第3章 區(qū)域地殼形變監(jiān)測-2-2014

《地殼形變》主頁第三章區(qū)域地殼形變監(jiān)測武漢大學(xué)許才軍GPS技術(shù)用于地殼垂直形變監(jiān)測1）有可能利用GPS觀測直接得到毫米級的大地高數(shù)據(jù)。重復(fù)GPS觀測可以求定大地高的變化（或站心坐標系的U分量的變化）。2）正常高是地面點沿正常重力線方向至似大地水準面的距離;大地高是地面點沿法線方向到橢球面的距離。重復(fù)水準給出監(jiān)測點正常高的變化。

3)由于橢球體法線與正常重力線夾角很?。ㄍǔ椤胺帧钡牧考墸?，大地高和正常高方向基本重合，所以可以用大地高的變化代替正常高的變化，也就是可以利用重復(fù)GPS觀測取代精密水準以監(jiān)測地面的升降變化。GPS測量站坐標系的U分量與正常高變化的關(guān)系U與h的關(guān)系為過B點似大地水準面垂線與過A點的球半徑之間的夾角的大小與B點處的垂線偏的大小及局部橢球局部ITRF的定向有關(guān)，是個微小量當(dāng)A，B兩點間相距不大時（<110km），可以忽略，此時有所以當(dāng)A，B兩點大約100km時，可以用即可由GPS測量結(jié)果代替水準測量的正常高的變化！代替而衛(wèi)星雷達干涉測量InSARInSAR(InterferometricSAR):是以SAR雷達天線記錄到的回波信號為信息源，利用干涉測量技術(shù)獲取地球表面的三維地形、地表形變和地物特征變化等信息的一種測量技術(shù)。InSAR是SAR的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。InSAR發(fā)展歷程InSAR應(yīng)用領(lǐng)域InSAR基本原理及處理流程InSAR時序分析技術(shù)SAR:全稱為SyntheticApertureRadar含義為合成孔徑雷達分類真實孔徑雷達合成孔徑雷達（SAR）加拿大魁北克地區(qū)1953年第一幅機載SAR影像星載合成孔徑雷達（SAR）是一種以衛(wèi)星為載體平臺的對地觀測技術(shù)，用來獲得地物的高分辨率雷達圖像。全球范圍，不受國界領(lǐng)空限制；高度高，可視范圍大，成像測繪帶寬；全天候，不受氣象條件限制；軌道穩(wěn)定，多次成像重復(fù)性好；飛行平穩(wěn)，沒有運動補償問題；下視角相對小，圖像陰影少。星載SAR的優(yōu)點軌道固定，偵察不靈活；衛(wèi)星飛行速度高，成像帶寬度大，設(shè)計參數(shù)約束條件多；距離遠，圖像信噪比提高困難；受星-地數(shù)據(jù)傳輸鏈路信道容量制約。星載SAR的局限方位向(Azimuth)距離向(Range)分辨單元軌道高度H距離R下視角掠地角入射角下視角≠入射角飛行方向軌道高度H星載SAR成像幾何關(guān)系下視角下視角入射角1978年Seasat衛(wèi)星—第一次獲得衛(wèi)星成像雷達數(shù)據(jù)主要參數(shù)國家：美國高度：800km軌道傾角：108度波長：23.5cm（L波段）入射角：23度極化方式：HH地面分辨率：25m25m工作時間：105天重復(fù)周期：3天1991年ESA發(fā)射ERS-1—里程碑意義的商業(yè)雷達衛(wèi)星主要參數(shù)國家：歐空局高度：782km軌道傾角：98.5度波長：5.6cm（C波段）入射角：23度極化方式：VV地面分辨率：25m25m設(shè)計壽命：5年重復(fù)周期：35天ERS-11992年JERS衛(wèi)星主要參數(shù)國家：日本高度：570km軌道傾角：97.7度波長：23.5cm（L波段）入射角：35度極化方式：HH地面分辨率：18m18m工作壽命：6年重復(fù)周期：44天JERS1995年可變視角衛(wèi)星Radarsat-1主要參數(shù)國家：加拿大高度：798km軌道傾角：98.6度波長：5.6cm（C波段）入射角：20-49度極化方式：HH地面分辨率：25m28m計劃壽命：5年重復(fù)周期：24天Radarsat-1ERS-2衛(wèi)星Envisat衛(wèi)星Tandem模式ASAR、多視角、多模式ERS-2與EnvisatENVISATImage模式圖象2003年12月11日01:57:02VV極化丹東鴨綠江入?？贗mage模式ENVISAT衛(wèi)星AlternatingPolarisation模式的圖象與Image模式一樣，具有約30米的空間分辨率的圖象，以及同樣IS1~IS7的7種不同入射角的成象位置；HH極化圖象VV極化圖象ENVISATAlternatingPolarisation模式圖象2003年12月9日14:15:00河南北部另，AlternatingPolarisation模式提供同一地區(qū)兩種不同極化方式的圖象，用戶可根據(jù)需要從以下三種極化方式組合中選擇一種(VV和HH；HH和HV；VV和VH)；ENVISAT衛(wèi)星WideSwath模式采用ScanSAR技術(shù)，可以提供更寬的成象條帶，幅寬為405公里，空間分辨率150米，可以HH或VV極化方式成像ENVISATWideSwath模式圖象2003年12月10日02:31:45VV極化湖南ENVISAT衛(wèi)星2000年2月22日,美國奮進號航天飛機在圓滿完成為期11天的航天飛機雷達地形測繪使命(SRTM)后,安全返回地面。此次飛機共采集了80個小時,約9.8萬億字節(jié)的地形數(shù)據(jù),覆蓋了全球80%以上的陸地表面。US

Shuttle

Radar

Topography

Mission美國航天飛機雷達地形測繪使命SRTMSRTM任務(wù)具有2個獨創(chuàng)之處:①通過長達60m的可伸縮天線桿,實現(xiàn)了單軌道雷達干涉測量;②同時實現(xiàn)了雙頻(X,C波段)及多極化(HH,VV,HV和VH)雷達地形數(shù)據(jù)的獲取。全部原始數(shù)據(jù)的處理約化兩年的時間,最終獲取平面精度±20m,高程精度±16m的全球數(shù)字高程模型(DEM)。此外,利用重復(fù)軌道的SRTM雷達數(shù)據(jù),可實現(xiàn)差分干涉測量,用于地殼形變及冰川變化的監(jiān)測,精度可達到厘米級。SRTMSRTM成果2006年ALOS衛(wèi)星多視角、多模式2007年Radarsat-2Radarsat-22007年TerraSAR-X主要參數(shù)國家：德國高度：514km軌道傾角：97.4度波長：3.1cm（X波段）入射角：20-45度極化方式：HH/VV/HV/VH地面分辨率：3m2m計劃壽命：5年重訪周期：11天波段：X波段極化方式：多極化觀測方式：側(cè)視軌道類型：太陽同步回歸周期：11天軌道高度：512－530千米TerraSAR-X是德國的首顆多用途偵察衛(wèi)星，也是目前世界上探測精度較高的衛(wèi)星，由德國航天局及歐洲阿斯特留姆公司聯(lián)合研發(fā)制造，耗資1.3億歐元，運行高度在512－530公里，傾角98度的太陽同步軌道上，重訪周期為11天；TerraSAR-X衛(wèi)星為了達到不同的觀測角，以前的衛(wèi)星通常需要轉(zhuǎn)動整個星體，而TerraSAR-X衛(wèi)星只需用有源天線轉(zhuǎn)動“眼睛”，即掃描條帶。隨著地球在這條軌道下方自轉(zhuǎn)，該衛(wèi)星可逐條帶地掃描地球的所有區(qū)域，亦可在更短時間內(nèi)對任何重點目標進行優(yōu)先觀測；TerraSAR-X是固態(tài)有源相控陣的X波段合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星，分辨率可高達1米。由于TerraSAR-X可控制雷達信號的發(fā)射、接收的方向及模式，因此具有極高的靈活性；TerraSAR-X重訪周期為11天，然而由于具有電子光束控制機制，對地面任一點的重復(fù)觀測可達到4.5天，90%的地點可在2天內(nèi)重訪。同時，衛(wèi)星具有256G的機上存儲空間，并可實時下傳，保證了極高獲取效率；能進行聚束式、條帶式、掃描式成像，三種成像方式均可有多種極化；

聚束式（SpotLight）1米分辨率，覆蓋范圍5x10公里條帶式（StripMap）3米分辨率，覆蓋范圍30x50公里掃描式（ScanSAR）16米分辨率，覆蓋范圍100x150公里影像獲取模式可快速切換：聚束式（SpotLight），連續(xù)兩景之間的距離為20公里，條帶式（StripMap）和掃描式（ScanSAR）為17公里；

國防、安全

形變監(jiān)測各種地形、專題制圖農(nóng)業(yè)：農(nóng)作物制圖，精確農(nóng)業(yè)（灌溉、施肥、噴撒農(nóng)藥等應(yīng)用）識別森林類型，支持計算監(jiān)控森林覆蓋率城市及區(qū)域規(guī)劃，環(huán)境保護海岸帶管理及船只監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害管理（洪水監(jiān)測等）規(guī)劃監(jiān)測供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（如石油管道等）TerraSAR-X產(chǎn)品與服務(wù)可為很多地理信息應(yīng)用提供數(shù)據(jù)

X波段可用于對地表特征進行制圖并可解譯較小地物；多種同步的極化模式，提高地物識別能力；高幾何分辨率，識別小型地物；高輻射分辨率以區(qū)分多種專題分類；高重訪周期，TerraSAR-X可采取不同側(cè)視角度，在不同天氣、光照情況下均可進行拍攝，可進行經(jīng)常性、定期的觀測、監(jiān)控及地圖更新；靈活性及高性能：獲取模式快速切換，可進行大區(qū)域詳細觀測，危害診斷產(chǎn)品可幾乎實時提供；TerraSAR-X衛(wèi)星TanDEM-X衛(wèi)星2007年COSMO-SkyMed星座主要參數(shù)國家：意大利高度：620km軌道傾角：97.9度波長：3.1cm（X波段）入射角：20-45度極化方式：HH/VV/HV/VH地面分辨率：3m2m計劃壽命：5年重復(fù)周期：12小時三種工作模式、共5種不同分辨率的成像模式

COSMO-Skymed衛(wèi)星COSMO-Skymed雷達衛(wèi)星的最高分辨率為1米，掃描帶寬為11公里，具有雷達干涉測量能力。作為一顆分辨率高達1米的雷達衛(wèi)星，它具備全天候全天時對地觀測的能力、衛(wèi)星星座特有的高重訪周期、1米高分辨率等優(yōu)勢，將廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市規(guī)劃、災(zāi)害管理、地質(zhì)勘測、海事管理、環(huán)境保護等領(lǐng)域；2006年遙感衛(wèi)星一號遙感衛(wèi)星一號是遙感系列衛(wèi)星的第一顆；主要用于科學(xué)試驗、國土資源普查、農(nóng)作物估產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，將對中國國民經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮積極作用。機載SAR系統(tǒng)InSAR應(yīng)用領(lǐng)域InSAR應(yīng)用領(lǐng)域地形測量Gtopo30USGSSRTM地形測量地殼運動研究冰川研究森林調(diào)查與制圖地表沉降地表沉降InSAR基本原理及處理流程5.6cm780km振幅：目標物的反射特性，是雷達波參數(shù)和目標物參數(shù)的函數(shù)振幅相位相位：雷達天線與目標物間雙程距離中不足整周的部分影像特征相位：雷達天線與目標物間雙程距離中不足整周的部分路徑差（相位偏差）5.6cm780km重軌InSAR工作原理單視復(fù)影像Singlelookcomplex(SLC)InSAR基本原理根據(jù)距離-多普勒原理，多普勒頻率表示為

因為

所以

干涉相位

遠場情況下：InSAR幾何關(guān)系上式左邊表示鄰近像素的干涉相位差，右邊第一項表示目標高程變化引起的相位，右邊第二項表示無高程變化的平地引起的相位，稱之為平地相位(flatphase)。相位：雷達天線與目標物間雙程距離中不足整周的部分1stTime2ndTime當(dāng)?shù)乇頍o形變重軌InSAR工作原理相位：雷達天線與目標物間雙程距離中不足整周的部分1stTime2ndTime當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生形變InSAR基本原理

視線向的形變1周視線向形變等于半個物理波長InSAR基本原理對形變的敏感度是地形的1000+以上荷蘭DelftDORIS(Unix/Linux/Cygwin)http://doris.tudelft.nl/Doris_download.htmlCaltechROI_PAC(Unix/Linux)/projects/ROI_PAC瑞士GAMMA(Unix/Linux/Cygwin)http://www.gamma-rs.ch/ENVISARSacpe(Windows)/language/en-us/productsservices/envi/sarscape.aspx加拿大EarthView(Windows/Solaris)/ApolloTG/products/earthview.htm常用的SAR軟件InSAR處理流程通常，圖像的配準誤差必須在1/8個像元以下才對干涉紋圖的質(zhì)量沒有明顯的影響圖像配準生成干涉圖配準后的圖像對進行復(fù)共軛相乘就得到了復(fù)干涉紋圖平地相位消除P為什么要消除平地相位？即使是平地也會產(chǎn)生距離差，從而產(chǎn)生相位差。平地相位消除方法直接計算，主輔SAR圖像上同一點成像時，對應(yīng)的主輔衛(wèi)星位置，計算斜距差，從而得到平地相位去地形影響在InSAR處理基礎(chǔ)之上，消除地形相位，獲得地表形變相位信息。兩軌法，外來DEM模擬干涉相位，獲得地形相位信息三軌/四軌法，由未有形變的干涉SAR圖像對獲得地形相位信息干涉圖濾波由于干涉相位圖一般都受到了系統(tǒng)噪聲和相干斑噪聲的影響，使得相位值偏離其所反映物理量的真實值，這將嚴重影響下一步相位解纏的準確性圓周期中值/均值濾波法加權(quán)圓周期中值濾波Goldstein濾波及其改進方法原始干涉圖圓周期均值圓周期中值加權(quán)圓周期Goldstein改進的Goldstein影像B:080201影像A:07112320080109，西藏改則地震干涉圖=相位A–相位B振幅相位1個條紋=2.83cm相位解纏相位解纏為什么要進行相位解纏？ReIm定義相位解纏：一切將相位由相位差值或主值恢復(fù)為真實值的過程數(shù)學(xué)描述給定一個二維相位矩陣ψi,j，為了解纏該矩陣，需要對每個點(i,j)加上或減去2π的整數(shù)倍從而得到一個連續(xù)的函數(shù)?i,j，即解纏條件一致性：任意兩點間的相位差與路徑無關(guān)精確性：解纏后相位忠實地恢復(fù)原始相位函數(shù)地理編碼地理編碼是指將雷達坐標系下的干涉圖轉(zhuǎn)換到大地坐標系或者制圖坐標系下。在地形相位生成過程中，已經(jīng)得到了DEM模擬的幅度影像與主影像之間的關(guān)系（查找表），通過這個對應(yīng)關(guān)系，就可以將雷達坐標系下的干涉圖轉(zhuǎn)換到大地坐標系下。最終的InSAR產(chǎn)品：地理編碼后的解纏相位。

InSAR時序分析技術(shù)單幅SAR圖像實際觀測的相位：InSAR研究的難點：成像時間間隔所導(dǎo)致的時間去相干，使得像元內(nèi)的散射特性發(fā)生變化，得到的干涉條紋變成隨機分布，無法獲得有用的信息——對散射相位的消除

D-InSAR提取的地表形變信息的正確解釋。確立合適的理論模型，融合D-InSAR的結(jié)果與其他觀測結(jié)果，加強對各種地表形變場的物理解釋——對形變相位的描述大氣噪聲信號的消除。這是目前D-InSAR研究的難點。如何定量化分析大氣附加相位以及如何有效消除尚無定論——對大氣相位的消除目前傳統(tǒng)差分干涉SAR測量面臨兩大問題：長時間基線導(dǎo)致的時間去相干大氣的非均勻延時作用1天間隔15個月間隔在所獲取的所有圖像中選擇那些在長時間尺度上保持相干的點——PS點，減小時間去相干的影響；同時這些點往往小于像素的尺寸，因此也減小了空間去相干的影響，突破了極限基線的限制，增加了可以利用的圖像對；建立線性形變模型，利用這些選擇出來的PS點上的相位通過調(diào)整模型參數(shù)，求得這些可靠點上的DEM以及形變速率；通過對這些離散點的形變速率進行插值，獲得連續(xù)的形變場，DEM誤差的補償獲得改進的DEM；通過線性形變模型估計的相位對所得到的干涉相位進行補償，進而得到反映大氣影響，非線性形變以及噪聲的殘差相位。PS技術(shù)1、干涉條紋圖2、PS點處的干涉相位3、由PS點處的通過插值獲得的規(guī)則形變圖PS技術(shù)大量SAR圖像離散高相干點估計長時間尺度上的形變序列:估計大氣影響估計高程誤差比GPS和水準測量具有更高的時間和空間采樣率PS技術(shù)線性形變速率非線性形變SAR圖像的相位組成：干涉相位的組成：差分相位的組成：如用精軌數(shù)據(jù)，可以忽略高程誤差去地形去平地InSAR時序分析技術(shù)最小二乘法(leastsquares,LS)(Usai2001,Usai2003)永久散射體法(permanentscatterers,PS)(Ferretti1999,Ferretti2000,Ferretti2001)小基線集法(smallbaselinesubsets,SBAS)(Berardino2002,Berardino2003a,2003b,Lanari2004)相干目標法(coherenttargets,CT)(Mora2003a,Mora2003b)共同點克服傳統(tǒng)DInSAR技術(shù)的缺陷：避免時間和空間去相干在長時間范圍內(nèi)，選擇相位和幅度變化都穩(wěn)定的點（高相干點）作為研究對象，從這些點上反演研究區(qū)的形變信息流行的四種方法*LevelingD

SARσ≈0.8mm/yearσ≈0.8mm/yearσ≈1.3mm/yearσ≈0.7mm/yearσ≈1.0mm/yearσ≈0.5mm/yearStandarddeviationvalue:≈1mm/yearInSAR時序分析技術(shù)NapolibayareaInSAR時序分析技術(shù)Napolibayarea*Levelingdata