基于觀測時間配準的升降軌InSAR數據二維形變場解算

趙建輝,王 博,閔 林,李 寧

(1. 河南大學 河南省大數據分析與處理重點實驗室,河南 開封 475004；2.河南大學 河南省智能技術與應用工程技術研究中心,河南 開封 475004；3.河南大學 計算機與信息工程學院,河南 開封 475004；4.河南大學 信息化管理辦公室,河南 開封 475004)

地質災害給人類的經濟生活帶來了巨大的災難，究其原因，絕大部分都是由于地球表面的形變引起的，其中不僅有地震形變、地面沉降、火山運動、冰川漂移以及山體滑坡等自然災害，還有由于工程開挖、地下水抽取、爆破、棄土等引發的人為地質災害。這些不可逆的地表形變已經成為影響區域經濟和社會可持續發展的重要因素。

干涉合成孔徑雷達(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)測量技術憑借其全天時、全天候、觀測范圍大和精度高等優勢，廣泛應用于各種因素引起的地表形變監測中[1-6]。然而，傳統的InSAR技術存在視線方向模糊的問題，僅能獲取地表雷達視線方向的一維形變場，不能完全反映地表的實際形變狀態。為了獲取更加真實的地表形變狀況，眾多學者進行了InSAR二維形變場監測研究。2011年，Gray等人采用差分InSAR(Differential InSAR，D-InSAR)技術獲取升降軌視線向一維形變場，根據SAR衛星觀測的空間特征建立形變解算模型，聯合兩個一維形變場，解算得到垂直和水平東西方向高精度的二維形變場[7]。2012年，Samsonov等人利用多維小基線(MultidimensionalSmall Baseline Subset InSAR，MSBAS-InSAR)技術處理不同參數的SAR數據，提取了剛果維龍加火山區地表二維形變速率場[8]。該方法需要用到較多數量的升降軌數據，并不適用于衛星升降軌數據較少的地區。2014年，王艷等人基于永久散射干涉測量(Persistent Scatterer InSAR，PS-InSAR)技術，分別獲取了同一衛星一系列相近時段的升軌和降軌地表雷達視線一維形變速率場，利用二維簡化模型得到了蘇州地區地表垂直和水平東西方向的二維形變速率場[9]。該方法同樣需要一定數量的升降軌SAR數據。2018年，劉媛媛等人利用相干點目標法(Interferometric Point Target Analysis，IPTA)，獲取山西省青徐和交城地區不同衛星數據的地表雷達視線向累積形變量，通過參照先驗信息忽略了該地區變化較小的南北向形變，聯合已獲取的累積形變量，解算得到該地區垂直和水平東西方向的地表二維形變場[10]。目前該方面的相關研究都是通過聯合升降軌視線向一維形變場解算地表二維形變場，并未考慮不同軌道一維形變場之間時間不一致的問題。單一軌道的一維形變場是衛星在該軌道前后兩次對地觀測時間段內地表產生的形變，受到衛星軌道自身參數的限制，單一衛星或多個衛星都很難在相同的時間做到對同一目標的觀測。在二維形變解算過程中，即使采用了時間較近的升降軌SAR數據，也未能解決觀測時間不一致對形變場計算結果的影響問題。

為了解決上述問題，該文提出了一種升降軌觀測時間配準方法。首先，基于時間序列InSAR技術，分別獲取升軌和降軌方向的一維累積形變量；然后，以其中一軌SAR時序數據的采集時刻為參考，采用數據插值技術，對另一軌SAR時序數據獲取的時間累積形變量進行內插，得到對應參考時刻點的形變量，實現升降軌觀測時間配準；最后，聯合解算時間配準后的InSAR觀測值，獲取精度更高的二維形變場。

1 升降軌SAR信息反演地表二維形變場

常規InSAR技術監測地表形變，其觀測值代表了兩景數據采集時間內地表發生的形變。該形變量是地表真實形變在雷達視線方向的投影大小，并不能完全反映地表的真實形變狀態。由于現有在軌雷達具有極地飛行的特點導致了其在南北方向形變監測的能力較弱，因此通過忽略雷達視線向形變在南北向的形變分量，聯合升軌和降軌InSAR觀測值，解算得到垂直向和水平東西向的地表二維形變場。

(1)

(2)

圖1 雷達成像幾何示意圖

2 基于立方插值技術的升降軌觀測值時間配準

在地表形變監測中，受重訪周期等因素的影響，很難獲得持續的時間序列累積形變量。利用數據插值技術對時間序列累積形變量進行處理，估計缺失時刻的形變量，可以得到完整時間序列的地表形變變化，并對地表形變進行分析[11]。線性插值、三次樣條插值及立方插值等都是地表形變監測中常用的補充缺失形變信息的方法。相對于其他插值技術，經過三次樣條插值和立方插值處理后，二者結果都是一個完整的、隨時間平滑變化的累積形變量。然而，當缺失時刻的數據分布不均勻時，三次樣方插值容易出現異常結果，立方插值則可以有效避免上述情況的發生[12]。

圖2 升降軌InSAR數據二維形變場解算處理流程

3 實驗與結果分析

3.1 實驗區與數據源

本文實驗數據采用歐空局Sentinel-1A衛星提供的IW(Interferometric Wide Swath)成像模式下的12景時間序列SAR影像，其中包括2016年采集的10景升軌SLC(Single Looking Complex)數據和2景降軌SLC數據，數據采集時間如表1所示。實驗區域為江蘇省東南部的蘇錫常地區，其整體地勢較低，影像內地形以平原為主，升降軌SAR影像覆蓋范圍如圖3所示。

表1 研究所用升降軌SAR影像數據采集時間

3.2 實 驗

由于采集的實驗區域衛星數據中升軌SAR影像較多而降軌SAR影像較少，實驗中對升降軌數據分別使用了不同的InSAR處理技術，其中使用小基線集InSAR(Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR)技術對2016-02-26—2016-12-10的10景升軌SAR影像進行處理，使用D-InSAR技術對2016-06-08和2016-07-14的2景降軌SAR影像進行處理，分別得到研究區域雷達升軌視線向時間序列累積形變量和降軌視線向形變量。由于時間序列累積形變量是基于日期排序的，不利于下一步的插值處理，因此在插值處理時首先將數據采集日期轉換成了以天為單位的數據采集時間間隔，即以起始日期2016-02-26為基準時間0，將之后每一景數據的采集日期都轉換為其與起始日期之間的間隔天數，轉換后升軌數據采集時間間隔如表2所示。對降軌兩景數據的采集日期做相同轉換，則其對應時間間隔分別為104 d和140 d。將降軌數據的這兩個時間間隔作為參考，在10景升軌SAR數據所得到的升軌視線向時間序列累積形變量中，用立方插值法對升軌視線向累積形變量進行內插，得到與降軌觀測時間對應的累積形變量，作差處理后得到104～140 d時間段內升軌監測得到的形變量，完成時間配準。

圖3 升降軌SAR影像覆蓋范圍

表2 升軌SAR數據采集時間間隔

在解算地表二維形變場之前，采用地形校正的方法對升降軌結果形變基準進行統一。升降軌數據處理過程中，兩者采用相同的參考位置進行地形校正，避免基準出現偏差。然后，在相同的形變基準下完成地理編碼，得到升降軌視線向形變量。最后，聯合時間配準后的兩個軌道的一維形變量，解算獲取研究區域的視線向二維形變場。在二維形變解算過程中，僅對升降軌中具有相同位置的目標點進行處理。圖4所示為時間配準前后升降軌視線向InSAR觀測值的差異對比情況。

圖4 時間配準前后升降軌InSAR觀測值差異對比

圖4(a)是未經時間配準的初始升軌InSAR觀測值，代表升軌2016-06-01—07-19共48 d內的視線向形變量，圖4(b)是經過時間配準后其對應的觀測值，代表升軌2016-06-08—07-14共36 d內的視線向形變量，配準前后的觀測值時間相差12 d，差異較大。由于研究區域屬于地勢較為平原地區，地下水的過度抽取是該地區產生地表形變的主要原因，地表整體形變是一個隨時間緩慢變化的過程[13]，時間的差異對InSAR觀測值有較大的影響。InSAR觀測時間差異越大，相應的InSAR觀測值差異越大。觀察圖4(a)和圖4(b)，A，B，C和D分別為常州市城區、無錫市江陰地區、無錫市城區、蘇州市城區。時間配準前，圖4(a)中A，B區域InSAR觀測值較大，地表形變變化較為明顯，C，D區域InSAR觀測值較小，地表形變變化相對較小。時間配準后，圖4(b)中A，B區域InSAR觀測值相對于配準前有所減小，C，D區域InSAR觀測值幾乎觀察不到變化。通過對時間配準前后的升軌InSAR觀測值之間做差處理，可以發現整個蘇錫常地區的InSAR觀測值均出現了一定的變化，差異結果如圖4(c)所示。

為了進一步對比分析時間配準前后的結果，對圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)中A區域10個相同點位的數值進行對比，結果如圖5所示。升軌InSAR觀測值經過時間配準后，形變數值較時間配準前明顯減小。一系列差值結果的數值表明時間配準對升軌InSAR觀測值具有明顯的作用。因此，該方法可以為下一步二維形變解算提供更準確的InSAR觀測值。

圖5 形變數值對比圖

降軌InSAR觀測值如圖4(d)所示，對比觀察時間配準后的升軌InSAR觀測值和降軌InSAR觀測值，兩者形變位置分布相同，但監測結果量值存在一定差異。根據二維形變解算式(2)，聯合配準后的升軌InSAR觀測值和降軌InSAR觀測值，得到蘇錫常地區的垂直向形變量和水平東西向形變量，如圖6(a)和圖6(b)所示。解算結果表明，在垂直形變方面，蘇錫常地區2016-06-07主要沉降區域分布在常州城區及無錫江陰地區，蘇州市城區出現了整體的地表抬升；常州市城區的垂直沉降值范圍主要分布在-8～-16 mm；無錫市城區整體地表形變趨勢較為平緩，形變量-5～+5 mm。在水平東西形變方面，蘇州市、無錫市和常州市三地主要城區整體呈現輕微水平西向形變，而蘇錫常地區北部(臨近長江區域)發生了水平東向形變，靠近山區、湖邊以及長江的地區皆發生了較為明顯的水平東西向形變。本文實驗反演所得的蘇錫常地區形變信息與相關部門公布的測量信息基本一致。實驗結果表明，所提方法可以更加準確地反演地表二維形變場。

圖6 研究區域地表二維形變場

4 結束語

本文基于升降軌InSAR數據解算地表垂直方向和水平東西方向的二維形變場，利用數值插值技術實現了升降軌模式下InSAR觀測值的時間配準，減少了兩者時間不一致對形變場反演精度的影響。實驗結果表明，聯合時間配準后的升降軌InSAR觀測值可以更準確地反演地表二維形變場。

升降軌InSAR觀測值不僅存在時間不一致的問題，也存在空間不一致的問題。由于本文實驗區域主要為平原地形，其地表形變是長時間緩慢變化的過程，因此本文并未考慮不同地形對升降軌InSAR觀測值的影響。如何解決升降軌InSAR觀測值的空間不一致問題，以進一步提高升降軌InSAR數據二維形變場的解算精度，是本文下一步的研究方向。