基于數(shù)據(jù)改正大氣延遲分析

1、基于數(shù)據(jù)改正大氣延遲分析     引言InSAR技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的極具應(yīng)用價(jià)值的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)，具有監(jiān)測(cè)精度高、范圍大、成本低、空間連續(xù)覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，為高邊坡地質(zhì)災(zāi)害區(qū)監(jiān)測(cè)提供了一種新型的監(jiān)測(cè)方法。但由于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在暴雨頻發(fā)、地質(zhì)地貌復(fù)雜的區(qū)域，特殊的地理位置與氣候使得InSAR技術(shù)應(yīng)用中受大氣延遲的影響非常嚴(yán)重，大氣延遲誤差是InSAR技術(shù)的主要誤差源，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致InSAR結(jié)果的錯(cuò)誤解譯1。因此，必須要對(duì)InSAR觀測(cè)進(jìn)行大氣延遲改正。本文針對(duì)地面GPS網(wǎng)絡(luò)的低空間分辨率給InSAR大氣延遲改正帶來的不利影響，提出了融合GPS和NCE

2、P全球分析最終產(chǎn)品FNL(Final)進(jìn)行InSAR大氣延遲改正的新方法。將NCEPFNL得到的平均風(fēng)速應(yīng)用于“凝固流”假設(shè)理論，獲得“擴(kuò)展”的濕延遲控制點(diǎn)，提高濕延遲分布圖的精度。1InSAR大氣延遲改正的研究自1994年Massonnet等2在利用InSAR研究1992年發(fā)生在美國(guó)南加州地區(qū)Laders地震時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了InSAR干涉圖中的大氣效應(yīng)后，眾多學(xué)者對(duì)消除或減弱InSAR中的大氣延遲的方法展開了研究。近年來，InSAR大氣延遲改正的理論及方法取得了快速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外提出了多種改進(jìn)InSAR大氣延遲的方法。以下介紹幾種主流的方法。1.1利用MODIS/MERIS水汽產(chǎn)品MODIS(M

3、oderateResolutionImagingSpectrorad-iometer)3的近紅外水汽產(chǎn)品比世界上最密集的GPS網(wǎng)絡(luò)美國(guó)南加州綜合GPS網(wǎng)(SCIGN)的密度還要高10倍以上。2005年國(guó)內(nèi)許多學(xué)者提出融合MODIS和GPS數(shù)據(jù)的InSAR干涉圖改正方法4，5，但MODIS容易受到云的影響，且水汽產(chǎn)品存在系統(tǒng)誤差，需要進(jìn)行改正。MERIS(MediumResolutionImagingSpectrometerInstrument)水汽產(chǎn)品與ASAR(AdvancedSyntheticApertureRadar)影像同時(shí)獲取，且得到的PWV空間分辨率高(300m×300m

4、)，精度也比MODIS還要高6，7，但其缺點(diǎn)是受云的影響更大。1.2利用PSInSAR技術(shù)常規(guī)DInSAR技術(shù)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)會(huì)受到相位失相關(guān)和大氣延遲影響，F(xiàn)erretti8，9提出了僅僅跟蹤成像區(qū)域內(nèi)雷達(dá)散射特性較為穩(wěn)定的目標(biāo)而放棄那些失相關(guān)嚴(yán)重的分辨單元的方法。這些目標(biāo)(如建筑物的墻角、屋頂和裸露的巖石等)幾乎不受失相關(guān)噪聲影響，即使在多年時(shí)間間隔的干涉對(duì)中仍然保持較高的干涉相關(guān)性，把這些穩(wěn)定的目標(biāo)稱之為永久散射體(permanentscatterers，PS)。PSInSAR技術(shù)1012能克服傳統(tǒng)InSAR技術(shù)中的去相干性和大氣效應(yīng)等困難，但利用PSInSAR技術(shù)進(jìn)行InSAR大氣改正的缺

5、點(diǎn)在于，PS點(diǎn)通常分布于市區(qū)等人工建筑較多的地方或無植被覆蓋的山峰、山脊等有裸露巨石的地方，對(duì)于研究山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害受到了很大的限制，要得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，對(duì)同一區(qū)域內(nèi)的SAR影像數(shù)量也有較高要求，一般需要至少30幅影像。1.3利用地面GPS觀測(cè)GPS具有高精度、全天候、可連續(xù)估計(jì)大氣延遲的優(yōu)點(diǎn)，GPS氣象學(xué)的發(fā)展為精確反演對(duì)流層延遲提供了保障，亦為估計(jì)與改正InSAR大氣效應(yīng)提供了一種新的方法，因而利用GPS進(jìn)行InSAR大氣延遲改正的方法得到了越來越多的應(yīng)用。但SAR影像與GPS測(cè)站的空間分辨率差異很大，很大程度上限制了大氣延遲分布圖的估計(jì)精度，為了對(duì)SAR影像進(jìn)行逐像素的大氣層延遲改正

6、，必須對(duì)GPS獲取的大氣延遲進(jìn)行加密插值，Janssen等13對(duì)反距離加權(quán)平均(IDW)、克里格(Kriging)、三次樣條三種不同的插值算法用InSAR大氣改正的效果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明反距離加權(quán)平均插值和克里格插值法比三次樣條插值算法效果更佳;李志偉14提出了一種新的大氣校正的方法，通過計(jì)算出平均大氣延遲，然后利用GPS探測(cè)到的大氣延遲對(duì)平均延遲進(jìn)行修正，彌補(bǔ)了SAR干涉圖水平方向上各向異性的問題。但GPS改正InSAR大氣延遲仍然存在限制，當(dāng)GPS測(cè)站附近的氣象觀測(cè)缺失時(shí)，大氣延遲估計(jì)精度會(huì)降低，GPS采集數(shù)據(jù)連續(xù)運(yùn)行站點(diǎn)之間的間隔一般為幾十千米不等，測(cè)站點(diǎn)過于分散會(huì)降低觀測(cè)精度，增加觀

7、測(cè)站的密度會(huì)受到地理環(huán)境和運(yùn)作成本等因素的限制，即使設(shè)立臨時(shí)性、低成本的觀測(cè)點(diǎn)，效果仍然非常有限。針對(duì)以上幾種方法存在的問題，本文提出了一種新的改正InSAR大氣延遲的方法。2GPS和NCEPFNL數(shù)據(jù)改正InSAR大氣延遲2.2基于“凝固流”假設(shè)的InSAR大氣改正方法“凝固流”假設(shè)由泰勒于1938年提出17，該假設(shè)認(rèn)為在平均風(fēng)速的驅(qū)使下，空氣流在平移過程中處于“凝固”狀態(tài)，即在某一固定點(diǎn)上觀測(cè)到的時(shí)間上的延遲波動(dòng)是由某一折射率場(chǎng)在平均速度為V的流的驅(qū)使下，經(jīng)過該點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的空間波動(dòng)引起的，“凝固流”假設(shè)的主要思想是空氣流在平均風(fēng)速的驅(qū)使下進(jìn)行平流輸送。“凝固流”假設(shè)運(yùn)用到空氣中的三維濕折射率

8、Nwet(x，y，z，t)的數(shù)學(xué)描述可以表示為:Nwet(x，y，z，t)=Nwet(xut，yvt，z，0)(1)(x，y，z)表示空間的三維坐標(biāo)，t表示時(shí)間，u，v分別表示水平方向的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)?！澳塘鳌奔僭O(shè)研域平均風(fēng)速U空間上為常數(shù)，但隨著時(shí)間變化，則指定空間位置(x，y，z)上的濕折射率可以認(rèn)為是在之前時(shí)刻t，由另一空間位置(xut，yvt，z)上的濕折射率通過平均風(fēng)速U=(u，v)的平流傳輸?shù)玫降摹?.3平均風(fēng)速的估計(jì)為了利用GPS天頂濕延遲(ZWD)時(shí)間序列估計(jì)平均風(fēng)速，假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)的GPS天頂濕延遲(ZWD)在空間上的統(tǒng)計(jì)特性為各向同性，且在時(shí)間上服從廣義穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程18，

9、則兩個(gè)GPS測(cè)站上時(shí)間連續(xù)的ZWD間的互相關(guān)函數(shù)可表示為:到的濕延遲分布不能真實(shí)反映濕延遲空間分布狀況。基于泰勒提出的“凝固流”假設(shè)，Onn19將這種思想用于InSAR大氣改正，并指出這種方法比僅用GPS觀測(cè)時(shí)更為有效。其中，準(zhǔn)確地估計(jì)研究區(qū)域的平均風(fēng)速是至關(guān)重要的。平均風(fēng)速的大小及方向決定了“擴(kuò)展”的ZWD控制點(diǎn)的位置，決定了基于這些控制點(diǎn)插值得到的濕延遲分布圖的精度，從而決定了該方法對(duì)InSAR大氣延遲效應(yīng)的改正效果。但是，將研究區(qū)域內(nèi)ZWD的變化全部歸因于平均風(fēng)速的變化是不嚴(yán)密的，GPSZWD的變化是多方面因素的綜合結(jié)果，除了與風(fēng)速有關(guān)外，還與研究區(qū)域的溫度等其它氣象因素有關(guān)。2.4改進(jìn)

10、的InSAR大氣改正方法針對(duì)上述問題，本文提出了融合GPS和NCEP全球分析最終產(chǎn)品FNL(Final)改正InSAR大氣延遲的方法。本方法的思想就是“以時(shí)間換空間”。利用NCEPFNL對(duì)研究區(qū)域的平均風(fēng)速矢量進(jìn)行估計(jì)時(shí)，首先獲取UTC時(shí)間00h，06h，12h和18h上的平均風(fēng)速的u分量和v分量序列，然后將u分量和v分量序列插值到SAR影像過境時(shí)刻。在利用NCEPFNL資料獲取了研究區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速后，即可利用“凝固流”假設(shè)，通過式(1)來獲取空間分辨率更高的濕延遲控制點(diǎn)。假定GPS天線的位置為(xg，yg)，則在時(shí)刻tni該GPS測(cè)站獲取的ZWD可以平流輸送至SAR影像獲取時(shí)刻ti的新位置

11、(x，y)。式(1)可表示為:表示平均風(fēng)速估計(jì)的間隔。式(8)中，T表示主副影像獲取時(shí)刻ti前后的時(shí)間窗口大小。改進(jìn)的融合GPS觀測(cè)和NCEPFNL的InSAR大氣改正方法以GPSZWD的時(shí)間分辨率來換取ZWD控制點(diǎn)的空間分辨率。利用“擴(kuò)展”的ZWD控制點(diǎn)，通過IDW等插值方法即可得到更精確的ZWD分布圖，從而更好地用于InSAR大氣延遲改正。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1數(shù)據(jù)來源選取兩幅搭載在ENVISAT上的ASAR傳感器在江蘇東南部地區(qū)獲取的SAR影像進(jìn)行干涉處理與分析，主副影像的獲取時(shí)間分別為2008年12月22日和2009選取圖2影像的左下角的區(qū)域作為研究區(qū)域，對(duì)提出的算法進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。GP