基于GPS和美国环境预报中心观测信息的InSAR大气延迟改正方法研究

常 亮

河海大学地球科学与工程学院测绘科学与工程系,南京,210098

InSAR技术是近年来迅速发展起来的极具应用价值的空间对地观测新技术,具有监测精度高、范围大、成本低、空间连续覆盖等优点,为滑坡、泥石流等地质灾害监测提供了一种新型的监测方法。由于地质灾害多发生在暴雨频发、地质地貌复杂的区域,特殊的地理位置与气候使得InSAR技术应用中受大气延迟的影响非常严重,导致InSAR图像错误解释。利用GPS进行InSAR大气延迟改正是最有效的方法之一。但由于 GPS测站空间分辨率低以及 GPS测站附近的气象观测数据缺失等问题,降低了GPS改正InSAR大气延迟的精度。美国环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合推出的全球再分析资料包含了丰富的气象观测资料,可用来精确估计气象参数并提高大气延迟分布图的精度。

针对GPS改正InSAR大气延迟现存的问题,综合利用GPS观测数据和NCEP再分析资料,研究InSAR大气延迟改正新方法,以促进InSAR理论及方法的发展,为滑坡、泥石流等地质灾害的监测和防治提供可靠依据。主要取得以下成果:

(1)针对 GPS测站附近气象观测数据缺失时大气延迟估计精度差的问题,提出利用NCEP再分析资料估计气象参数及大气延迟的方法。通过对再分析资料进行水平、垂直和时间插值,估计 GPS测站附近的温度、压强及地表加权平均温度,进而实现气象观测数据缺失时大气湿延迟及大气可降水量(PWV)的精确估计。选取2007年上海地区的9个 GPS测站及附近的探空观测资料,对NCEP再分析资料估计得到的气象参数和PWV进行精度分析与评定。结果表明,提出方法估计的地表温度、压强与实测值的标准差和均方根分别为1.6 K, 2.5 K和0.9 hPa,0.9 hPa;基于再分析资料估计的 PWV与有气象观测数据时探测的PWV的标准差和均方根分别为0.5 mm,1.1 mm。因此,提出方法可用于GPS测站附近的气象观测数据缺失时大气湿延迟及PWV的精确估计。

(2)针对地面GPS网络的低空间分辨率给InSAR大气延迟改正带来的不利影响,提出融合 GPS和NCEP FNL(final)进行大气延迟改正的方法。将NCEP FNL得到的平均风速用于“凝固流”假设理论,获得了“扩展”的湿延迟控制点,从而提高了湿延迟分布图的精度。选取Envisat ASAR影像及同步的 GPS测站数据进行试验研究与方法验证。研究结果表明,与仅利用 GPS观测进行InSAR大气改正的效果不明显相比,提出方法将残余大气相位的RMS减少了18.5%,可有效减少InSAR干涉图中的残余大气相位。

(3)在地质灾害频发的山区,GPS设备架设比平原地区更加困难,使得GPS空间分辨率低的问题进一步突出,针对这一问题,提出融合地基GPS和空基COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星观测数据的 InSAR大气延迟改正方法。综合利用地基GPS网络和空基掩星观测数据的互补性,提高湿延迟控制点的空间分辨率,获得了高精度的湿延迟分布图。研究结果表明,与仅利用地基 GPS进行大气延迟估计相比,引入COSMIC掩星观测后得到的PWV与探空PWV更为接近,相关系数由0.42增加为0.67, RMS由4.44 mm减小为3.58 mm。因此,融合 GPS和COSMIC掩星观测可有效地提高大气延迟估计精度,在GPS测站建站困难的区域开展 InSAR大气延迟改正时,该方法具有独特优势。