR计算沉降(mm)差值

(mm)46004842-645813843+545824341-224053035+524032631+525903237+525913536+1

由于开采沉陷范围较小、形变量较小、形变变化缓慢,时间基线距及大气影响会造成退相干及形变假象。利用InSAR技术测量这种细微的地表形变很有挑战性,

通常要有精确的模型来消除大气的影响,才能找到真正的地球物理信号,许多细微的信号需要至少间隔10年的干涉图像才能监测到,所以这一技术应用于开采沉陷监测还有待发展。

1144期马　超等:星载合成孔径雷达差分干涉测量(D2InSAR)技术在形变监测中的应用概述212　InSAR技术在地面沉降监测中的应用地面沉降主要是由于过量开采承压含水层而引起的地质灾害,它大多发生在人口稠密、经济发达的沿海和平原地区,我国已有16个省、市的46个城市发生了地面沉降(段永侯,

1998)。常规的城市地面沉降监测一般采用重复精密水准测量方法。近10年来,卫星定位及对地观测技术飞速发展,这种野外作业周期长、耗费大量人力物力的传统测量方法已逐渐为周期短、精度高,布网迅速的GPS技术所取代。一般说来,水准测量可达到1～10mm,GPS

测量则为5～20mm。在国外,InSAR技术进行地面沉降监测已进入实用化阶段。Wegmuller(1999)利用1992

年8月至1996年5月期间的ERS数据监测意大利Bologna城的沉降情况,并与常规测量数据对比,发现形变场及形变速率较为一致;同时,日本的Nakagwa等(2000)利用JERS21L波段的SAR研究Kanto北部平原的地面沉降,发现L波段比C波段的SAR数据更适合平原地区的地面沉降研究;KazuyoHIROSE等(2001)借助JERS21ΠL2SAR对印度尼西亚Jakarta地区因过度开采地下水而引起的地面沉降监测取得了满意的效果。InSAR监测结果表明,该地区1993～1995年下沉10cm,1995～1998年下沉6cm,水准测量结果为1991～1997年下降6～10cm,GPS测量结果为1995～1998年下沉6cm,结果吻合很好。此外,英国的BNSCADP2(英

国国家空间中心,自动数据处理计划)计划也将开展InSAR地面沉降研究。西南交通大学与香港理工大学合作利用InSAR技术对香港赤腊角机场沉降场进行分析,认为InSAR对微小的地表沉降具有很高的敏感度,结果精度优于1cm(Liu,etal.,2002)。中科院遥感所选取位于“苏锡常”大沉降区的苏州市,利用InSAR技术进行了城市地表沉降监测,与常规水准测量相比,两者相关度达01943,说明InSAR测量值与其保持很高的一致性;进一步统计分析表明,样本对的差异均值为41460208mm,标准误差均值为01170642mm,

如果以水准测量结果作为地面形变的真值,则InSAR测量精度可达5mm(样本对的差异均值+标准误差均值),顾及各种影响,InSAR技术监测精度仍可达到10mm(表2)(王超等,2002a)。InSAR技术在天津市地面沉降监测的试验也取得了一致的结论(路旭等,2002)。

国内外InSAR技术用于地表沉降监测的实践表明,InSAR技术同样具有大面积、连续、快速、准确的优势,由于城市地面覆盖植被较少,城市用地变化较少,干涉测量在城市区域往往表现出较高相干性;而且InSAR监测可得到一定面积空间的平均变化估算值,而传统方法只能得到点或线的差异。这些特点说明InSAR技术特别适合城市环境的地面沉降监测。同时,由于地面沉降形变时间更长(干涉相干大大降低),形变量更小(大气等影响更大),差分干涉会面临更多的困难。

表2　几种地面沉降监测方法的比较(王超等,2002a)

方　法形变分量精度(mm)样本频率(Πd)样本密度测量方式精密水准测量垂直1～101～1010～100线GPS测量水平Π垂直5Π2010～3010～100网络InSAR监测距离向10µ

10610

5～107面

213　InSAR技术在地壳与构造地质形变监测中的应用地壳与构造地质形变包括地壳运动、地震形变、火山活动及固体潮等。由于固体潮变化量很小,监测精度要求达到毫米级甚至亚毫米级(国家地震局科技监测司,1995),已超出

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