CRInSAR和PSInSAR技术在地表形变监测中的应用

颜芳 孙芳 徐锐 岳雷 刘宇薇

摘   要：基于人工角反射器和永久散射体的InSAR技术对于监测地面形变的效果理想，能够检测到3～5个毫米级量级的地表形变运动，可弥补静力水准测量、GNSS监测在地表形变监测的不足。文章描述了位于涿州园区的CR的设计、安装方法，并结合该CR和距离园区5 km内的PS形变数据进行了分析，验证了角反射器InSAR技術在地表形变监测领域的可行性。

关键词：合成孔径雷达干涉测量;人工角反射器;永久散射体;地表形变监测;精度分析

1    技术背景

合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术作为一种连续的、区域覆盖的地面形变监测方法，在地质灾害监测领域发挥了愈来愈明显的作用[1-2]。而基于人工角反射器（Corner Reflector，CR）和永久散射体（Permanent Scatters，PS）的InSAR技术，简称CRInSAR和PSInSAR技术的出现有效地提高了重轨图像系列的时间相干性和空间相干性，测量精度也较常规InSAR测量精度有所提高[3-6]。本文描述了CR的原理、设计方法，并结合该CR和距离园区5 km内的PS形变数据进行了分析。

2    角反射器的设计

2.1  角反射器的结构设计

本方案中选用三面角的角反射器，如图1—2所示。材料为铝板和镀锌铁皮双层结构，铝板厚度3 mm，外加镀锌铁皮（1 mm厚）以保护反射面（铝板），边侧加三角角钢加固;3块金属板之间的相互垂直角度加工公差不超过±1°;在棱边设置了3个活动关节，通过伸缩杆来调节CR的仰角;在顶底处设置了一漏水孔，防止积水影响其反射路线;为获得最大反射截面（Radar Cross-Section，RCS），可根据雷达数据轨道信息来调整角反射器的底边方位角，并使角反射器的底边与卫星飞行方向平行。

2.2  角反射器的结构尺寸及角度参数

根据调研，可以获取SAR数据的雷达卫星包括德国TanDEM-X系统、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2卫星、欧空局Sentinel-1星座等4个雷达卫星系统。其中前3个为收费系统，欧空局的Sentinel-1星座（两颗卫星—A，B）提供免费数据下载。收费卫星数据费用高昂，每景数据的费用根据参数不同为一万多元到六万多元不等。出于成本考虑，项目最终选取欧空局的Sentinel-1星座提供的数据进行研究。该数据下载一景约7.8 G，需2～3天。

根据选取的卫星系统，最终确定角反射器的各参数如下：

（1）CR的底边尺寸。需要达到所接收雷达信号波长的10～80倍，而Sentinel-1雷达系统的中心频率为5.405 GHz，则其波长λ为5.55 cm。所以可设计CR直角边为1.2 m（21倍）或者1.5 m（27倍）。

（2）底边方位角。根据所要选取的SAR数据获取模式：升轨或者降轨（见图3），来调整角反射器的底边方位角，并使角反射器的底边与卫星飞行方向平行。最终计算确定升轨角反的底边方位角为10.7°（朝西），降轨角反的底边方位角为10.7°（朝东）。

（3）CR仰角。根据SAR卫星的入射角调整CR的仰角。当雷达波入射方向与CR的法线方向平行时，CR散射截面最大，因此CR的布设应满足这一条件。由于SAR数据订购之后，其卫星的入射角是一定的，因此CR的仰角是固定不随地点变化的。Sentinel-1卫星在Interferometric Wide Swath模式下的入射角为30°～42°。因为无法精确确定设备安装点的卫星入射角，所以选取卫星入射角中间值36°作为入射角，γ=90°-35.264°-θ，则仰角γ的值为18.736°。

3    试验测试

3.1  仪器布设

在涿州工业园区安装2台角反射器，针对哨兵1号卫星布设，一台降轨朝向（1号CR），一台升轨朝向（2号CR）（见图4）。因1号CR的滴水孔尺寸太小，已被树叶及灰尘全部堵住，角反射器的反射面氧化严重，下文不再对1号CR的数据进行分析。

3.2  试验结果

本次试验获取了2018年1月1日—2018年11月的20景哨兵1升轨和降轨影像。20期影像中1号CR无任何影像，2号CR点处的“十字星”不明显，PS点角反射器反映明显的“十字星”特征，其影像特征如图6所示。

2号CR点和3号PS点在SAR影像中的分布，与实际GNSS接收机测试的坐标一致，如图7所示。

经过IN-SAR形变计算，获得2号升轨角反射器的形变曲线如图8所示。

经过IN-SAR形变计算，获得PS角反射器的形变曲线如图9所示。

3.3  结果分析

根据上面的试验结果分析如下：（1）1号CR因氧化严重，从SAR影像上根本无法识别。（2）2号CR在SAR影像上的十字星特征不明显，但能识别到，可能是垂直度误差大于1°，也可能是角反射器放的位置偏低引起，目前约1 m左右，在后面的试验中会改进角反射器的设计，将垂直度误差调整至小于1°，同时调整角反射器的安装高度至5 m左右。（3）由于2号CR在7月23号的高程调整了25 mm，其可能引起该CR在SAR影像上高程的变化，无法标定其代表的光学点在高程上变化了多少，但从图8中可以看出2号CR在调整高度后高程有上升的趋势。（4）3号PS点的“十字星”特征明显，该PS点的高程变化在0～3.5 mm，能够比较真实地反映该PS点所在的区域的变化趋势。

4    结语

通过试验发现，本试验中设计的1号CR和2号CR无论从设计上还是安装上，均有许多需要改进的地方，并不能真实地反映该区域的高精度形变趋势。但通过SAR影像获取的PS点，有较明显的“十字星”，可以监测该PS点所在区域的形变趋势。

若后期有條件的话可以考虑用收费的卫星数据，从欧空局网站上下载免费的哨兵一号数据，其数据空间分辨率为20 m，而目前在轨商业SAR卫星空间分辨率最高可到1 m。可以考虑购买商业SAR卫星的数据来增加测量的精度。

[参考文献]

[1]李德仁.卫星雷达干涉测量原理与应用[J].测绘科学，2000（1）：9-12.

[2]何敏.合成孔径雷达干涉测量技术及其在形变灾害监测中的应用[J].水电自动化与大坝监测，2005（2）：45-48.

[3]涂鹏飞，谌华，甘卫军.应用CRInSAR技术监测三峡库区滑坡形变[J].大地测量与地球动力学，2010（S1）：126-128.

[4]石晓春.一种新型的高精度形变监测技术—PSInSAR[J].大地测量与地球动力学，2006（增刊）：87-91.

[5]金双根，朱文耀.GPS观测数据提高InSAR干涉测量精度的分析[J].遥感信息.2001（4）：8-11。

[6]陈强.基于永久散射体雷达差分干涉探测区域地表形变研究[D].成都：西南交通大学，2006.

Abstract：The research and application show that the InSAR technology based on artificial angle reflector and permanent scatterer is ideal for monitoring the ground deformation， and can detect the surface deformation motion of 3～5 millimeters， which can make up for the deficiency of static leveling and GNSS monitoring in the surface deformation monitoring. This paper describes the design and installation method of the CR located in Zhuozhou Park， and analyzes the deformation data of the CR and the PS within 5 km from the park to verify the feasibility of the angular reflector InSAR technology in the field of surface deformation monitoring.

Key words：interferometric synthetic aperture radar; corner reflector; permanent scatters; surface deformation monitoring; accuracy analysis