基于GPS和美國環境預報中心觀測信息的InSAR大氣延遲改正方法研究

常 亮

河海大學地球科學與工程學院測繪科學與工程系,南京,210098

InSAR技術是近年來迅速發展起來的極具應用價值的空間對地觀測新技術,具有監測精度高、范圍大、成本低、空間連續覆蓋等優點,為滑坡、泥石流等地質災害監測提供了一種新型的監測方法。由于地質災害多發生在暴雨頻發、地質地貌復雜的區域,特殊的地理位置與氣候使得InSAR技術應用中受大氣延遲的影響非常嚴重,導致InSAR圖像錯誤解釋。利用GPS進行InSAR大氣延遲改正是最有效的方法之一。但由于 GPS測站空間分辨率低以及 GPS測站附近的氣象觀測數據缺失等問題,降低了GPS改正InSAR大氣延遲的精度。美國環境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯合推出的全球再分析資料包含了豐富的氣象觀測資料,可用來精確估計氣象參數并提高大氣延遲分布圖的精度。

針對GPS改正InSAR大氣延遲現存的問題,綜合利用GPS觀測數據和NCEP再分析資料,研究InSAR大氣延遲改正新方法,以促進InSAR理論及方法的發展,為滑坡、泥石流等地質災害的監測和防治提供可靠依據。主要取得以下成果:

(1)針對 GPS測站附近氣象觀測數據缺失時大氣延遲估計精度差的問題,提出利用NCEP再分析資料估計氣象參數及大氣延遲的方法。通過對再分析資料進行水平、垂直和時間插值,估計 GPS測站附近的溫度、壓強及地表加權平均溫度,進而實現氣象觀測數據缺失時大氣濕延遲及大氣可降水量(PWV)的精確估計。選取2007年上海地區的9個 GPS測站及附近的探空觀測資料,對NCEP再分析資料估計得到的氣象參數和PWV進行精度分析與評定。結果表明,提出方法估計的地表溫度、壓強與實測值的標準差和均方根分別為1.6 K, 2.5 K和0.9 hPa,0.9 hPa;基于再分析資料估計的 PWV與有氣象觀測數據時探測的PWV的標準差和均方根分別為0.5 mm,1.1 mm。因此,提出方法可用于GPS測站附近的氣象觀測數據缺失時大氣濕延遲及PWV的精確估計。

(2)針對地面GPS網絡的低空間分辨率給InSAR大氣延遲改正帶來的不利影響,提出融合 GPS和NCEP FNL(final)進行大氣延遲改正的方法。將NCEP FNL得到的平均風速用于“凝固流”假設理論,獲得了“擴展”的濕延遲控制點,從而提高了濕延遲分布圖的精度。選取Envisat ASAR影像及同步的 GPS測站數據進行試驗研究與方法驗證。研究結果表明,與僅利用 GPS觀測進行InSAR大氣改正的效果不明顯相比,提出方法將殘余大氣相位的RMS減少了18.5%,可有效減少InSAR干涉圖中的殘余大氣相位。

(3)在地質災害頻發的山區,GPS設備架設比平原地區更加困難,使得GPS空間分辨率低的問題進一步突出,針對這一問題,提出融合地基GPS和空基COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星觀測數據的 InSAR大氣延遲改正方法。綜合利用地基GPS網絡和空基掩星觀測數據的互補性,提高濕延遲控制點的空間分辨率,獲得了高精度的濕延遲分布圖。研究結果表明,與僅利用地基 GPS進行大氣延遲估計相比,引入COSMIC掩星觀測后得到的PWV與探空PWV更為接近,相關系數由0.42增加為0.67, RMS由4.44 mm減小為3.58 mm。因此,融合 GPS和COSMIC掩星觀測可有效地提高大氣延遲估計精度,在GPS測站建站困難的區域開展 InSAR大氣延遲改正時,該方法具有獨特優勢。