【技术】国产SAR卫星在地表形变监测中的性能比较与分析

引用格式：肖儒雅, 王迅, 孙静怡, 李涛, 田馨, 何秀凤. 国产SAR卫星差分干涉测量地表形变监测比较[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2025, 50(8): 1517-1526. (XIAO Ruya, WANG Xun, SUN Jingyi, LI Tao, TIAN Xin, HE Xiufeng. Comparisons of Differential Interferometry of Chinese SAR Satellites in Ground Deformation Monitoring[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2025, 50(8): 1517-1526. )

DOI:10.13203/j.whugis20240468

摘要

随着国家乃至洲际尺度的地表形变监测在全球范围内的陆续开展，合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技术已从实验室研究迈向更为广阔的应用实践。中国首组民用干涉合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）卫星陆探一号开启了国产SAR数据干涉应用元年，宏图一号星座、涪城一号等商业SAR小卫星系统也呈现蓬勃发展态势。然而，与国际成熟的SAR卫星应用系统相比，中国在数据产品及业务化应用方面仍存在一定差距。为验证国产SAR卫星地表形变测量效果，利用陆探一号、涪城一号、宏图一号数据对中国江苏省徐州市沛县张双楼煤矿矿区开展形变监测。以欧洲空间局Sentinel-1卫星数据为参考，从干涉相干性、相位闭合误差以及形变速率一致性等方面对结果进行比较分析。结果表明，3组国产SAR卫星均监测到矿区内的两个漏斗状沉降区，虽然各组结果中形变区面积和形变速率极值存在差异，但整体形变速率监测结果之间具有较高的一致性；利用多几何InSAR观测获取了矿区水平和垂直方向的地表形变信息。3组国产SAR卫星均具备优秀的形变测量能力，多源卫星数据融合应用前景广阔。

论文内容

本文选取同时期覆盖中国江苏省徐州市沛县张双楼煤矿矿区的陆探一号、涪城一号、宏图一号3组国产SAR卫星数据，利用差分InSAR方法获取矿区及其周边地区地表形变情况；以Sentinel-1卫星数据处理结果为参考，从干涉相干性、相位闭合误差以及形变速率结果等方面对监测效果进行比较分析；利用多几何InSAR观测分解模型获取了张双楼矿区水平和垂直方向地表形变情况，探究多源干涉SAR卫星组合在矿区形变监测中的应用前景。

1　SAR卫星数据与处理方法

1.1　干涉SAR卫星参数

本文处理的3组国产干涉SAR卫星与欧洲空间局Sentinel-1卫星参数对比如表1所示。Sentinel-1卫星主要采用大幅宽的逐行扫描（terrain observation with progressive scan，TOPS）模式成像，3组国产SAR卫星均采用较小幅宽的条带模式成像，具有更高的成像分辨率，满足精细化形变监测的需求。

表1　干涉SAR卫星参数对比

本文所采用的Sentinel-1与国产SAR卫星影像覆盖范围及研究区地形概况如图1所示，江苏沛县张双楼煤矿矿区位于影像重叠区域内。Sentinel-1卫星的TOPS成像模式以中等空间分辨率获得了较大的幅宽，陆探一号业务化运行的条带模式1能够兼顾对地观测的空间分辨率和影像覆盖范围。

图1　卫星影像覆盖范围及研究区地形概况（省界数据来源于国家基础地理信息中心）

1.2　国产SAR差分干涉测量数据处理

本文所使用的SAR卫星影像获取时间如表2所示。图2展示了4组SAR卫星在同一区域、相近时期的后向散射强度影像对比结果。相较于Sentinel-1，3组国产SAR卫星数据因其高空间分辨率具有更优的细节解析能力，且工作在不同的微波波段，因而后向散射特征各异，可互为补充。

表2　4组SAR卫星影像成像时间

图2　4组卫星张双楼矿区SAR强度影像对比

2　国产SAR干涉测量地表形变监测结果

2.1　干涉相干性比较

选取同一季节（冬季）沛县张双楼煤矿矿区的InSAR干涉相干性结果进行比较，结果见图3。4幅干涉图的时间基线分别为36 d（Sentinel-1）、28 d（陆探一号）、33 d（涪城一号）和30 d（宏图一号），进行相干性计算时，选用同样大小的计算窗口（7×7）。陆探一号因其雷达波长更长（L波段），显示出最佳的相干性；X波段的宏图一号受去相干噪声影响最为显著；处于C波段的Sentinel-1和涪城一号相干性表现居中。

图3　4组SAR卫星张双楼矿区干涉相干性结果

统计4组卫星干涉相干性区间分布情况，如图4（a）所示。陆探一号和涪城一号的相干性峰值位于（0.9，1］区间内，Sentinel-1相干性峰值位于（0.8，0.9］区间，而宏图一号在（0.2，0.9］区间内分布均匀，峰值出现在（0.3，0.4］区间内。以0.4为相干性阈值进行统计，陆探一号干涉图上超过95%的像素具有较好的相干性，而宏图一号卫星占比最低，约为64%。4组卫星得到的干涉图相干性的箱线图如图4（b）所示，箱体中部的横线表征4组卫星相干性结果的中位数，分别为0.53（宏图一号）、0.63（Sentinel-1）、0.82（涪城一号）和0.96（陆探一号），陆探一号卫星干涉结果的相干性整体上高于其他卫星。矩形箱体的上下缘分别代表上下四分位数，二者围成的箱体涵盖了相干性统计分布在25%~75%范围内的像素，陆探一号卫星结果箱体上下缘间距最小，分布最集中；箱线结构两端的短横线分别表示剔除异常值之后的最大、最小值，统计结果显示，陆探一号卫星的相干性最小值结果也高于其他各组卫星。相较于Sentinel-1卫星，拥有更高空间分辨率的涪城一号卫星影像的相干性结果的中位数更高，整体分布也更加集中。

图4　4组SAR卫星张双楼矿区干涉相干性分布情况

2.2　相位闭合误差比较

对4组卫星获得的SAR影像分别进行差分干涉处理，生成的干涉图构成时间上的闭合环路，计算张双楼煤矿研究区相位闭合误差的标准差，如表3所示。闭合误差的标准差越小，表明SAR卫星相位干涉结果质量越高。考虑到干涉图多视及滤波处理对相位闭合误差的影响，除中分辨率Sentinel-1卫星（多视比5∶1）外，其他3组高分辨国产SAR卫星影像干涉处理多视比均为2∶2。

表3　张双楼矿区干涉相位闭合误差标准差统计表

2.3　地表形变监测结果比较

利用差分InSAR获取研究区地表形变，根据线性拟合获取矿区的月平均形变速率，4组SAR卫星监测得到的卫星LOS向地表形变速率结果如图5所示。4组干涉结果相位解缠时相干性掩膜阈值设置为0.4。由于L波段波长较长，水体区域可能存在相干性大于0.4而未被掩膜的情况，因此导致图5（b）中存在少量解缠误差。该区域内监测到两个典型漏斗状沉降区，地理位置与张双楼煤矿矿区一致，地下采矿活动是该区域地面沉降的主要原因。

图5　张双楼矿区InSAR地表形变速率结果

由表4可知，相较而言，形变区Ⅰ的面积和最大速率均大于形变区Ⅱ。虽然各组卫星获得的矿区沉降区面积存在差异，但在每组卫星结果内，形变区Ⅰ的面积均是形变区Ⅱ面积的1.1~1.2倍。陆探一号结果的局部形变速率极大值最大，在形变区Ⅰ和Ⅱ分别达到了-142 mm/月和-100 mm/月，宏图一号结果最小，分别为-100 mm/月和-74 mm/月。由图6可知，4组卫星监测得到的形变速率中位数较为接近，分别为-18 mm/月（Sentinel-1）、-25 mm/月（陆探一号）、-23 mm/月（涪城一号）和-24 mm/月（宏图一号）。

表4　4组SAR卫星监测结果形变速率及沉降区面积统计表

图6　4组SAR卫星张双楼矿区地表形变速率箱线图

统计4组地表形变速率监测结果之间的皮尔逊相关系数，如图7所示。

图7　4组SAR卫星张双楼矿区地表形变速率相关性统计

3　多源SAR卫星地表形变分解

利用最小二乘方法提取矿区地表二维形变信息，结果如图8所示。由图8可以看出，张双楼矿区的形变区Ⅰ、Ⅱ均以垂直沉降为主，最大沉降速率分别为-120 mm/月和-85 mm/月。两个形变区的边缘均存在水平方向位移，表现为西侧向东、东侧向西的趋势，形变区Ⅰ和形变区Ⅱ的最大水平位移速率分别为36 mm/月、-39 mm/月和28 mm/月、-22 mm/月（东向位移为正）。可见，国产SAR卫星为矿区地表形变精细刻画提供了数据保障。

图8　张双楼矿区地表垂直、东西方向InSAR形变结果

结语

本文以欧洲空间局Sentinel-1卫星数据为参考，从干涉相干性、相位闭合误差及形变速率一致性等方面对陆探一号、涪城一号、宏图一号3组国产SAR卫星地表形变差分InSAR监测结果进行比较。分析表明，3组国产干涉SAR卫星具有良好的形变测量能力，具体表现在：

1） L波段的陆探一号卫星干涉测量结果相干性最好，X波段的宏图一号受去相干噪声影响显著，C波段的涪城一号相干性表现居中；陆探一号干涉图中超过95%像素的相干性大于0.40，这一比例在涪城一号和宏图一号上分别为85%和64%，三者相干性中位数分别为0.96、0.82和0.53。

2） 干涉相位闭合误差的标准差表征SAR干涉结果质量，3组卫星干涉相位闭合误差的标准差分别为0.78 rad（陆探一号）、1.49 rad（涪城一号）和3.49 rad（宏图一号）。由相位闭合误差标准差指标对比分析得到的结论与干涉相干性对

比结果一致。

3） 3组国产SAR卫星均监测到张双楼煤矿矿区2024年1月的两个漏斗状沉降区。虽各组卫星获得的矿区沉降区面积和区域形变极值之间存在差异，但监测结果之间的一致性较高，陆探一号与宏图一号之间的相关性0.45在所有组合中相较最低，推测是由其波长差异导致的。

4） 利用多源卫星观测数据对卫星LOS向形变测量结果进行垂直、水平方向的二维分解，获得张双楼煤矿两个形变区的形变情况。两个变形区均以垂直沉降为主，最大沉降速率分别为-120 mm/月和-85 mm/月，变形区边缘均存在水平方向位移，表现为西侧向东、东侧向西的趋势。国产SAR卫星为矿区地表形变精细刻画提供了数据保障。

除上述卫星外，其他国产干涉SAR卫星系统，如高分三号业务星、“神启号”等天仪系列卫星以及“水利一号”等航天宏图“女娲星座”，也展现出了显著的干涉测量应用潜力。未来，高分辨率国产干涉SAR卫星将在全球测图、广域地表形变监测、基础设施安全管控、三维形变精细刻画等领域凸显技术优势。随着影像数据的持续积累和产品业务化服务的不断深化，国产SAR卫星将成为构建自主可控的天基观测体系的关键力量，有效提升中国在地表形变监测领域的技术水平与应用能力。

来源：武大学报信息科学版 转自：测绘学术资讯