SARscape的InSAR技术应用
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2016-06-11
合成孔径雷达干涉测量—InSAR（Synthetic Aperture Radar Interferometry）技术逐渐成熟并得到了工程化应用，已经成为地表形变监测的主要技术手段，在全球及区域性地形测图、大尺度地表形变监测中得到广泛应用，如地震前后的地表形变监测，由于地下水过度开采等因素造成的城市地面沉降，铁路/高铁/地铁建设项目对沿线地表产生的影响，冰川移动监测，采矿区塌陷监测等。
InSAR技术是利用雷达系统获取同一地区两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理，来获取地表的三维信息，可以建立目标地区的数字高程模型。如美国的SRTM项目就是采用InSAR技术获取全球80%陆地覆盖的中等分辨率DEM数据；德国的TanDEM-X卫星计划获取全球高分辨率DEM数据。
1 InSAR技术获取DEM
合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测技术。
通过InSAR技术手段，短时间内获取瑞士境DEM数据，像元大小为25米，高程精度为7~15米。
图1 瑞士全境25米DEM数据
利用高分辨率的PALSAR数据，通过InSAR技术，提取的10米分辨率的非洲马拉维部分地区的DEM产品。
图2 马拉维10米 DEM数据
InSAR技术不仅可应用于星载SAR，还可应用于机载SAR数据，获取精度更高的DEM，可构建三维场景，如图 ：
图3 星载SAR数据获取的DEM构建三维场景
图4 机载SAR数据获取的DEM数据构建三维场景
2 地表形变监测
差分干涉雷达测量技术（D-InSAR）是指利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是通过形变事件前的两幅SAR获取的干涉图像，另一幅是通过形变事件前后两幅SAR图像获取的干涉图像，然后通过两幅干涉图差分处理（除去地球曲面、地形起伏影响）或结合已有的DEM数据来消除干涉图中地形因素的影响，来获取地表微量形变的测量技术。
基于测量学的地表形变监测方法是在沉降区布设地面沉降监测网，包括地面沉降监测水准网、地面沉降监测GPS监测网、地面沉降监测地下水位（水量）动态监测网，通过定期的反复观测，为研究和控制地面沉降提供准确、可靠的资料。该方法只能获得小范围内的形变信息，空间覆盖离散，实地堪踏对人力物力要求高。与类似的离散点测量技术相比，D-InSAR技术具有全天侯、全天时作业优势，其测量结果覆盖范围广、信息量大、节省人力物力。可进行大范围的地表形变监测，如地震引起的形变、冰川移动等。
2.1地震后地表形变监测
2010年4月14日，青海省玉树地区发生7.1级强烈地震，利用D-InSAR技术获取地震灾害造成的地表形变。
图5 2010玉树地震地表形变结果制图（左为PALSAR数据，右为ASAR数据）
图6 使用PALSAR数据获取的地震前后位移监测结果制图
2011年3月11日，日本发生9.0级特大地震后，使用2010年10月28日和2011年3月15日灾前灾后两景的ALOS Palsar雷达数据，在ENVI SARscape软件支持下，利用InSAR技术对日本仙台市南部进行地表形变（Displacement）监测，得到的形变情况，如下图所示。
监测结果表明，北部地面比地震前高，最大形变值达到30厘米，南部地面总体呈沉降状态，最大值在监测区域最南部，达到3.4米。总体上可以看出，从北向南，呈现地面隆起到沉降的趋势，并且最南部区域地面严重沉降。
图7 利用D-InSAR技术对日本仙台市南部进行的地表形变监测结果
2.2 克什米尔山区地面沉降监测
伊朗东北部的克什米尔山区，由干涉合成孔径雷达技术，水准测量和成像光谱技术监测，结果表明该区域是由古老的高山基底断层控制的地面沉降模式。下图是ENVISAT ASAR图像模式数据获取的由克什米尔山区2003年-2004年之间的沉降测量结果：
图8 35天沉降图（2003年7月3日-8月7日）
图9 70天沉降图（2004年6月17日-8月26日）
图10 105天沉降图（2004年7月22日-11月4日）
图11 监测结果的制图输出与分析
3 海冰监测
干涉测量技术能得到更多的信息量。使用30分钟前后获取的兰开斯特海槽的ERS- 2和ENVISAT卫星（25米）数据对产生的干涉图（左下图），与谷歌地球视图（右上图）对比，。白色箭头指示的是不连续（移动方向和速度方向）的浮冰。蓝色箭头指向快速奔向大海的具有陆地冰的运动特点的冰川舌，每个边缘对应一个2.8cm的位移。
图12 浮冰与冰川舌的监测
4 冰川移动监测
阿莱奇冰川是欧洲最大（120平方公里）和最长（18公里）的冰川，它位于该地块南部的少女峰-伯尔尼阿尔卑斯山（瑞士）。使用ERS SAR数据和D-InSAR技术周期性监测冰川移动信息。
图13 周期性监测冰川移动信息
5 城市地表形变监测
若将InSAR技术扩展到多时相的数据，可将测量精度从厘米级（经典的干涉测量方法）提高到毫米级（永久散射体方法），大大减少了InSAR的限制（如大气影响或时间失相关），这就是干涉叠加技术。
SARscape提供PS技术和SBAS短基线集技术。PS技术可以探测到毫米级的位移，并推断在时间段上的变形速度，由自然或人为因素引起的位移现象（如火山、地震、滑坡、沉陷、不合理建设等）。短基线技术可检测时间序列上地表表面的动态演变。
图14 城市建筑区域地表沉降监测
图15 ERS-1/2 SAR 多时相数据，采用PS技术监测法国巴黎市地表沉降速率 （1992 年至 2003年）。
图16 23景cosmo数据采用PS技术监测北京鸟巢附近地表沉降速率（2008年-2010年）
图17 31景ENVISAT ASAR数据获取North Lisan peninsula地区 2003-2010年间8年平均地表沉降速率 [mm/year]
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100vreg.html
InSAR技术是利用雷达系统获取同一地区两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理，来获取地表的三维信息，可以建立目标地区的数字高程模型。如美国的SRTM项目就是采用InSAR技术获取全球80%陆地覆盖的中等分辨率DEM数据；德国的TanDEM-X卫星计划获取全球高分辨率DEM数据。
1 InSAR技术获取DEM
合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测技术。
通过InSAR技术手段，短时间内获取瑞士境DEM数据，像元大小为25米，高程精度为7~15米。
图1 瑞士全境25米DEM数据
利用高分辨率的PALSAR数据，通过InSAR技术，提取的10米分辨率的非洲马拉维部分地区的DEM产品。
InSAR技术不仅可应用于星载SAR，还可应用于机载SAR数据，获取精度更高的DEM，可构建三维场景，如图 ：
图3 星载SAR数据获取的DEM构建三维场景
2 地表形变监测
差分干涉雷达测量技术（D-InSAR）是指利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是通过形变事件前的两幅SAR获取的干涉图像，另一幅是通过形变事件前后两幅SAR图像获取的干涉图像，然后通过两幅干涉图差分处理（除去地球曲面、地形起伏影响）或结合已有的DEM数据来消除干涉图中地形因素的影响，来获取地表微量形变的测量技术。
基于测量学的地表形变监测方法是在沉降区布设地面沉降监测网，包括地面沉降监测水准网、地面沉降监测GPS监测网、地面沉降监测地下水位（水量）动态监测网，通过定期的反复观测，为研究和控制地面沉降提供准确、可靠的资料。该方法只能获得小范围内的形变信息，空间覆盖离散，实地堪踏对人力物力要求高。与类似的离散点测量技术相比，D-InSAR技术具有全天侯、全天时作业优势，其测量结果覆盖范围广、信息量大、节省人力物力。可进行大范围的地表形变监测，如地震引起的形变、冰川移动等。
2.1地震后地表形变监测
2010年4月14日，青海省玉树地区发生7.1级强烈地震，利用D-InSAR技术获取地震灾害造成的地表形变。
图5 2010玉树地震地表形变结果制图（左为PALSAR数据，右为ASAR数据）
2011年3月11日，日本发生9.0级特大地震后，使用2010年10月28日和2011年3月15日灾前灾后两景的ALOS Palsar雷达数据，在ENVI SARscape软件支持下，利用InSAR技术对日本仙台市南部进行地表形变（Displacement）监测，得到的形变情况，如下图所示。
监测结果表明，北部地面比地震前高，最大形变值达到30厘米，南部地面总体呈沉降状态，最大值在监测区域最南部，达到3.4米。总体上可以看出，从北向南，呈现地面隆起到沉降的趋势，并且最南部区域地面严重沉降。
图7 利用D-InSAR技术对日本仙台市南部进行的地表形变监测结果
2.2 克什米尔山区地面沉降监测
伊朗东北部的克什米尔山区，由干涉合成孔径雷达技术，水准测量和成像光谱技术监测，结果表明该区域是由古老的高山基底断层控制的地面沉降模式。下图是ENVISAT ASAR图像模式数据获取的由克什米尔山区2003年-2004年之间的沉降测量结果：
图8 35天沉降图（2003年7月3日-8月7日）
图10 105天沉降图（2004年7月22日-11月4日）
图11 监测结果的制图输出与分析
3 海冰监测
干涉测量技术能得到更多的信息量。使用30分钟前后获取的兰开斯特海槽的ERS- 2和ENVISAT卫星（25米）数据对产生的干涉图（左下图），与谷歌地球视图（右上图）对比，。白色箭头指示的是不连续（移动方向和速度方向）的浮冰。蓝色箭头指向快速奔向大海的具有陆地冰的运动特点的冰川舌，每个边缘对应一个2.8cm的位移。
图12 浮冰与冰川舌的监测
4 冰川移动监测
阿莱奇冰川是欧洲最大（120平方公里）和最长（18公里）的冰川，它位于该地块南部的少女峰-伯尔尼阿尔卑斯山（瑞士）。使用ERS SAR数据和D-InSAR技术周期性监测冰川移动信息。
图13 周期性监测冰川移动信息
5 城市地表形变监测
若将InSAR技术扩展到多时相的数据，可将测量精度从厘米级（经典的干涉测量方法）提高到毫米级（永久散射体方法），大大减少了InSAR的限制（如大气影响或时间失相关），这就是干涉叠加技术。
SARscape提供PS技术和SBAS短基线集技术。PS技术可以探测到毫米级的位移，并推断在时间段上的变形速度，由自然或人为因素引起的位移现象（如火山、地震、滑坡、沉陷、不合理建设等）。短基线技术可检测时间序列上地表表面的动态演变。
图14 城市建筑区域地表沉降监测
图15 ERS-1/2 SAR 多时相数据，采用PS技术监测法国巴黎市地表沉降速率 （1992 年至 2003年）。
图16 23景cosmo数据采用PS技术监测北京鸟巢附近地表沉降速率（2008年-2010年）
图17 31景ENVISAT ASAR数据获取North Lisan peninsula地区 2003-2010年间8年平均地表沉降速率 [mm/year]
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100vreg.html
