利用InSAR技術監測濕地水位變化

何 敏，顧利紅，何秀鳳

（1.河海大學 衛星及空間信息應用研究所，江蘇 南京210098）

濕地覆蓋地球表面僅有6%，卻為地球上20%的物種提供了生存環境，且在抵御洪水、調節徑流、改善氣候、控制污染、美化環境和維護區域生態平衡等方面有其他系統所不能替代的作用，被譽為“地球之腎”。近年來，由于農業開發、礦產開采、城市發展以及其他人為因素的影響，濕地面積和質量不斷下降，導致濕地生態功能日趨下降及濕地資源嚴重破壞，濕地研究已成為新的熱點[1-4]。反映濕地儲水能力的水位變化，是控制濕地進化的一個重要參數。傳統的濕地水位變化監測，如實地水文觀測，存在許多不足：①采樣點較少，只能獲得有限點的資料，無法獲得大范圍觀測信息，同時很難保證采樣點具有代表性；②觀測周期長、勞動強度大、監測成本高；③對于測量人員不易到達的區域，也難以取得資料。因此需要探求新的濕地水位變化監測方法，提高監測數據的空間、時間分辨率，降低監測成本。

合成孔徑雷達干涉測量技術InSAR是正在發展中的極具潛力的微波遙感新技術，也是一種獨特的基于面觀測的空間大地測量新技術，是對地觀測中最重要的前沿領域之一[5-7]。目前，InSAR技術主要用于地震形變、火山運動、冰川漂移、城市沉降、山體滑坡等方面的研究，開發InSAR技術新的應用潛力是InSAR技術發展的一個重要趨勢。在傳統的觀念里面，普遍認為InSAR技術不能監測植被覆蓋的濕地地區的地表變化。然而，2000年Alsdorf等[8]在《Nature》上發表了利用InSAR技術監測亞馬遜河漫灘濕地的水位變化的研究成果，打破了人們的這種認識，開發了InSAR技術新的應用領域[9-15]，且為濕地監測提供了新手段。國外已迅速地展開了對InSAR的濕地監測理論與應用研究，國內現在還沒有公開發表InSAR技術在濕地監測方面研究的文獻。

本文首先介紹InSAR技術濕地水位監測原理，并分析影響InSAR濕地監測結果精度的因素，然后以江蘇鹽城射陽縣的濕地為實驗區，研究InSAR監測濕地水位變化的可行性，并提供初步研究結果。

1 InSAR水位變化監測

雷達波與水面的相互作用較簡單[16]。雷達波作用在平靜的水面上，形成鏡面反射，只有極少一部分雷達信號返回到SAR傳感器，當水面因受到風、船只等因素影響時，水面變粗糙，雷達波和水面形成漫反射，部分雷達信號將返回到SAR傳感器。在不同時刻接收到的由水面返回的雷達信號是不相干的，因此，在傳統的觀念里認為InSAR技術不能監測水位的變化。

雷達波與濕地的相互作用十分復雜[17]。在被水淹沒的植被區，SAR傳感器接收到的后向散射信號包括雷達波與樹冠表面、植被莖、水面形成的反射信號。基于連續樹冠后向散射模型[18]，濕地的總后向散射信號主要包括：①樹冠后向散射信號；②樹冠體散射信號；③水表面和植被莖形成兩次角反射信號。當兩次角反射為主要的雷達散射信號時，就可以利用重復軌道InSAR技術監測濕地的水位變化，其原理如圖1所示。水位變化與干涉相位之間的關系為：

式中，z為干涉相位；λ為雷達波長；θ為入射角；n為噪聲。

InSAR技術監測濕地結果的精度與雷達波長、濕地類型、濕地植被覆蓋密度等因素有關。波長越長，對植被的穿透能力就越強，雷達波多次被折射，就有更多的反射信號返回到SAR傳感器，如圖2所示。因此，在理論上，長波長的SAR圖像更適合濕地監測。

圖1 InSAR濕地監測原理

圖2 植被對不同波長雷達波的反射

不同濕地類型，InSAR應用的效果是不一樣的。比如說，木本濕地返回SAR傳感器的總信號主要是樹冠后向散射信號、樹冠體散射信號、水表面和植被莖形成兩次角反射信號；而草本濕地返回SAR傳感器的總信號主要是體散射信號以及少量水表面和植被莖形成兩次角反射信號，在干涉測量中有用的信號是水表面和植被莖形成兩次角反射信號，由于草本濕地植被莖的時間可變性較木本濕地大，草本濕地的水表面和植被莖形成兩次角反射信號較不穩定，因此，草本濕地InSAR監測的效果不如木本濕地好。此外，濕地植被覆蓋的密度對InSAR監測結果也有影響。據Alsdorf等研究[9]，為了確保監測結果的可靠性，每25 m×25 m的SAR圖像像元內需要有1～2棵的植被存在。

2 數據處理

選擇由衛星Envisat分別于2003-12-13和2004-01-17獲取的2幅江蘇鹽城地區SAR圖像作為源數據，利用InSAR技術監測水位變化。2幅SAR圖像在斜距和方位向的分辨率分別為7.9 m和4.0 m，空間垂直基線和水平基線分別為83.8 m和42.9 m，截取有濕地分布的射陽縣衛星農業隊周邊區域進行分析，覆蓋范圍為13.5 km×8.7 km，如圖3所示。

圖3 實驗區Landsat圖像和SAR圖像

2幅SAR圖像進行干涉處理后，獲得的干涉相位包括參考面相位、地形相位、大氣延遲相位、水位變化相位以及噪聲相位。在數據處理時，忽略大氣延遲相位和噪聲相位對監測結果的影響。采用歐空局公布的精密軌道數據，并根據成像幾何，反演并去除參考面相位，如圖4所示。由圖4可以看出，在距離向和方位向都不存在趨勢性周期變化條紋，說明參考面相位的去除達到了數據處理精度的要求。

現有公開發布的DEM有GTOPO30和SRTM。GTOPO30空間分辨率為30"×30"，高程精度小于30 m，利用GTOPO30反演并去除地形相位不能滿足水位監測精度的要求。SRTM DEM的空間分辨率為3"×3"，在平原地區高程精度優于5 m，利用SRTM DEM反演并去除地形相位能滿足水位監測精度的要求。然而，在我們選擇的濕地覆蓋區，SRTM DEM沒有數據，因此不能利用SRTM DEM來去除地形相位。本文采用多項式擬合曲面來去除地形相位。多項式階數的選擇是擬合曲面的關鍵。根據參考文獻 [10]的研究，在地形較平坦的區域選用低階多項式模擬地形相位，而在地形起伏較大的區域選用高階多項式。由于本文實驗區域地形起伏較小，高差不超過3 m，因此選用一階多項式模擬地形相位。圖5是去除地形相位后的干涉圖。由圖5可以看出，去除地形相位后的干涉圖中不存在趨勢性變化的殘余相位，說明地形相位的去除達到了數據處理精度的要求。

圖4 去除參考面相位后的干涉圖

圖5 去除地形相位后的干涉圖

3 實驗結果與分析

將去除地形相位后的干涉圖采用枝切線法進行解纏，然后利用式（1）估計出實驗區水位變化，結果如圖6所示，為了詳細分析水位的變化情況，選擇A-A’剖面進行分析，負號表示上升，正號表示下降。圖7是研究區域的相干系數圖。由圖7可以看出，整個研究區域內相干性很好，濕地區域的相干性優于0.7，有利于水位的監測。

圖6 水位變化結果

圖7 相干系數圖

由圖6a可以看出，在2003-12-13和2004- 01- 17 SAR成像時刻，研究區陸地地表的變化大部分都在±5 mm左右，少數陸地區域大于10 mm，如圖6a中橢圓形區域，這些區域大部分都位于堤壩或斜坡上。由于地形相位的去除是采用曲面擬合的方式，這些區域有可能含有地形相位誤差。在濕地區域，2004- 01- 17相對于2003-12-13，濕地水位大約上升了15 mm。分析A-A’剖面，陸地地表的變化都小于5 mm，陸地與濕地交界處變化為0，進入濕地區域，突然發生一跳變，濕地水位的上升大部分都大于15 mm，最大上升量為24 mm，濕地水位相對于陸地變化14 mm左右。通過中國氣象局網站查閱射陽縣歷史氣象資料，在2003- 12-13天氣晴朗，沒有降雨發生，2004-01- 17有降雨發生，降雨量達16 mm，地表水匯集，導致濕地水位上升，由此引起2004-01-17相對于2003- 12-13水位上升，這與InSAR監測結果一致，驗證了InSAR監測水位變化的可行性。

4 結 語

以鹽城射陽縣的濕地為實驗區，研究了InSAR監測濕地水位變化的可行性。結果表明，InSAR技術能大范圍監測濕地水位變化情況，且水位變化監測結果與實際情況相符，說明InSAR監測濕地水位的變化是可行的。由于InSAR技術能有效克服傳統濕地監測技術中的時空分辨率低、費用高、工作周期長的缺陷，能實現對濕地大范圍內高時空間分辨率的監測，在濕地監測中具有很大的優勢，因此，InSAR技術將是濕地監測中新的重要監測手段。但由于濕地地區水汽含量大且植被覆蓋易變性，InSAR技術易受大氣延遲誤差、時間去相關等因素的影響，如何解決大氣延遲誤差和時間去相關是InSAR濕地監測中的關鍵問題，有待深入研究。

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