GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合結(jié)題報告

1、一、概述近年來，合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)應(yīng)用于礦山開采、地震、火山運動、地下水開采等引起的地面沉降研究越來越廣泛。InSAR技術(shù)具有探測精度高（亞毫米級）、低成本、連續(xù)性和遙感探測能力強等特點。InSAR是一種極具潛力的新型空間大地測量方法，但它也有其固有的限制，特別是受到大氣層延遲（對流層延遲、電離層延遲等）、衛(wèi)星軌道誤差、地表狀況和時變?nèi)ハ嚓P(guān)性等影響，很容易導(dǎo)致InSAR圖像解釋錯誤，而InSAR數(shù)據(jù)本身無法解決所存在的上述問題。而GPS可以精密定位，可以較為精確地確定電離層、對流層參數(shù)，是當前應(yīng)用最廣泛的一種空間大地測量手段。1997年，Bock & William

2、s 首先提出InSAR與GPS融合的思想；同年，Linlin Ge等人（1997，1999，2000a,2000b）進一步提出了DIDP(double interpolation and double prediction)方法。2000年，Sverrir Guemundsson結(jié)合GPS與InSAR數(shù)據(jù)，應(yīng)用馬爾可夫隨機模型和模擬退火法進行干涉圖像相位解纏，并初步實現(xiàn)了InSAR與GPS數(shù)據(jù)的融合，得出了高空間分辨率的三維地殼變形場。Hoeven等分別采用了內(nèi)插GPS網(wǎng)中獲取的數(shù)據(jù)和GPS時間序列兩種方法建立對流層延遲改正模型來改善InSAR數(shù)據(jù)，并對這兩種方法作了比較與分析。利用InSAR

3、或InSAR與GPS、氣象科學(xué)等集成進行大氣層研究，是當前國際研究的一個熱點。Hanssen等（1999，2000b，2001，2002）在這方面做了大量的研究工作，并初步得出了利用InSAR研究水汽的模型。目前，減弱大氣層延遲誤差主要采用的方法包括利用InSAR圖象建立水汽模型和利用GPS數(shù)據(jù)計算的大氣層延遲誤差對InSAR數(shù)據(jù)進行改正。GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合還存在以下問題。目前的研究只偏重InSAR數(shù)據(jù)中某一誤差利用GPS數(shù)據(jù)進行改正，而沒有一套完整的GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合的理論、方法；相位解纏法對InSAR產(chǎn)品的精度影響很大，但目前研究都沒有提供完善的解纏算法；建立大氣延遲誤差模

4、型，目前研究都只應(yīng)用了GPS數(shù)據(jù)，而沒有用到InSAR數(shù)據(jù)。雖然GPS數(shù)據(jù)能建立高精度的大氣層延遲模型，然而它卻只能提供點信息，模型中空間插值技術(shù)的引入無疑又會導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度的降低；利用GPS數(shù)據(jù)擬合地表形變場時，插值算法中需要同時顧及地殼運動，并且還需要考慮GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合的精度評定問題。項目目標：本課題將研究利用GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合建立水汽模型和大氣層延遲誤差改正模型，通過以上GPS和InSAR兩種方法獲得的大氣可降水汽(PWV)和總電子含量(TEC)兩種數(shù)據(jù)進行融合處理分析，采用估計兩方面信息的內(nèi)插算法，建立起高精度、高時空分辨率的PWV和TEC模型。研究內(nèi)容：InSAR

5、干涉測量技術(shù)其測量精度可達到毫米級, 而且具有連續(xù)空間覆蓋能力, 是一重要的空間測量技術(shù)。然而它具有許多誤差源, 除本身誤差源外，還有氣象所引起相位延遲也是一個重要的誤差源。大氣延遲限制了InSAR 測量地表形變和高程精度,因此在處理不同InSAR 干涉影像時必然要考慮不同氣象資料的影響, 糾正大氣延遲對InSAR 干涉圖的影響。而GPS 接收機能連續(xù)地實時地進行觀測,能監(jiān)測地表實時形變, 并能測出大氣延遲以及電子含量, 能校正InSAR 干涉測量大氣延遲的影響以及不同時間地表干涉影像圖位移變化。本研究將利用GPS觀測資料建立大氣延遲模型,修正InSAR 大氣延遲，以便改善InSAR干涉測量精

6、度。項目成果形式：研究利用GPS網(wǎng)絡(luò)觀測數(shù)據(jù)建立大氣模型的理論和方法，并編制相應(yīng)的軟件，在核心期刊上發(fā)表論文一篇以上；研究利用GPS觀測資料提取的大氣延遲信息修正InSAR 大氣延遲的方法，在核心期刊上發(fā)表論文一篇以上。同時課題還得到了中國礦業(yè)大學(xué)青年科研基金資助項目和中國礦業(yè)大學(xué)科技基金資助項目的支持。二、課題目標完成情況評價1 工作過程2005.122006.3 在調(diào)研的基礎(chǔ)上，組織采集、收集整理、分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及購買相關(guān)數(shù)據(jù)。2006.42006.10 參加學(xué)術(shù)活動，研究模型，算法，查閱、收集、分析國內(nèi)外有關(guān)的最新文獻資料，總結(jié)已有的初步成果，在此基礎(chǔ)上制定和完善研究方案；用Georg

7、iadiou電離層模型計算了GPS 系統(tǒng)硬件延遲,從而由雙頻偽距觀測值獲取絕對電離層總電子含量（VTEC）；利用小波分析方法對常用的GPS周跳檢測量進行了周跳探測，獲得了小波方法所能探測到的最小周跳值，并與高次差法進行了時比，提出了利用小波變換探測出周跳，通過對小波變換提取的高頻系數(shù)進行處理，然后和低頻信號一起進行重構(gòu)，與原始信號比較便可獲得周跳修復(fù)值，經(jīng)反復(fù)迭代計算，可最終修復(fù)周跳；分析了地面GPS觀測探測大氣可降水氣量（PWV）的原理。由于濕延遲不能用地面氣象資料精確模擬，故用參數(shù)對其進行模擬當干、濕映射函數(shù)取為相同時，則可以將大氣天頂延遲作為參數(shù)進行估計，然后減去天頂干延遲得到天頂濕延遲

8、。2006.112006.12 提交執(zhí)行情況報告和階段總結(jié)。2007.12007.9 軟件編制，算法實現(xiàn)。軟件的編制工作目前正在完善階段。2007.102007.12 提交研究工作總結(jié)及其它資料。2 任務(wù)完成情況 利用Georgiadiou 電離層模型計算了GPS 系統(tǒng)硬件延遲,從而由雙頻偽距觀測值獲取絕對電離層總電子含量值（VTEC）。利用北京IGS 站的GPS 觀測數(shù)據(jù)分別計算了2000 年和2004 年各不同月份的總電子含量值,對兩年各月份的總電子含量進行多項式擬合,發(fā)現(xiàn)總電子含量的季節(jié)性變化趨勢一致；利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)BJFS和BJSH兩個測站的觀測資料，提取了四種觀測量序列，比

9、較了高次求差、非差相位觀測值、相位與測距偽碼組合觀測值的小波變換在最小周跳探測方面的優(yōu)劣，最后得出利用小波不僅可以探測到最小的周跳和它的位置，而且通過對小波變換提取的高頻系數(shù)進行處理，然后和低頻信號一起進行重構(gòu)，與原始信號比較便可獲得周跳修復(fù)值，經(jīng)反復(fù)迭代計算，可最終修復(fù)周跳；根據(jù)對用水汽輻射計(WVR)測量的天頂方向大氣濕分量隨時間變化的結(jié)果分折可知用階高斯一馬爾科夫隨機過程或隨機游動過程來模擬天頂方向的濕延遲不僅可以消除模型改正中的系統(tǒng)誤差而且可以很好地模擬濕延遲的隨機誤差。3 解決的關(guān)鍵技術(shù)（1）利用GPS獲得高精度和高時間分辨率的離散大氣參數(shù)利用分布一定范圍內(nèi)的GPS地面站采集雙頻觀測

10、數(shù)據(jù)，采用參數(shù)估計方法，估算出獲取相干雷達影像期間的地面站天頂方向的大氣可降水汽（PWV）的絕對值及其時變量，這些量在空間分布上是離散的。利用雙頻GPS觀測值計算出各電離層穿刺點處天頂方向上的電離層延遲，從而獲得這些地點垂直方向上的總電子含量（VTEC），采用內(nèi)插算法或格網(wǎng)算法建立起覆蓋區(qū)域的初步TEC模型。兩個載波信號在衛(wèi)星內(nèi)部的傳播時間之差為衛(wèi)星硬件延遲偏差ts,不同的衛(wèi)星其ts,不同，有的衛(wèi)星的ts,達5ns。計算TEC過程中若不消除這一偏差，計算結(jié)果將會引入高達14TECU左右的誤差，這有時（例如在夜間）會大于真實電離層的TEC值。另外，是隨時間緩慢變化的，不同衛(wèi)星的ts變化的月均方值

11、（RMS）通常在0.1ns左右。跟衛(wèi)星一樣，接收機的兩個頻率的通道也存在硬件延遲偏差。如果不顧及衛(wèi)星和接收機的硬件延遲偏差，將會嚴重影響電離層模型的精度和可靠性。 由于GPS 系統(tǒng)硬件延遲偏差的值并不是長期不變的,因而很難精確確定。通常的做法是把這些偏差值當作待估參數(shù)引入觀測方程,通過平差計算把電離層模型的系數(shù)和這些偏差參數(shù)一并解出。采用Georgiadiou 電離層模型獲取GPS 系統(tǒng)硬件延遲的表達式為: 式中, 為測區(qū)中心點的地理緯度; 為測區(qū)中心點(,) 在該時段中央時刻 時的太陽時角, = () + ( ) ;為信號路徑與單層交點的地理經(jīng)度; 為觀測時刻; E 為模型系數(shù)。和為偽距觀測

12、值; B 為GPS 系統(tǒng)硬件延遲偏差換算為距離后的值(m) ; z 為衛(wèi)星在電離層星下點處的天頂角。獲取GPS 系統(tǒng)硬件延遲偏差后,絕對TEC可表示為:TEC = 9.52437 TEC 以TECU (1016 個電子/ m2 ) 為單位。為便于研究TEC 的變化規(guī)律,常采用天頂方向的總電子含量(VTEC) 來進行討論:VIEC =9。52437 圖1 是利用2004 年1 月14 日北京房山IGS站(BJFS) 的GPS 觀測數(shù)據(jù),考慮GPS 系統(tǒng)硬件延遲偏差前后獲得的VTEC 周日變化圖。未考慮硬件延遲偏差時,由于硬件延遲偏差對VTEC的影響較大,因而掩蓋了TEC 隨時間的變化?？紤]硬件延

13、遲偏差后,周日變化規(guī)律比較明顯。圖1 電離層VTEC周日變化（2）采用小波變換的方法探測GPS周跳小波變換是一種信號的時頻分析方法，它具有多分辨率分析的特點，而且在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。在低頻部分，具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率；在高頻部分，具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。利用小波方法探測周跳實際上是通過一定尺度上的帶通濾波器對信號進行濾波，將包括周跳在內(nèi)的特定頻率成分提取出來。發(fā)生周跳的位置可以看成信號中的奇異點，根據(jù)信號奇異性檢測原理，在周跳出現(xiàn)時，其小波變換后的系數(shù)具有模量極大值，因而可以通過對模量極大值點的檢測來確定周跳發(fā)生的時間。GPS周跳檢測量通常采

14、用非差相位、偽距與相位組合、電離層殘差和雙差相位觀測量。利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)BJFS和BJSH兩個測站的觀測資料，提取了上述四種觀測量序列，采樣率是30 S，共提取了9O個歷元的觀測數(shù)據(jù)，測站間距為76 km。數(shù)據(jù)序列經(jīng)檢測不含周跳。為了檢驗小波方法探測周跳的分辨能力，對四種觀測量序列在第45個歷元處分別加入不同數(shù)量的周跳。在小波分析中，采用Daubechies(dbN)小波系中的db6小波基對信號進行單尺度分解，然后利用單尺度分解的高頻系數(shù)來重構(gòu)，利用重構(gòu)信號或者直接利用高頻系數(shù)來探測周跳，當周跳發(fā)生時，出現(xiàn)模量極大值。采用下面的標準判斷是否發(fā)生周跳：首先計算重構(gòu)數(shù)據(jù)序列的平均值和中誤差

15、，如果該數(shù)據(jù)序列中有數(shù)值與均值之差的絕對值大于4倍的中誤差(置信度為9999 )，則認為發(fā)生周跳。小波方法能探測到的最小周跳見表1。表1小波方法能探測到的最小周跳觀測值 非差 粗碼相 精碼相位 電離層 雙差類型 相位 位組合 組合 殘差 相位分辨率/周 40 1 1 1 1在周跳探測階段，對信號進行單尺度或多尺度分析，在信號出現(xiàn)突變時，其小波變換后的系數(shù)具有模量極大值，通常通過對高頻系數(shù)或者對高頻重構(gòu)信號的檢測來發(fā)現(xiàn)并確定周跳發(fā)生的位置。利用小波變換探測出周跳后，探測信號的奇異值并不能代表周跳的大小，因而不能直接對周跳進行修復(fù)。對周跳進行修復(fù)可經(jīng)過以下幾個步驟來進行： 對原始信號進行小波變換，

16、提取高頻系數(shù)； 對高頻系數(shù)奇異值進行插值替換； 替換后，與低頻系數(shù)一起進行合成重構(gòu)； 重構(gòu)結(jié)果與原始信號相減，獲得周跳發(fā)生位置處的差值； 對該差值進行取整，有小數(shù)的進一位，利用該值對原始信號進行修復(fù)。重復(fù)以上步驟，直到不能發(fā)現(xiàn)周跳，則修復(fù)完成。（3）采用GPS數(shù)據(jù)獲得大氣可降水汽（PWV）GPS衛(wèi)星到地面接收機的傳播過程中受到大氣的影響發(fā)生了延遲其中經(jīng)過電離層發(fā)生的延遲叫電離層延遲；經(jīng)過中性大氣的延遲分為兩部分：由大氣干分量引起的延遲叫干延遲， 由水汽分量引起的延遲叫濕延遲。電離層延遲具有頻散性，通過雙頻觀測可得到很好的消除但中性大氣引起的延遲不是頻散型的，不能用雙頻的方法消除。其中，干延遲隨

17、時間變化較穩(wěn)定，一般能用地面氣象資料精確模擬；而濕延遲由于水汽隨空間和時間變化很快且不均勻，很難用地面氣象資料精確模擬，從而成為空間大地測量研究的主要誤差源之一。地面GPS測量的PWV估計的主要誤差源來自天頂濕延遲的估計。為了提高天頂濕延遲的估計精度，根據(jù)大氣濕分量隨時間變化的特性，天頂濕延遲的估算可采用確定性參數(shù)估計和隨機模型估計。采用這些方法能有效地提高GPS精密定位中高程測量的糟度，且其估算的PWV的精度可達12mm。在無線電波段，大氣折射率對水汽特別敏感，因而利用GPS資料可以得到包含水汽信息的天頂濕延遲，在球?qū)ΨQ大氣假設(shè)和忽略地形不規(guī)則情況下，可以把對流層延遲寫成天頂延遲與映射函數(shù)的

18、乘積 （1）其中下標d和w分別對應(yīng)于干大氣和濕大氣，分別是相應(yīng)的映射函數(shù)；為GPS衛(wèi)星的天頂距， 為氣象參數(shù)天頂延遲定義為： （2）其中為接收站海拔高度； 為大氣折射指數(shù)，它可以表示成：這里分別為干大氣壓強(mbar)和水汽壓(mbar)；T為溫度(K)；是壓縮因子；為大氣折射常數(shù)，大多數(shù)作者都選用Thayer提供的值，其精度最高。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和流體靜力學(xué)平衡方程可得天頂干延遲： （3）其中，為地面氣壓(mbar)， （4）為接收站的緯度；為測站的海拔高度，單位為km，同時可得天頂濕延遲： （5）這里， ，為干大氣的摩爾質(zhì)量，其值為289644；為引入的大氣加權(quán)平均溫度 （6）將天頂濕

19、延遲和PWV聯(lián)系起來，可推導(dǎo)出它們之問的關(guān)系即 （7）從(7)式可以看到，求轉(zhuǎn)換因子的關(guān)鍵是求，Bevis等人 利用多年的無線電探空儀(Radiosonde)資料發(fā)現(xiàn)了線性計算公式：為地面溫度，利用它得到的天頂濕延遲轉(zhuǎn)換到PWV 的誤差僅為2。另外，利用數(shù)值天氣預(yù)報(NWP)模型也可計算其得到的轉(zhuǎn)換誤差小于1 。 4 整體水平及配套性情況課題創(chuàng)新之處在于將利用GPS雙頻載波相位觀測值建立初步的大氣延遲模型，和通過地面GPS觀測探測PWV的方法獲取大氣濕延遲信息，最終獲取高精度的大氣可降水汽（PWV）和總電子含量（TEC）模型。此外,利用小波分析方法對常用的GPS周跳檢測量進行了周跳探測，獲得了小波方法所能探測到的最小周跳值，并與高次差法進行了時比，提出了利用小波變換探測出周跳后直接進行周跳修復(fù)的方法。計算結(jié)果表明，該方法是可行的。不足之處是沒有從InSAR數(shù)據(jù)相干影像中提取大氣可降水汽（PWV）和總電子含量（TEC）的高精度空間分布信息，目前此工作正在進行中。三、課題研究取得成果和發(fā)表論文情況1 蔡昌盛，高井祥，李征航 利用GPS監(jiān)測電離層總電子含量的季節(jié)性變化，武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，Vol.31，No.5， 20062 蔡昌盛，高井祥 GPS周跳探測及修復(fù)的小波變換法，武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），Vol.32，No.1，2007四、課題經(jīng)費使用