InSAR 在地表形变监测中的应用

　　自20 世纪50 年代以来，合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）传感器、搭载平台及影像数据处理技术得到了长足发展，现已形成天地空一体化的SAR 影像获取系统。近半个世纪以来，合成孔径雷达干涉（interferometic SAR, InSAR）理论与技术得到不断完善与发展，各种商业和开源InSAR 软件系统不断推出，InSAR 已发展成为一种重要的对地观测技术手段，可以广泛应用于地形三维重建和区域地表形变监测与反演，对人类活动和构造运动引发的地质灾害（如地震活动、火山运动、冰川漂移、地面沉陷、滑坡等）监测与分析提供了独特的技术支撑。

　　图1.7InSAR 主要应用领域

　　InSAR 的一个重要应用领域便是地表形变监测，一般使用卫星单天线重复轨道干涉系统获取的数据提取地表形变信息。例如，某卫星SAR 系统重复通过某形变区域先后获取了两幅SAR 影像，这可以形成一个干涉像对，通过干涉相位的分析与处理，便可得到干涉相位图。对于每一个分辨元来说，如果没有大气延迟的影响，这种干涉相位就是参考椭球面、地形起伏和地表位移等综合因素的直接反映。因此，利用轨道数据，SAR 系统参数和基线参数等，借助于差分干涉处理便可以精确计算每一地面分辨元沿雷达视线方向的地表形变量（Massonnet and Feigl，1998；刘国祥，2006；焦明连和蒋廷臣，2009）。InSAR 形变信息提取的数据处理过程一般包括主、副SAR 影像的配准、干涉相位图生成与滤波、参考椭球面相位去除、地形相位（topographic phase）去除（即差分处理），相位解缠、几何转换、投影转换等步骤（Hanssen，2001）。

　　图1.2InSAR 信息提取示意图

　　下面将重点介绍InSAR 在地震活动、火山运动、冰川漂移、地面沉陷、滑坡等引发的地表形变监测与分析方面的应用情况。

　　地震活动监测

　　InSAR 形变监测应用最普遍的是地震同震形变场测量（Rott，2009）。自20 世纪90年代以来，诸多研究机构已开始对世界上已发生的地震使用InSAR 测量其同震形变场（Peltzer and Rosen，1995；刘国祥等，2002；班保松等，2010；Hu J et al.，2014），并开展了滑动断层模型的反演工作（Wang et al.，2014）。

　　作为实例，图1.13 显示了使用ERS-1/2 SAR 影像计算所得到的1992~2000 年间智利发生的4 次7.7~8.4 级地震同震形变场镶嵌图（Pritchard and Simons，2002）。

　　图1.13InSAR 地震同震形变测量实例：1992~2000 年间智利发生的4 次7.7~8.4 级地震

　　图1.14显示了使用ENVISAT ASAR 影像计算得到的2003 年伊朗巴姆6.8 级地震同震形变场及滑动断层反演结果（Talebian et al.，2004）。

　　图1.14使用InSAR测量2003年伊朗巴姆6.8级地震及滑动断层反演

　　大量的研究表明，InSAR 应用于地震同震形变场监测与分析，具有形变测量精度高、覆盖范围广等明显技术优势，这种高密度的地表形变数据为地震机理研究与模型反演提供了独一无二的关键基础数据。

　　值得指出的是，有关学者正在探索将大地测量技术如GNSS 与InSAR 技术联合监测地震震前、震后形变，试图更深入地理解地震机制，为地壳形变监测乃至地震预测做出全新的尝试（Liu et al.，2010；Hu J et al.，2014；Wang et al.，2014；Wright，2016）。

　　火山运动监测

　　火山爆发由地表以下不同层次的岩浆压力及其剧烈运动所造成，由于其危险性和破坏性较高，使用常规方法监测其运动、变化和发展规律十分困难，而InSAR 极其适合对其进行监测。

　　机载SAR 系统最先应用于世界上几个火山（如意大利的Vesuvius）的成像，获取的SAR 影像主要用于DEM 建立（Zebker and Goldstein，1986），目的是以此分析火山坡度分布以及岩溶厚度和宽度，并据此提出灾害预防措施。

　　1995 年，Massonnet 等使用ERS-1 SAR 数据揭示了意大利Sicily 的Etna 火山运动所引起的地表形变信号（Massonnet et al.，1995）。

　　1997 年，Briole 等也选取Etna 火山作为研究对象，使用ERS-1从1992 年5 月到1993 年10 月获取的SAR 影像序列考查了1986~1987 年、1989 年多次火山爆发后所造成的地表形变（Briole et al.，1997）。

　　Lu 等基于InSAR 对美国阿拉斯加地区的火山运动进行了系统而深入的研究（Lu et al.，1997；Lu and Freymueller，1998；Lu et al.，2002；Lu et al.，2003a；Lu et al.，2003b），使用多幅ERS-1/2 SAR 影像计算得到了Westdahl 火山运动在1991~2000 年间不同时间段所造成的地表形变，如图1.15所示。

　　图1.15使用InSAR 测量美国阿拉斯加Westdahl 火山形变（Lu et al.，2003a）

　　2004 年，Lundgren 等用时序InSAR 探测了意大利埃特纳火山由重力和岩浆运动引发的火山地表形变，并推断出该形变主要是由位于特雷卡斯塔尼马斯卡卢恰断层与东南走向的背斜结构相互作用而导致（Lundgren et al.，2004）。

　　2007 年，Hooper 和Pedersen利用时序InSAR 对冰岛的埃亚菲亚德拉冰盖和卡特拉两座火山进行观测，推测出局部形变的主导因素（Hooper and Pedersen，2007）。

　　2008 年，Ferretti 等利用时序InSAR 提取了法国留尼旺岛、意大利斯特龙博利火山区域内的地表形变场，从而推断出火山岩浆的演变动态（Ferretti et al.，2008）。

　　2013~2014 年，Bagnardi 等利用多平台卫星数据对加拉帕戈斯群岛的5 座火山进行了形变监测和分析，并根据火山喷发后岩浆快速补充从而引起火山口快速回弹膨胀的特征，结合形变分析得出该火山附近断层分布，建立了厄瓜多尔地区加拉帕戈斯火山群岛之间的互联岩浆体系（Bagnardi et al.，2013；Bagnardi，2014）。

　　显然，InSAR 能够对火山及其周边整个地区获取形变信息，这种大范围且详细的空间覆盖数据能够提供有关岩浆移动和其他运动过程的重要信息，更好地辅助对火山爆发过程的认识和火山爆发的预测。

　　滑坡监测

　　在山体滑坡监测方面，InSAR 能够精确定位滑坡位置与范围，并提取可靠的形变信息，具有监测范围大、分辨率高等优势，可为滑坡灾害预警提供有效的决策信息。例如，2004 年，Hilley 等在Science 上发表了美国Berkeley 地区滑坡体的时序差分雷达干涉形变监测结果（Hilley et al.，2004）；2006 年，Colesanti 和Wasowski 对时序差分雷达干涉在滑坡监测中的应用进行了展望，指出其具有大范围内滑坡隐患点探测及其危险性分级的定量化分析能力（Colesanti and Wasowski，2006）。

　　然而，滑坡体上的植被覆盖常常引起干涉相位失相关，这可导致滑坡监测成功率下降，一般可在滑坡体上布设一定数量的人工角反射器（corner reflector，CR），以此人工加密有效的监测点。例如，2008 年，Froese 等通过布设CR 和InSAR 分析，对加拿大艾伯塔省西北部小烟流域周边的滑坡进行了有效监测（Froese et al.，2008）。2010 年，Fu 等采取CR 布设和InSAR 分析，对湖北省树坪滑坡进行了有效监测，监测结果与GPS 数据吻合程度很高（Fu et al.，2010）。2013 年，Crosetto 等通过对西班牙Vallcebre 滑坡的监测，探讨对比了滑坡监测中CR 布设与安置策略（Crosetto et al.，2013）。

　　此外，针对单体滑坡动态连续跟踪问题，国内外一些学者也已开始尝试使用地基InSAR 进行高精度的滑坡形变连续监测（Nolesini et al.，2013；Bardi et al.，2014）。

　　地面沉陷监测

　　人类活动如城市发展、地下水抽取、固体矿物、石油及天然气的开采等都会导致地面沉陷。例如，1999 年，Wegmüller 等使用1992 年至1996 年间覆盖意大利博洛尼亚市的ERS 数据提取该市的地表沉降（Wegmüller et al.，1999），结果与同期的地面测量数据相互吻合。同年，有学者利用ERS SAR 数据进行差分干涉处理，获取了墨西哥城1995年至1997 年间的地表沉降量，结果表明墨西哥城的地表沉降非常严重，最大年沉降量超过300 mm（Strozzi and Wegmüller，1999）。2000 年，Fruneau 和Sarti 使用InSAR 技术提取了巴黎市区的地表沉降（Fruneau and Sarti，2000），发现沉降漏斗的分布与地下水开采站场的分布一致。2001 年，Hirose 等使用JERS L 波段SAR 数据进行InSAR 数据处理，提取了日本Kanto 地区的地表沉降（Hirose et al.，2001），通过与C 波段数据的对比表明L 波段数据可以更好地保持相干性，更加适用于研究平原地区的地表沉降。

　　一般情况下，地面沉陷发展速度相对较为缓慢，因InSAR 易受时空失相关和大气延迟的负面影响，常规InSAR 在地面缓慢沉降监测中的应用受到限制，目前国内外诸多学者已转向MTInSAR 的研究，主要是通过使用卫星SAR 影像时间序列提取地表沉降的时空演变信息（Terranova et al.，2015；于冰，2015；Chen J et al.，2016；Crosetto et al.，2016；Osmanolu et al.，2016）。

　　作为示例，图1.16 显示了基于MTInSAR 计算得到的天津市部分区域的沉降速率场，主要使用2009~2010 年TerraSAR-X 卫星获取的天津市部分地区3 m 分辨率X 波段SAR 影像时间序列计算得到。

　　图1.16 基于MTInSAR 计算得到的天津市部分区域的沉降速率场

　　冰川漂移监测

　　此外，极地冰川漂移速度和冰川边缘位置的变化监测对其活动的物理机制解释和研究全球气候的变化具有重要的意义，InSAR 应用于冰川漂移监测也已表现出很好的应用潜力（Schubert et al.，2013；Jawak et al.，2015）。已有研究表明，冰山对气温的敏感程度很高，随着季节的变化，冰山的融化和移动很明显，而冰盖的变化则相对稳定。

　　InSAR在极地冰川研究中有两个主要的用途：其一是使用InSAR 获取高精度的地形数据；其二是利用InSAR 测量冰川缓慢漂移的速度场并评估其他的一些变化。

　　本文摘编自《InSAR 原理与应用》（刘国祥等著. 北京：科学出版社, 2019.5）一书“第1 章 绪 论”，有删减调整，保留了原图序号，标题为编者所加。

　　（地球观测与导航技术丛书）

　　“十三五”国家重点出版物出版规划项目

　　ISBN 978-7-03-061185-7

　　责任编辑：苗李莉

　　本书系统阐述合成孔径雷达干涉（InSAR）理论、技术方法与应用，汇集国家973 计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国铁路总公司科技研发计划等项目支持下取得的一系列研究成果。本书采用理论验证、实验分析与案例展示相结合的手段，系统阐述SAR 成像基本原理、SAR 参考框架与投影转换方法、合成孔径雷达干涉原理、SAR 影像配准方法、参考椭球面相位计算方法、干涉相位滤波算法与质量评价、相位解缠原理与方法、InSAR 地形三维重建方法和InSAR 形变探测方法，最后，综合介绍InSAR 前沿技术及其应用情况。本书所陈述的理论与技术方法在地质灾害监测与防治和国家重大基础设施安全监控等领域具有广阔的应用前景。

　　（本文编辑：刘四旦）

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