基于时序InSAR的青藏高原冻土监测研究

李 真 实

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

1 概述

我国约22%的国土面积含有多年冻土，主要分布在青藏高原和东北地区。其中，青藏高原是世界上海拔最高、面积最大的多年冻土区。温度处于0 ℃以下达两年以上者，称之为多年冻土。广义上的多年冻土层可进一步划分为靠近地表的活动层(Active Layer，ALT)和其下的永冻层，如图1所示。其中，活动层对温度十分敏感，表现为其中冰和水随季节温度变化而相互转化：气温较高的夏季，活动层中的冰融化成水，体积减少，地表下沉；寒冷的冬季时，水凝固成冰，体积增加，地表抬升。冻土的季节性周期形变较为剧烈，形变幅度可达20 mm～30 mm，循环往复的冻胀与融沉现象反映在地表，对建筑、路桥等设施造成了潜在的隐患。气候变暖的条件下，冻土呈现出退化的趋势，表现为其下的永冻层转化为活动层，活动层厚度增加，地表沉陷。

高寒地区的建筑设施须考虑冻土的影响，尤其是活动层的季节变化导致的地表运动。形成高质量、高分辨率的冻土分布、分类图，对基建而言是至关重要的。同时，冻土中储存有大量的碳，气候变暖使得冻土退化，其中大量的碳将被排放到大气中，进而加剧气候变化，形成恶性循环。冻土监测与研究，无论对生态环境还是生产建设，都具有相当的研究价值。

冻土研究主要以成图为目的，旨在获取高质量的冻土地图，揭示冻土成分、深度、类型的时空分布规律，为生态、基建等领域提供参考。对冻土区传统的野外勘探效率低，且高寒地带的恶劣环境也带来了极大的人身风险；后来，光学遥感等方式开始应用于冻土探测，通过获取的土壤参数，使用数学模型对活动层厚度进行反演；青藏高原多年冻土模型不断完善，其输入的参数不断改进。为了进一步完善现有模型，InSAR技术在地表形变监测领域逐渐得到普及，越来越受到模型研究者的重视。

2 InSAR技术概况

合成孔径雷达(SAR)干涉测量技术，是20世纪70年代左右兴起的一门微波遥感技术。起初它被应用于天体表面的观测，而后被引入地表变形监测并得以推广，精度可达毫米级。SAR发射电磁波，能够穿透一定厚度的物体，根据其波长不同，其波段可分为X，C，L，P波段，穿透力由弱到强。如C波段可穿透稀疏低矮的草地，L波段则可穿透茂盛的丛林。最先出现的差分干涉(D-InSAR)技术多用于两个特定时间点之间地表形变的获取，但无法获取一系列时间点的连续形变序列，从而难以揭示或分析地表形变随时间变化的规律。其次，合成孔径雷达干涉测量受到干涉对的时空基线制约，例如两幅SAR影像的时间基线过长，可能就会遭遇随时间推移地表变化太大而导致的时间失相干；而空间基线越长，则干涉对组合对地形变化就越敏感，过长的空间基线可能带来较强的噪声影响，给地表变形监测带来不便；SAR传感器发射电磁波，虽然不受昼夜制约，但是无法避开大气影响，如何除去大气相位始终是InSAR技术不断完善的难题。为了克服这些困难，很多学者在D-InSAR的基础之上提出了新的方法，对地表形变进行时序分析。

1999年，Usai等人为解决多主影像的归算问题，提出了一种利用最小二乘方法由多个不同主影像的干涉对中求解单时段形变序列的方法，这一方法在2002年被Beradino等人加以改进和完善，形成了现在被广泛使用的小基线集法(Small Baseline Subsets，SBAS)并处理了时间跨度8年的SAR数据，结果与GPS测量值相符，证明了该方法的可靠性。2000年，Ferretti等人提出了基于后向散射系数的时序分析方法，即PS-InSAR，该方法选取地表散射系数稳定的地物点，比如人工建筑、裸岩等，对这些点的相位变化做单主影像的时序分析，以获取时间序列。PS方法于2007年前后，由Hooper等人改进为StaMPS方法，并应用于火山监测。长时间序列InSAR相较于D-InSAR的优势，一方面在于时间的连续，另一方面也在于对大气相位的滤除。一般的，认为大气相位是空间连续的，其时间相关性则很低，利用这样的特征，时序InSAR可通过空间滤波、相位回归分析等方式估计大气的影响，并将其从干涉对中去除。此外，对于大气延迟模型的研究，也产生了GACOS这样的大气相位产品，可具体到每一天的小时，这也为去大气提供了新的参考方法。

3 数据处理实验

小基线集(SBAS)和永久散射体(PS)是长时间序列InSAR处理中最常见的两个手段。其中，PS方法基于对永久散射点的选择，它选取那些后向散射系数稳定的点进行时序分析和处理，因此较为依赖地物的稳定性，更多的用于城市区域；SBAS方法基于像元的相干性，选取高相干的干涉对并尽可能约束基线质量，进而获取可靠的形变时序。自然地表受环境影响大，且在青藏高原等高寒地带，冰川运动、物质积累、风蚀水蚀等现象广泛存在，地表变化大，单主影像的PS方法容易受失相干影响，导致PS点过于稀疏。因此自然地表下，一般选择SBAS方法较为可靠。

选取青藏高原五道梁地区2006年10月～2009年8月的22个ENVISAT ASAR单视复数影像(Single Look Complex, SLC)组成94个干涉对，其中最长垂直基线为1 000 m，最长时间基线为420 d。在组建基线网时，可以在SBAS的基础上增加一些间隔约一年的干涉对。由于多年冻土的周期性变化，这些干涉对往往具有较好的相干性，有利于增加基线网的复杂度，进而提高解算质量。完成相位解缠后，用线性模型估计高程误差，剔除地形残留严重及解缠错误者。之后用时空滤波模拟大气延迟，将其从展开相位中去除。在地图几何中，分辨率约为30 m。SBAS方法采用多参主影像的干涉对组合，因此不同的子集合之间至少要有1个干涉对使其首尾相连，才能完成最终归算，得到单主影像的时间序列。在去除其他残差后，利用奇异值分解(SVD)将所有干涉图计算成一个参考时间序列，然后转化为垂直形变。

4 结果与讨论

虽然夏季数据大多无法获取，但SBAS结果仍然显示了该地区多年冻土的季节性形变，图2显示了该地区2006年10月31日～2009年8月11日的地表形变时序，所有形变均被归算到以2006-10-31为参考，湖泊等相干性较低的区域被剔除。地表整体趋势为冬季抬升，夏季沉降，符合冻土的周期性变化。典型点的形变如图3，图4所示，星号标记为InSAR原始观测数据，曲线为拟合结果，可看到明显的周期变化。该区域内，山体上的形变往往较小，形变规律性较弱，并不像平坦地区那样平滑。虽然许多采样点也有季节性变化，但即使最高振幅也很少达到10 mm/y，可能是由于山区的地形和气候不利于保水。此外，雪的融化和冰川的移动可能会将物质从山上带到地面，造成大量堆积，这些物质很可能会沿着山脉形成隆起带，在结果中，形变大的地区往往在平坦区域，或沿着山脚分布。另一方面，沿水体的形变也更加剧烈，这可能与土壤含水量有关，冻土活动层的季节变化幅度，主要取决于其含水(冰)量的多少，含水量越高，其年际变化的潜质越大，年际变化幅度越大。在研究区内，形变较大的区域也容易出现在水系发达的地带，这些地带内部经常分布有零星的小湖或蜿蜒的河流。形变大的区域，其形变周期相对稳定，具有明显的周期性和规律性，振幅较大，可达30 mm/y，这与人们对青藏高原多年冻土形变范围(一般为10 mm～30 mm)的认识是一致的。同时，山脚下的形变除了冻土固有的周期变化外，还经常伴有线性的抬升趋势，青藏高原海拔高、气候寒冷，且有冰川分布，山上积雪与冰川运动的过程中，往往会造成物质迁移，进而在山脚下形成堆积。图4这样伴有沉降趋势的周期变化，可能与冻土退化有关。在形变特征上，形变的峰值出现在4月左右，低谷出现在9月前后，这与冻土形变滞后的特征相符，多年冻土活动层的年变化过程，可划分为夏季融化过程、秋季冻结过程、冬季降温过程和春季升温过程，共4个阶段，因此其形变的最值点，将滞后于气温1个～2个月。结果表明，SBAS方法在该区域取得了良好的结果，揭示了该地区地表随季节的周期性变形。

5 总结与讨论

冰冻圈是全球气候变化研究中的重点之一，相较于其他圈层，目前冰冻圈的关键参数与实测数据十分稀少。冻土作为冰冻圈的重要成分，其所处的地带往往难以开展大范围的实地勘测，从而使得研究者们将方向由实地调查转向模型反演，试图以遥感手段为基础，建立观测值与冰冻圈关键参数之间的关系。近年来，卫星遥感的发展为冰冻圈关键参数反演提供了有力的支撑，长时间序列InSAR技术的成熟，高时空分辨率的SAR卫星数据的积累，使得InSAR技术成为冻土研究的一个热点。青藏高原是我国最大的冻土区，随着全球气候变暖的影响，冻土作为冰冻圈的一部分备受关注。往年的冻土分布图限于技术水平导致分辨率较低或覆盖不足，如今随着遥感技术的进步，以及冻土模型的完善，高质量冻土地图的获取成为可能。