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INSAR在变形监测中应用原理


航空航天遥感技术作为对地观测获取地球空间信息的 重要手段,近年来发展迅猛,不仅能够快速、大面积测制 多种比例尺地形图,还广泛应用于资源调查、环境监测、 灾害预报、灾情评估和军事侦察等领域。 其中合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR) 以其具有全天候、全天时获取地表信息的特点,已发展成 为一门不可或缺的对地观测新技术。 基于 SAR 发展起来的合成孔径雷达干涉测量 (InSAR)技术,自 20世纪90年代初起就开始在全球及 区域性地形测图、大尺度地表形变监测中得到广泛的研 究和应用。与可见光遥感相比,InSAR 实现了遥感技术 对地表变化的几何测量,可定量化研究自然环境的活动 变化状况,是传统光学遥感技术和测量手段的有益补充
InSAR 技术对地形测量的敏感性较弱
差分雷达干涉测量技术: 若考虑到卫星平台两次成像期间,地表点发生了微小形 变,其在斜距向的投影分量记为d,则干涉图中任一像素的 干涉相位还应包括:
上式可看出:地表形变引起的相位与干涉像对的基线无关。 同时干涉相位还会不同程度地受到大气延迟效应、卫星轨 道扰动和系统热噪声等因素的影响,可以认为干涉图相位 是由平地相位,地表起伏,地表形变,大气延迟以及轨道、 热噪声等因素引起的:
(1)时间失相干。SAR 传感器两次成像期间,地表覆盖、气候变化等 导致地物散射特征发生了改变,从而降低 SAR 影像的相干性。 (2)空间失相干 (3)体散射失相干 (4)热噪声失相干 (5)多普勒质心失相干 (6)形变梯度过大引起的失相干 DInSAR 受到分辨率和波长的制约,所以只能够监测地表一定量的位置变化,若 变化量过小或过大,利用DInSAR 技术都将不能得到准确的测量结果。
基于INSAR进行的变形监测简析
简述:
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。
传统的开采沉陷监测方法是在采空区上方布设岩层移 动观测站进行几何测量,对测量结果进行分析计算分析得 到相关参数。尽管近年来测量仪器有了较大改进,可使用 数字水准仪、全站仪、GPS 等先进仪器进行地表沉陷观测, 减轻了野外观测的劳动强度,但是基于离散点的地表移动 观测站方法缺点仍然非常明显
传统沉降观测的缺点:
1、离散观测点在观测过程中容易受采动破坏而在后期 无法观测,造成观测成果缺失 2、在山区及沉陷积水区等地,一些最佳观测位置观测 者通常难以进入、无法接近,造成观测成果不理想 3、尽管观测仪器有了大幅改进,但观测强度和难度依 然较大,长时间观测费用较高 4、离散点观测方法的观测点总是有限的,其结果很难 反映整体开采沉陷规律,尤其是整个开采范围的多环境 要素的影响规律
地形相位:
两边分别对θ求导,得到干涉图上相邻两像素的相位差为:
对照上图,qs可以表示为:
式中:q为 t1、t2两地面目标点在竖直方向上的距离,即高差, s 为t1、t2两点在斜距向上的距离
上式右边第一项表示高程变化引起的相位差,右边第二 项表示无高程变化的平地引起的相位差,也可进行分解:
地形相位变化分量:
已发射的星载SAR平台
InSAR 联合处理同一地区的两景 SAR 图像,提取对应 像素位置上的相位差,可以获取大范围、高精度地表三维信 息和变化信息,其中获取地表形变的 InSAR 技术称为差分 合成孔径雷达干涉测量
InSAR的分类:
以星载重复轨道干涉测量为例介绍 InSAR 技术的原理:
平行可知,平地相位的变化只出现在斜距方向上,表 现为与卫星平台飞行方向平行的明暗相间的条纹,且当 B⊥>0 时,从近距点到远距点随着斜距R 逐渐增加,平 地相位单调增加,反之平地相位单调减少。
若用 表示相位误差, z 表示干涉测量的高程误差,则:
干涉图上一个 2π 相位对应的高程变化量称为高程模糊度, 记作 ha
优势: (1)覆盖范围大,方便迅速: (2)成本低,不需要建立监测网; (3)空间分辨率高,可以获得某一地区连续的地表形变信息; (4)可以监测或识别出潜在或未知的地面形变信息: (5)全天候,不受云层及昼夜影响。
据不同需求,从上式提取某一种(或几种)有用相位、 而消除或抑制其他相位的方法,称为 DInSAR 技术。
DInSAR 技术监测地表形变方案
虽然DInSAR 技术监测地表形变有很高的理论精度,但实际 应用中面临着许多限制性因素,一定程度上制约了 DInSAR 技术的发展和应用。 DInSAR 技术容易受到各种失相干因素的影响,概况起来可 以分为以下六类:
垂直基线:
干涉图中任一个像素的相位:
则有:
地表点t1的高程可以表示为:
计算出每个像素的干涉相位 φ ,结合卫星平台姿态数据,即 可计算出干涉图中每个像素对应的地表高程 z
在z=0是忽略高次项,按泰勒级数展开有:
上式即为忽略大气延迟相位和 SAR 系统噪声相位后,干涉图 上任意像素的干涉相位,可以进一步分解为: 平地相位:
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