GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合方法及其應(yīng)用

焦明連

(淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇連云港222005)

0 引 言

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,簡(jiǎn)稱InSAR)是根據(jù)復(fù)雷達(dá)圖象的相位差信息,利用傳感器高度、雷達(dá)波長(zhǎng)、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系,通過(guò)影像處理和幾何轉(zhuǎn)換來(lái)提取地面目標(biāo)區(qū)地形的三維信息[1]。最大特點(diǎn)是主動(dòng)式遙感,全天候成像,空間分辨率高,覆蓋范圍大。它固有的局限性在于對(duì)大氣參數(shù)的變化、衛(wèi)星軌道參數(shù)的誤差和地表覆蓋的變化非常敏感,給InSAR圖像的解譯帶來(lái)困難。GPS技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日臻成熟,世界各國(guó)都投入大量經(jīng)費(fèi)布設(shè)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng),對(duì)地表形變進(jìn)行連續(xù)或定期觀測(cè),其顯著特點(diǎn)是時(shí)間分辨率很高,采樣率可達(dá)20 Hz。但GPS定位為離散點(diǎn)定位,空間分辨率可達(dá)幾十或幾百公里[2],得不到連續(xù)的定位結(jié)果,為了提高監(jiān)測(cè)的空間分辨率,需要布設(shè)大量的GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn),高費(fèi)用抑制了GPS對(duì)地表形變的監(jiān)測(cè)能力。兩種對(duì)地觀測(cè)技術(shù)信息獲取的側(cè)重點(diǎn)有所區(qū)別,并帶有一定的片面性。根據(jù)二者互補(bǔ)性的特點(diǎn),將兩種技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用,不但可以獲得更多的信息,提高信息的可靠性,而且信息融合過(guò)程會(huì)挖掘更多的信息,從而推動(dòng)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)向更深更廣的領(lǐng)域發(fā)展。目前,我國(guó)對(duì)GPS與InSAR集成技術(shù)的研究還處于起步階段,仍有許多問(wèn)題需要探討。重點(diǎn)討論GPS與InSAR合成的技術(shù)途徑,并通過(guò)實(shí)例證明該方法切實(shí)可行并具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 GPS與InSAR合成的技術(shù)途徑

InSAR對(duì)于大氣傳播誤差、衛(wèi)星軌道誤差、空間基線去相關(guān)等誤差非常敏感[3],當(dāng)這些誤差出現(xiàn)在InSAR中時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響InSAR的精度甚至?xí)疱e(cuò)誤解譯。GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合既可以改正InSAR數(shù)據(jù)本身難以消除的誤差,又可以實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)高時(shí)間分辨率和高平面位置精度與InSAR技術(shù)高空間分辨率和高程變形精度的有效統(tǒng)一。

1.1 GPS對(duì)InSAR大氣誤差的校正

InSAR獲取地表形變信息是通過(guò)對(duì) InSAR干涉圖進(jìn)行差分處理得到的。只有SAR影像上兩個(gè)點(diǎn)之間和兩幅影像之間的相對(duì)大氣延遲才會(huì)使InSAR獲取的形變信息發(fā)生扭曲。同時(shí),相位差以及地表形變總是相對(duì)于影像上面的某個(gè)固定點(diǎn)的,因此,站點(diǎn)之間和時(shí)域之間的雙差分算法可用于從GPS觀測(cè)值中獲取對(duì)InSAR的大氣延遲改正[4]。

1.1.1 單差分(Single-differences)

假定A點(diǎn)在SAR影像上是固定不動(dòng)的,作為一個(gè)參考點(diǎn)。B是SAR影像上的另一個(gè)點(diǎn),如果從GPS估計(jì)出的站點(diǎn)A和B在SAR影像j時(shí)的對(duì)流層延遲分別為和,則站點(diǎn)之間的延遲差為

用站點(diǎn)A作為參考點(diǎn),利用式(1)可以計(jì)算其他GPS站點(diǎn)與A點(diǎn)之間的單差分延遲,這些單差分延遲經(jīng)過(guò)內(nèi)插可以生成一副與雷達(dá)的SLC數(shù)據(jù)相似的大氣層延遲改正影像。

1.1.2 雙差分(Double-differences)

假定有兩個(gè)站點(diǎn)A和B和兩個(gè)時(shí)間j(主SLC影像)和k(副SLC影像),由式(1)可以得到兩個(gè)單差分,通過(guò)對(duì)這兩個(gè)單差分進(jìn)行差分可以得到一個(gè)雙差分

式(2)表明有兩種可能的方法進(jìn)行雙差分:一是先進(jìn)行站點(diǎn)間差分,然后進(jìn)行時(shí)域間差分(BSBE);二是先進(jìn)行時(shí)域間差分,然后進(jìn)行站點(diǎn)間差分(BEBS)。一般人們更傾向于BSBE法,因?yàn)锽S差分能內(nèi)插生成一副單差分延遲改正產(chǎn)品,該產(chǎn)品只與SLC影像有關(guān),只要SLC影像形成In-SAR對(duì),BS能自由地形成下一步的BE差分組合。

1.2 GPS對(duì)InSAR軌道誤差的校正

因?yàn)閮H僅采用星載SAR數(shù)據(jù)本身提供的軌道參數(shù)進(jìn)行定位,誤差可能達(dá)數(shù)公里,即使使用經(jīng)過(guò)精確校正的軌道參數(shù),精度往往也達(dá)不到應(yīng)用的要求[5]。GPS技術(shù)在InSAR應(yīng)用中直接的結(jié)合方式是對(duì)InSAR數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)行精確的幾何定位或地理編碼。通常的步驟是事先設(shè)置角反射器,適當(dāng)?shù)匕惭b角反射器(如圖1所示),當(dāng)SAR成像時(shí)將會(huì)強(qiáng)烈反射發(fā)射器發(fā)射過(guò)來(lái)的電磁波,在影像中出現(xiàn)明顯的特征點(diǎn)。或者找到類似于角反射器的永久性散射體(permanent scatters,簡(jiǎn)稱PS),PS是對(duì)電磁波具有強(qiáng)反射的地物,以人工地物居多,它們的幾何形狀和物理特性在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)有明顯變化,如裸露的巖石、高樓、燈塔等。用GPS精確測(cè)定角反射器或永久性散射體的三維坐標(biāo)。而且這些點(diǎn)目標(biāo)在SAR影像中非常突出(如圖2所示),便于準(zhǔn)確地確定其在影像坐標(biāo)系統(tǒng)和地理坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置,這樣就可以準(zhǔn)確地確定出這些點(diǎn)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的幾何位置關(guān)系,作為控制資料精確校正由InSAR數(shù)據(jù)得到的DEM和變形分布圖,以消除大氣影響、軌道參數(shù)的不確定性和其它系統(tǒng)性的誤差[6]。

圖1 角反射器圖

圖2 角反射器在雷達(dá)圖像上的表現(xiàn)

1.3 GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合的方法

由上述可知,GPS和InSAR在空間域和時(shí)間域的分辨率具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性,因此,將兩者結(jié)合,無(wú)疑具有更重要的意義。在城市,地面沉降變形主要是由于過(guò)量開(kāi)采深層承壓水引起的,這種地面沉降變形范圍大、發(fā)展緩慢,在大部分情況下,每年的變形量在幾個(gè)厘米左右。由于這種變形緩慢,In-SAR的重復(fù)周期應(yīng)該可以滿足城市地面沉降變形監(jiān)測(cè)對(duì)時(shí)間分辨率的要求,不必在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插,但是城市地面沉降范圍大,對(duì)空間分辨率要求較高。在礦區(qū),地下礦物開(kāi)采引起的地面沉降變形的速度比城市的沉降變形要大的多,一個(gè)月左右的重復(fù)監(jiān)測(cè)周期可以滿足要求,為了求取移動(dòng)參數(shù),在礦區(qū)地表移動(dòng)的活躍階段需要縮短重復(fù)監(jiān)測(cè)周期,因此,InSAR數(shù)據(jù)在時(shí)間域內(nèi)可能需要進(jìn)行內(nèi)插。而由于地震、滑坡等原因引起的地面變形,在短時(shí)間內(nèi),可能產(chǎn)生較大的變形,需要在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插,以掌握其動(dòng)態(tài)的變形規(guī)律[7]。GPS和InSAR數(shù)據(jù)融合的方法為

1)由CGPS網(wǎng)導(dǎo)出大氣誤差改正,并利用GPS定位結(jié)果作為約束條件對(duì)InSAR軌道誤差進(jìn)行修正。

2)用GPS改正后的InSAR數(shù)據(jù)作為地面沉降變形的空間分布模型,在空間域內(nèi)以網(wǎng)格為主要方式加密GPS結(jié)果,形成多個(gè)跨越 1個(gè)或幾個(gè)SAR衛(wèi)星重復(fù)周期的準(zhǔn)GPS變形結(jié)果。

3)通過(guò)高時(shí)間頻率的GPS數(shù)據(jù)(其所采集的變形量和地面沉降量),在時(shí)間域內(nèi)對(duì)上述已加過(guò)密的格網(wǎng),再進(jìn)行內(nèi)插和加密,從而將準(zhǔn)GPS結(jié)果在時(shí)間域內(nèi)加密成準(zhǔn)GPS時(shí)間序列。以上兩步實(shí)際上是在空間域及時(shí)間域內(nèi)的雙內(nèi)插過(guò)程[8]。

4)在上述雙內(nèi)插的基礎(chǔ)上,利用卡爾曼濾波(或其它方法)對(duì)所有格網(wǎng)點(diǎn)的GPS時(shí)間序列進(jìn)行估計(jì),最終得到全面的地面動(dòng)態(tài)變形信息(地面水平變形和地面垂直變形)。

2 應(yīng)用實(shí)例

如前所述,應(yīng)用GPS-InSAR合成技術(shù)時(shí),需要一定規(guī)模的地面CGPS網(wǎng)來(lái)支持InSAR對(duì)于大氣傳輸誤差、衛(wèi)星軌道誤差的各項(xiàng)改正,以應(yīng)用雙插雙估計(jì)(DIDP)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS和InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的加密[9],從而準(zhǔn)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)地面沉降或地質(zhì)學(xué)與地球物理學(xué)所研究的其他各類地球表面現(xiàn)象。迄今,國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家如美國(guó)、日本、加拿大、中國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、俄羅斯以及馬來(lái)西亞都已經(jīng)建立或正在建立了規(guī)模不一的CGPS網(wǎng)。美國(guó)大地測(cè)量局在1999年底,已建立CGPS網(wǎng)點(diǎn)156個(gè),該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除了為全美國(guó)的GPS用戶提供厘米級(jí)定位和導(dǎo)航之外,同時(shí)支持地表形變監(jiān)測(cè)、大氣水汽分布研究和衛(wèi)星遙感(包括雷達(dá))應(yīng)用等[10]。并早已提出了由于在時(shí)間和空間上大氣變化的不確定性,對(duì)雷達(dá)信號(hào)會(huì)造成不同的傳播延遲,從而會(huì)影響變形監(jiān)測(cè)的精度問(wèn)題。為此,Galloway等人[11]用 GPSInSAR組合技術(shù)分析了美國(guó)某地區(qū)由于地下開(kāi)采造成的地面沉降。其做法是,首先利用CGPS數(shù)據(jù)對(duì)InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣延遲誤差改正,減弱大氣延遲對(duì)InSAR的影響,再利用GPS定位結(jié)果對(duì)InSAR軌道誤差進(jìn)行校正,將計(jì)算結(jié)果與GPS控制點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,表明在ERS-1/2和JERS-1重復(fù)過(guò)境數(shù)據(jù)支持下,用GPS-InSAR組合技術(shù)能以毫米級(jí)的精度監(jiān)測(cè)地面沉降變化。GPS觀測(cè)值與GPS/InSAR計(jì)算值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 GPS觀測(cè)值與GPS/InSAR計(jì)算值對(duì)比表

3 結(jié) 論

分析和實(shí)例證明,GPS和InSAR技術(shù)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性,一方面GPS為解決InSAR對(duì)于大氣參數(shù)的變化敏感和軌道誤差校正提供了途徑,另一方面,可以利用InSAR技術(shù)提高GPS的空間分辨率,并能以毫米級(jí)的精度監(jiān)測(cè)地表形變。因此,利用GPS-InSAR集成技術(shù)將突破單一技術(shù)的應(yīng)用局限,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),極大地改善空間域和時(shí)間域的分辯能力,更好地為地表形變監(jiān)測(cè)提供服務(wù)。由于開(kāi)展GPS-InSAR集成研究是一種新嘗試,在技術(shù)層面還存在相位解纏算法、區(qū)域水汽模型和大氣層延遲誤差改正模型、時(shí)間域和空間域的融合模型和算法等諸多問(wèn)題[12],但隨著CGPS的逐步完善、SAR分辨率和衛(wèi)星軌道參數(shù)精度的提高,以及更高精度的數(shù)據(jù)模型的采用等,GPS-InSAR集成技術(shù)在大范圍地表形變監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)將會(huì)得到更好的發(fā)揮。

[1] 李德仁,周月琴,馬洪超.衛(wèi)星雷達(dá)干涉測(cè)量原理與應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué),2000,25(1):9-12.

[2] 陳基偉.GPS-InSAR合成方法進(jìn)行地面沉降研究與展望[J].遙感信息,2003(4):48-50.

[3] 何 敏,何秀鳳.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)及其在形變?yōu)暮ΡO(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2005,29(2):45-48.

[4] 單新建,馬 瑾,王長(zhǎng)林,等.利用差分干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)(D-InSAR)提取同震形變場(chǎng)[J].地震學(xué)報(bào),2002,24(4):413-420.

[5] 路 旭,匡紹君,賈有良,等.用INSAR作地面沉降監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2002,224:66-70.

[6] 單新建,宋曉宇,柳稼航,等.星載InSAR技術(shù)在不同地形地貌區(qū)域的DEM提取及其應(yīng)用評(píng)價(jià)[J].科學(xué)通報(bào),2001,46(24):2074-20791.

[7] 周建民,何秀鳳.SAR差分干涉測(cè)量技術(shù)及其在地表形變監(jiān)測(cè)中應(yīng)用現(xiàn)狀[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(4):463-465.

[8] 游新兆,李澍蓀,楊少敏,等.長(zhǎng)江三峽工程庫(kù)首區(qū)In-SAR測(cè)量的初步研究[J].地殼形變與地震,2001,21(4):58-651.

[9] 獨(dú)知行,陽(yáng)凡林,劉國(guó)林,等.GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合在礦山開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)中應(yīng)用探討[J].測(cè)繪科學(xué),2007,32(1):55-57

[10] 范青松,湯翠蓮,陳 于,等.GPS與InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué),2006,31(5):60-62.

[11] 羅海濱,何秀鳳.InSAR與GPS集成技術(shù)監(jiān)測(cè)地表形變探討[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2006,21(6):493-496.

[12] 許才軍,王 華,黃勁松.GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合研究展望[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2003(28):58-61.