基于InSAR技术的地表多维变形观测方法综述

王晨兴， 谷天峰， 孔嘉旭， 封凯强

(西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室， 陕西 西安 710069)

地表沉降是一种由于人为或者自然原因导致的地表下沉现象，这种现象破坏人类的生存环境，对人类的生命财产安全产生巨大威胁，成为制约沉降区域经济社会全面、协调、可持续发展的重要因素。GPS测量、水准测量技术等传统的地表沉降监测方法[1-3]具有周期长、成本高、效率低等缺点，难以满足高密度、大面积、长时间的沉降观测需要。

20世纪70年代发展起来的合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)作为对地观测的一种，能够精确测量地表目标的位置信息及雷达视线向上的微小变形[4-8]，能够以固定周期对地表进行大面积的稳定观测。随之发展而来的合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR)可以通过两次重复观测的合成孔径雷达(SAR)影像进行差分、滤波及相位解缠处理，得到地表形变信息，其精度可以达到厘米级，但该技术无法有效消除时空失相关、DEM误差以及大气延迟效应等的影响。因此多时相合成孔径雷达干涉测量技术(multi-temporal InSAR，MT-InSAR)应运而生，它包括永久散射体干涉测量(PSI)、小基线集(SBAS)、干涉点目标分析(IPTA)以及相干点提取(CPT)等[9-15]，不仅克服了常规D-InSAR监测地表形变的时空失相关和大气延迟的限制，而且提高了探测的精度和可靠性。如今InSAR技术已广泛应用于采空区和城市地面沉降[16-17]、地震形变[18]、滑坡泥石流等灾害监测[19]及工程活动形变监测[20]等领域。然而，在地面变形估计中SAR卫星的极轨和侧成像模式[21]以及参考点相对变形[22]问题限制了InSAR的应用。

本文介绍了传统InSAR技术并针对多维地表变形观测中SAR卫星的极轨和侧成像模式以及参考点相对变形估测所产生的问题，对近年来提出的基于InSAR技术的二维和三维地表沉降获取的有效方法进行了综述，并对该技术的发展进行了展望。

1 InSAR观测技术

1.1 雷达干涉测量原理

合成孔径雷达干涉测量技术是合成孔径雷达技术和干涉测量技术的集合体。合成孔径雷达属于微波遥感，可以记录地物的散射强度信息和相位信息。其基本原理是利用同一地区两次或多次的SAR影像通过复共轭相乘提取目标的地形或形变信息。干涉模式包括沿轨道干涉法、交叉轨道干涉法以及重复轨道干涉法。

1.2 SAR卫星发展现状

近些年主要的SAR卫星参数[23]见表1。

表1 1995年以来主要SAR卫星参数

1.3 传统InSAR观测的局限性

在InSAR地面变形估计中存在两个问题：第一，由于当前SAR卫星的极轨和侧成像模式使其仅在沿视线(LOS)方向的观测对地表的形变较为敏感[21]；第二，由于通过相位展开操作，从相邻像素之间的干涉相位差异中重新建立了形变测量，在参考点的相对地面变形只能由InSAR来实现[22]。

1.4 多维地表形变观测原理

传统InSAR技术只能有效解决沿视线方向的一维(1D)形变问题，二维(2D)形变包括LOS向形变和方位向形变，LOS向形变信息可以通过一个传统InSAR的干涉对或偏移量追踪技术得到，方位向形变信息则可利用偏移量追踪(offset-tracking)技术或多孔径InSAR方位测量(multi-aperture InSAR，MAI)技术获取。而要得到三维(3D)形变信息，至少需要两个不同成像几何体的干涉对，offset-tracking技术或MAI技术结合交叉轨道(升轨和降轨)观测可以有效获取三维形变信息，是一个很好的选择。

2 针对InSAR观测局限性的多维地表形变获取

2.1 InSAR观测视线向模糊问题的处理

针对该问题一般采用偏移量追踪(offset-tracking)技术和多孔径InSAR方位测量技术，此外，由一定密度的GPS站点所提供的三维测量数据可辅助测量空间连续三维变形。

2.1.1 偏移量追踪(offset-tracking)技术

为了克服传统InSAR在沿视线方向观测的局限性，Michel等[24]提出利用两景ERS-1 SAR影像配准后的偏移量来估计美国1992发生的Landers地震引起的二维同震位移场，成功得到了满足精度需要的距离向(LOS向)和方位向(垂直于LOS向)的二维同震形变信息。偏移量追踪得到的数据精度一般在1/10到1/30像素之间[25]。以ERS-1/2数据为例，其在距离向和方位向可以分别达到约13 cm和26 cm。

虽然偏移量追踪技术在沿视线方向所得结果的精度不如传统InSAR，但是它很好地测量了方位向(几乎平行于南北向)的偏移量，同时解决了相位失相关问题，这对于解决地震、火山爆发和冰川运动等问题都是极为关键的。Sarti等[26]应用offset-tracking技术得到2003年伊朗Bam地震的近场同震位移场，结果表明二维位移场比一维LOS位移场更有助于研究地球物理模型。值得注意的是，通过offset-tracking技术生成的形变图一般是由研究区均匀分布的网格节点得到，空间分辨率较低。如果集成外部信息(如光学图像)来优化网格，可以进一步提高offset-tracking技术的分辨率和效率。

2.1.2 多孔径InSAR方位测量(multi-aperture InSAR，MAI)技术

MAI技术最早由Bechor和Zebker[27]在2006年提出，用来解决矿区地表二维形变问题。该技术利用子孔径处理技术将两景原始的SAR影像生成前、后视复数(SLC)影像。通过使用相应的SLC图像，两景原始的SAR影像生成前、后视干涉图。前视和后视干涉图之间的相位差是一个MAI影像，它揭示了方位向的地表变形(大致北-南)。对于来自平地效应和地面高度的相位误差，Jung等[28]通过校正MAI干涉图优化了MAI技术，并且为了提高连贯性和计算效率他提出了一种改进的MAI处理过程。改进后的MAI处理过程包括以下三个步骤：(1)SAR原始数据通过方位向共带滤波处理生成前、后视复数图像；(2)利用数字高程模型(DEM)并考虑到其相应的垂直基准线生成前、后视差分干涉图；(3)前视与后视差分干涉图通过共轭相乘生成MAI干涉图，从而得到多孔径差分干涉结果。王晓文等[29]在2014年将MAI技术和常规InSAR结合，获取地表三维形变信息，并通过2003年伊朗Bam地震进行试验，结果表明其形变的精度和计算效率均优于前人研究成果。

MAI技术是继offset-tracking技术之后基于InSAR技术获取方位向形变信息的另一项选择。与传统InSAR技术相比，MAI技术因更易受到噪音的影响而导致失相关，对于近场的同震形变信息获取及流速较快的位移估计并不适用[23]。而相较于offset-tracking技术，MAI技术在方位向形变信息的精度和计算效率方面都更胜一筹[27，30]。

2.1.3 结合GPS观测技术

GPS是三维形变测量中最常用的技术，在连续工作模式下GPS垂直向和水平向的测量精度可以达到亚厘米级。然而，受布设密度和运营成本的限制，GPS很难进行大面积、高密度测量，即使在观测网(SCIGN)或地理网(GEONET)这样的高密度GPS网络下，空间分辨率也不会超过10 km[31]，其适用性大大降低。GPS与InSAR技术具有很好的互补性[32]，GPS技术不仅可以提供地面观测点的形变信息，还能提供该处的气象资料，为InSAR技术对多维地表形变的估算提供补充数据源，而InSAR技术能够提高GPS的空间分辨率，能够以毫米级精度观测大面积地表形变。两者的融合可以实现GPS高时间分辨率与InSAR技术高空间分辨率的有机统一。

融合InSAR和GPS观测技术最早由Gudmundsson等[33]在2002年提出，很好地解决了冰岛西南部Reykjanes半岛的空间连续三维形变速率场问题。但这个研究中所用到的全局优化技术(即模拟退火法)运算上较为密集，收敛速度缓慢，耗时太长。因此，有人提出了一种改进的方法——分析优化法，这种方法在贝叶斯统计框架内并以吉布斯-马尔可夫随机域的等价性为基础，Samsonov等[34]成功的将这个方法应用于加利福尼亚南部的三维形变速率图中。目前融合InSAR和GPS观测技术主要用于降低大气延迟影响、优化融合算法等[33，35]。

2.1.4 先验信息辅助技术

除了融合GPS观测技术，推测全三维地表位移场至少需要三个独立的InSAR观测结果，实际情况往往很难满足这样的条件。但在一些特定的应用中(冰川运动[36-37]、滑坡监测等)，可以利用地面形变或位移特征这样的先验信息来简化地表三维形变信息的求解过程。主要包括表面平行流假设法和忽略南北向位移分量。

表面平行流假设法最早由Joughin等[38]在1998年提出，他们假设冰川平行于地面移动，并结合ERS-1/2升降串联对的D-InSAR LOS向观测数据估算格陵兰岛Ryder冰川的三维速度场。在这种假设下，U-D位移分量可以与水平位移分量建立以下关系：

由于SAR卫星在近极地轨道运行，南北向的地表位移在非极性区域对雷达侧成像模式获取的视线方向形变贡献较小。对于地面沉降、地下流体引起的隆起以及近东西向断层的延伸等，研究区地面运动的方向与南北向关系很小，则可以忽略南北向的变形。此时只需要两组不同视角的LOS观测数据即可得到垂直向和东西向的变形结果[40]。

2.2 相对地面变形参照系问题的处理

对于相对地表形变问题还未引起人们的广泛关注。通常情况下，相对变形可以通过地面控制点进行校准(GCPs)，但GCPs并非总是适用的。此外，除了角反射器外在SAR图像中区分GCPs是比较困难的[41]。在地面无控制点的情况下，通常假设相对稳定的区域作为参考区[22]，此外，十字线干涉测量法也是一种有效的二维地表形变测量法。

2.2.1 相对稳定区域参照法

相对稳定区域参照法主要应用于地面没有控制点的时候，通常假设一个相对稳定的区域作为参考区。在地震或者火山爆发引起地表形变的研究中，为了确定近源区的实际地面变形一般将远场区假定为参考区[42-45]。这种方法得到的观测数据更加可靠，但不适用于大规模地面变形的监测，因为这超过了单帧SAR影像的覆盖范围。

2.2.2 十字线干涉测量法

十字线干涉测量法的核心思想是将InSAR沿视线方向的升轨和降轨观测数据通过最小二乘法分别得到相对的垂直向形变和东向形变，根据垂直向形变确定最大形变漏斗的中心，重估东向的相对形变。然后将小于阈值的东向变形数据点利用最小二乘法平差，得到校准的升轨和降轨观测数据偏移量，进而获取视线方向的实际形变。最后再次利用最小二乘法得到垂直方向和东向的实际变形结果。Yu等[46]针对中国沧州由地下水下降引起的地面变形，采用该方法得到研究区的实际二维地面变形速度。

与相对稳定区域参照法相比，该方法不受上述假设参考区限制，对于覆盖率较低的高分辨率SAR数据，可以有效解决干涉测量过程中参照区超出单帧SAR影像范围的问题，主要应用于与地下活动(如地下水、地下采矿、石油/天然气开采)相关的长期变形监测。

3 当前面临的挑战

利用上面提到的方法一定程度上解决了SAR卫星极轨飞行和侧成像模式导致南北向形变极其不敏感问题和相对形变测量问题，但各种技术本身的局限性、数据间的差异性以及观测条件等仍对InSAR技术的应用及拓展带来巨大挑战。

与MAI技术相比，Offset-Tracking技术由于极低的方位角分辨率，其缺点更为明显，但MAI技术的使用仍然局限于高相干地区。GPS技术是目前普遍使用的三维地表形变监测技术，但是限于布设密度只能获得稀疏的布设点所在位置的测量结果，因此对于大部分没有布设足够多GPS的区域，仍无法得到足够的高精度三维变形观测结果。

不同SAR卫星具有不同的轨道、运行周期及参数，使得进行模型解算时产生秩亏现象，当运用辅助条件进行约束时，又会影响形变估算精度，动态平差方法(如卡尔曼滤波)是解决该问题的一种新思路。

InSAR三维变形估计的精度取决于LOS向和方位测量的精度，然而，这些精度总是受到大气伪影的限制。大气伪影由于对流层或电离层引起了相位延迟或提前。对流层伪影可以进一步分解成湍流和分层分量，这两种分量都限制了从D-InSAR或MT-InSAR集中提取精确的LOS方向变形[47]。

4 InSAR技术获取多维地表变形的展望

4.1 更加精细的多维位移测量

以前的研究中大多是利用中分辨率SAR影响来估计多维地表位移，但在2011—2012年期间，ENVISAT卫星和ALOS卫星的相继服务停止，高分辨率SAR影像的使用将大大增加。例如，对于X波段，TerraSAR-X和COSMO-SkyMed卫星提供的SAR数据，由于波长较短，空间分辨率高达1 m，有利于监测微小的地表变形。

4.2 多维时间序列位移测量

当前的研究几乎都集中在突发事件(如地震、火山、滑坡等)引起的多维地表变形的研究上或者是长期位移的平均三维速度上。因此，在未来的研究中，需要更多地关注多维位移时间序列的估计。

5 总 结

本文针对多维地表变形观测遇到的一些问题介绍几种有效的解决方法。offset-tracking技术可以有效测量方位向(几乎平行于南北向)的偏移量，而MAI技术在方位向形变信息的精度和计算效率方面都更胜一筹，当这些技术结合GPS和先验信息会大大提高观测的精确性以及可靠性。相对变形的观测可以通过假设相对稳定的区域或者优化干涉测量方法进行处理。当然，这些方法各有利弊，暂时还没有综合统一的多维变形处理方式，只能针对具体问题选用合适的处理方法。

相信随着社会的进步以及技术的发展，在不久的将来会发展出更高效、更精确的基于InSAR技术的地表多维变形观测处理技术，而在此基础上进行三维位移的预估也将成为研究的热点，进一步推动该领域的拓展和应用。