06_InSAR应用实例及其局限性分析

InSAR系列讲座6

InSAR应用实例及其局限性分析

刘国祥

(西南交通大学测量工程系，四川 成都 610031)

[摘要]作为InSAR系列讲座的最后一篇，本文以西部作为典型的实验区，基于InSAR技术，使用欧洲空间局卫星ERS-1/2所获取的多幅SAR影像进行地表三维重建和地震同震形变探测，并与GPS观测数据对比，分析干涉结果的精度。最后分析InSAR的应用局限性，并指出潜在的解决途径。 [关键词]合成孔径雷达干涉; 三维重建; 形变探测; 精度; 局限性

A [文章编号]1001-8379(2005)03-0139-05 [中图分类号]P237 [文献标识码]

APPLICATION EXAMPLES OF INSAR

AND ITS LIMITATION ANALYSIS

LIU Guo-xiang

(Dept. of Surveying Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Abstract: As the last part of the tutorial, the paper shows the experimental results derived with satellite InSAR over the typical testing site, the west of Taiwan. The experiments are conducted for both the three-dimension (3D) reconstruction and the co-seismic deformation detecting by using the multiple SAR images collected by the satellites, ERS-1/2, operated by European Space Agency. The accuracies of the interferometric results are evaluated by comparing with the GPS data. The emphasis is finally placed onto the discussion of InSAR limitations, and the potential approach overcoming the problems is also pointed out.

Key words: InSAR; 3D reconstruction; deformation detecting; accuracy; limitation

像原理与图像特征、InSAR基本原理、InSAR数据处1 引言

理与关键算法以及InSAR误差传播这五个方面的问前已述及，InSAR具有高精度、高空间分辨率、

题作了介绍和讨论。作为InSAR系列讲座的最后一几乎不受云雨天气制约和数据处理高度自动化等突

讲，本文以西部（1999年9月21，发生Mw=7.6出的技术优势，对可见光、近红外被动遥感技术具有

级集集大地震）作为实验区域，使用多幅ERS-1/2 SAR很好的补充作用。目前，InSAR在地形制图和地表三

影像数据进行干涉处理，将展示卫星InSAR在数字高维重建、地球表面形变场探测、土地利用分类和气象

程模型（DEM）生成与区域地表形变探测两方面的应研究等方面已表现出极好的应用前景。在前面的讲座

用情况，并讨论其应用局限性。中，我们已分别对InSAR历史与技术背景、SAR成

(a) (b)

G091G090TECSM428M904M326AF18AF21AF26G103AF17WNTSAF15AF16AF28AF14AF13AF09A247图1 (a)西部地区ERS SAR图像； (b)ERS-1/2 Tandem干涉相位图

140 四川测绘第28卷第3期2005年9月

2 西部DEM生成及其精度分析

为考察使用卫星InSAR生成DEM的情况，我们选择由卫星ERS-1和ERS-2以串接飞行方式分别于1996年6月15日和16日对西部地区成像所获取的两幅C波段（λ=5.6cm）SAR图像作为源数据；为检验干涉DEM的精度，我们使用大致均匀分布在研究区域内19个GPS点的高程（由地球科学研究所提供）作为评价标准[1]。图1a显示了研究区域的ERS SAR灰度图像（19个GPS点位置、一些主要地名、地质断层和集集地震震央被标示出来），覆盖实地约1500km2的范围，其影像中心垂直基线长度为147m，模糊高为m/周（见第3讲式15）。图1b显示了由这两幅SAR图像所生成的干涉相位图（参考面相位已被去除），图中的灰阶(由白到黑)表示一个完整的干涉条纹，相当于0→2π的相位变化，对应于米的高程变化，从图中可见，干涉相位随地形起伏而变化且类似于等高线趋势。

将图1b所示的干涉图进行相位解缠，再结合卫

12Height difference 84GPS height 星轨道（基线）数据，可以计算出DEM（为节省篇

幅，这里未显示出结果），最后，从干涉DEM中提取与19 个GPS点位对应的高程，并与GPS高程结果作比较和统计分析，比较结果见图2所示。在这19个点上，GPS高程范围在21.9m到271.6m之间变化，两类高程值的最大差异为–13.5m，而最小差异为+9.5m，差异标准偏差为±9.9m，这表明ERS干涉DEM的高程精度可达10m左右。

对于卫星系统来说，这样的DEM精度状况是比较理想的，这是因为两幅图像成像时间间隔仅为一天，时态失相关比较轻微，使得相位噪声水平较小，加之该干涉对的模糊高合理，故干涉DEM的精度可得到保证。改善卫星干涉DEM的精度可考虑的潜在因素包括：(1)卫星轨道/基线数据的精确确定，和(2) 时空尺度上大气条件变化引起的附加相位延迟影响（进一步讨论见第4节）。因此，从这一实验结果可以看到，卫星干涉DEM的精度具有米级水平的潜力。

300240Height difference (m)0-4-812060-12-16G090G091G103M326M428M904A247AF09AF13AF14AF15AF16AF17AF18AF21AF26AF28WNTSTECS0图2：19个GPS点上GPS高程及其与干涉高程的差异

3 集集地震形变探测及其精度分析

1999年9月21日，西部发生了罕见的Mw=7.6级大地震，震中位于南投县集集镇附近（震120.75o）。已有的研究表明该地震主中23.87oN, E

要沿老的约80 km长的车龙辅断层破裂，断层呈南北走向，低角度逆冲且向东倾斜[2]。受地震影响区域内的GPS测量结果已显示出了明显的地表位移[3]（见图1a）。基于四轨差分干涉方法，我们使用四幅ERS-1/2 SAR图像探测该地震所引起的地表形变，其中，1999年5月6日和1999年10月28日由ERS-2获取的两幅图像形成“地形——形变干涉对（”影像中心垂直基线长度为20m）；而1996年5月15和16

日分别由ERS-1和ERS2所获取的两幅图像形成一个“地形干涉对”（干涉图如图1b所示），用于建立扣除地形影响所需的数字高程模型（结果及精度如第2节中所述）[2, 4]。

图3显示了最后所生成的同震形变干涉图（覆盖范围约1500 km2），每一干涉条纹代表2.8 cm（雷达波长的一半）的斜距向（雷达至地面分辨元方向）地表位移，研究区域内呈现共约10个弧形干涉条纹，相当于斜距向地表位移在空间尺度上呈相对总量为28 cm的分布，显著的非均匀地表位移是车龙辅逆冲断层应力释放的结果。这些同震干涉条纹与其它的

地震研究结果是相符的：南部弯曲度较小的干涉条

GPS height (m)180四川测绘第28卷第3期2005年9月 141

纹主要反映了因车龙辅断层左旋逆冲破裂引起的显著地表形变，北部的条纹呈向东弯曲趋势，这涉及到另一个紧接车龙辅断层北端且呈东西走向的断层系统右旋逆冲破裂。从图3可以看到，越靠近断层，干涉条纹率越高，也就是地表形变的梯度越大。参

24.35Co-Seismic Interferogram1999-5-6~1999-10-28Latitude (deg)24.2528.3 mm120.35120.45120.55120.65120.75Longitude (deg)图3 集集地震形变干涉图

照Yu等[3]的GPS三维形变观测结果可知，这些同震干涉条纹反映了地表位移引起震前和震后两次成像间卫星到地表的雷达斜距变短，此外，最显著的位移发生在近断层的台冲市范围内，水平位移大致呈东南向，介于70~140 cm，城市下沉介于10~30 cm。

对图3中的相位进行解缠，便得到绝对差分相位，最后可逐像素计算出沿雷达视线方向的地表位移量（见第3讲式14）。我们以图1a所示的19个GPS点上同震形变观测结果（见文献3）作为比较标准，来分析干涉形变测量结果的精度，表1列出了这些GPS点上的两类观测结果比较情况，注意表中已将GPS所测量的三维地表位移矢量投影到雷达视线方向上，得到一维位移量（必须指出，InSAR仅能观测到一维形变量）。从两类结果的差异统计分析可知：两类观测的相关性程度为0.95；差异均值为0，差异标准偏差为 1.3 cm。这说明所得到的干涉形变观测量的综合精度为1 cm左右。但是，在少数GPS点（如AF15和AF16）上，吻合程度不高，值得指出的是，GPS观测为单点位移，而InSAR所观测的是一个面元上的均值位移，在这个面元内部过渡的非均匀位移分布会严重地影响两类观测量的可比性。此外，GPS有限的高程精度也是影响两类结果可比性的原因之一。

23.9524.05Taiwan Strai24.15t表1 19个GPS点上DInSAR与GPS形变结果对比

GPS点名

纬度(deg) 经度(deg) GPS (cm)DInSAR(cm)

-8.1

-8.8

差异(cm)

-0.2 -0.7 -0.6 -0.2 +3.0 +2.1 +1.7 0.0 -2.0 -1.1 +0.6 +0.4 +0.3 -1.7 -0.9 -1.0 -0.4 +0.8 -0.5

A247 24.02044 120.40778 -8.3 AF09 24.03731 120.51428 -9.5 AF13 23.94653 120.69767 -16.5 AF14 24.01502 120.324 -17.4 AF15 24.09426 120.775 -12.2 AF16 24.033 120.66834 -19.2 AF17 24.15659 120.63185 -13.7 AF18 24.21601 120.52691 -8.4 AF21 24.214 120.572 -12.6 AF26 24.22169 120.65141 -15.0 AF28 24.01601 120.600 -10.9 G090 24.31193 120.56194 -6.9 G091 24.37942 120.58882 -5.4 G103 24.26055 120.71809 -17.1 M326 24.217 120.57509 -10.4 M428 24.32745 120.62201 -11.2 M904 24.29847 120.60678 -11.3 TECS 24.35633 120.65511 -7.1 WNTS 24.13813 120.58446 -9.4

-15.9 -17.2 -15.2 -21.3 -15.4 -8.4 -10.6 -13.9 -11.5 -7.3 -5.7 -15.4 -9.5 -10.2 -10.9 -7.9 -8.9

4 InSAR应用局限性分析与讨论

从第二讲中我们已经知道，雷达成像时天线发射的微波信号要穿越大气层且与地表交互作用后被反射回去再由传感器记录下来。已有研究表明，卫星

InSAR在地表三维重建与形变探测应用中主要受到两大因素的制约[5]，即时间失相关和大气影响。前者涉及到雷达波与地表的交互作用问题，而后者涉及到雷达波与大气的交互作用问题。

142 四川测绘第28卷第3期2005年9月

本质上，时间失相关问题可以这样来理解。雷达成像时，雷达脉冲与地表的交互作用引入附加的散射相位，不同成像时间的散射机制随地表分辩元内的扰动或化学特性改变而改变（如植被生长或叶片随风摆动、农田翻耕与物体湿度有关的电离常数变化等）。对于两次成像来说，各自的随机附加相位分量（噪声）不同或者说不相关，在相位差分时难以抵消，从而导致不能接受的低信噪比，这就意味着干涉图无明显条纹或条纹不连续，相应的数据处理如相位整周模糊度求解（即相位解缠）变得困难。

对于时间相关性，可借助计算所得到的相关系数图[2]来分析，我们对实验区的二十个具有不同时间间隔（1天~几个月~5年）的ERS干涉对进行了相关计算与分析[2]。结果表明：

●对于植被覆盖区和农业耕种区来说，除了一天间隔的相关性较高外，其它时间间隔的相关性均较低，随着时间间隔的加大，相关性趋于零。

●山区存在植被覆盖且起伏剧烈时，失相关更加严重，因为地形引入的几何畸变如阴影和叠掩可加大失相关的可能性，例如，车龙辅断层东侧（上盘区域）属于山区（见图1和3），我们不能提取到可靠的地形与形变信号。

●城市地区的相关性总是较高，例如，即使三年的间隔，台冲市区的ERS干涉相关系数仍可达0.7左右。因城市建筑物和其它设施为硬目标，目标表面一般不会随时间扰动，即使长时间跨度，雷达反射特性仍然很稳定，故能维持较高的相关性。

因此，对于地表三维重建来说，应尽量使用短时间间隔的干涉像对（如ERS-1/2串接模式像对），以减少时间失相关的负面影响。对于地震同震形变来说，也应尽可能地选择震前和震后所获取的具有最短时间跨度的干涉像对来探测地表形变，然而，对于其它类型的形变，如火山运动，城市沉降、地震前和地震后形变，一般须较长时间累积才能达到可探测的量级，这就意味着必须使用长时间跨度（如年级以上）的两幅SAR图像形成干涉对来提取微小形变信息，时间失相关所引起的相位噪声便可能掩盖形变信号，致使长期累积形变探测变得相对困难。

另一方面，易变的大气条件（气压、温度和相对湿度）可能会导致不同的相位延迟，这种不一致既表现在时间尺度上，也表现在空间尺度上，严重的大气延迟会掩盖其它感兴趣的信号。特别地，我国沿海地区相对湿度变化无常，极端条件下，气象延迟可导致数十米的高程误差和数厘米的形变误差[6]

，给这些地区的干涉应用带来很大的制约。尽管

上述干涉对实例没有遇到明显的大气影响，然而，我们从地区1996年ERS-1/2串接模式SAR数据的干涉DEM生成中发现了明显的大气延迟信号[2]

。因此，在InSAR应用中，我们也必须高度重视大气的负面影响。目前，要从干涉结果中去除大气的影响较为困难，因为我们很难获得与雷达成像同步且空间分辨率足够高的地面气象数据。

综观国内外参考文献，系统解决雷达干涉时间失相关和大气影响的成熟方案并未出现，这极大地制约了干涉技术的广泛应用和其应用领域的继续扩展。如要使InSAR在我国推广应用（特别是区域形变探测），必须有效地解决这两个问题。

近年来，顾及时间失相关和大气影响，意大利人Ferretti等[7]建议采取跟踪成像区域内部分反射稳定的硬目标（如房屋、桥梁、堤坝和岩石等），形变分析仅围绕这些有效点展开，大气影响参数和形变速率可归结为模型求解。因为即使对于多年时间间隔的干涉对，这些硬目标仍可保持较高的相位相关性，因而被称为永久反射器（permanent scatters，PS）。实验区的相关性分析表明，城市和植被区域内的PS在5年内还维持较好的相关性，这给我们一个启示，基于PS的差分干涉及其模型求解方法可能是一个解决时间失相关和大气影响的有效途径，这正是目前国内外InSAR研究的核心和热点。 5结束语

InSAR已在地球表面三维信息提取和形变探测等方面表现出极好的技术优势和应用前景。目前，InSAR技术中亟待解决的关键问题是：雷达成像系统的最优化设计与新一代卫星SAR系统的实施、雷达信号的时间失相关以及大气相位延迟的影响。我们深信：随着InSAR硬、软件系统的进一步发展与国内外有关学者对InSAR理论与算法的深入研究，InSAR技术必将向着实用化的方向迈进，为国内外地球科学研究和形变灾害监测与预报提供强有力的技术支持。

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[6]Li, Z.W., X.L. Ding and G.X. Liu, Modeling atmospheric effects on InSAR with meteorological and continuous GPS observations: algorithms and some test results [J]. Journal of

[收稿日期] 2005-07-02

[作者简介] 刘国祥(1968-)，男，博士，现任西南交通大学测量工程系教授，主要从事遥感及GIS研究。

本讲座得到了国家自然科学基金项目的资助(批准号：40374003)。

(上接第136页)

倾斜率i=6'40''

倾斜度测量误差mδ=±3.5mm 4.2 实例2

用同样的仪器同样的方法对烟囱底部中心坐标和顶部中心坐标各观测10次，可以求出每次的纵向倾斜分量δx和横向倾斜分量δy,观测结果和精度分析如表1

表1 观测结果和精度分析（单位：mm） 观测次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 样本均值 样本中误差

均值的中误差为：mδ=±2.4mm

从以上数据可以看出，多次观测的精度高于一次观测的精度，但都可以达到毫米级。 5 结论

（1）应用全站仪圆柱偏心测量程序功能测定圆形建筑物的倾斜度，测量误差在毫米级以内，可以达到十分理想的测量精度。

（2）熟练运用这一功能，不仅可以提高测量的速度和精度，更重要的是不需爬到圆形建筑物的顶部，也不需要量另测圆形建筑物的半径，可以节省大量的人力、物力。

（3）为了保证不同圆形建筑物对测量的精度要求，应在建筑物不同方向上多次设站并重复观测取其平均值作为最后结果。

参考文献

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[4]陈伟清.高耸建筑物倾斜观测方法探讨[J].北京测绘,2002,(3):32-35.

倾斜方向αP1P2=110°33'21''

δx

-82 -88 -84 -83 - -88 -85 -86 -87 -88 -86 ±2.4

δy

+31 +37 +34 +39 +32 +35 +38 +32 +32 +30 +34 +3.0

[收稿日期] 2005-01-11

[作者简介] 焦明连(19－),男, 河南商丘人, 副教授, 主要从事精密工程测量的教学与研究.

将有关数据代入式（10）可得10次倾斜观测平

（上接第138页）

参考文献

[4] 李德龙等.二次曲面移动拟合法在土方计算中的应用.

湖北:城市勘测,2004.

[收稿日期] 2004-09-13

[作者简介] 钱业宏(1975－),男,安徽舒城县人,硕士生,现

在安徽铜陵市规划勘测设计研究院主要从事工程测量工作.

[1] 张新长等.城市地理信息系统.北京:科学出版社,2001. [2] 郭朝勇等.AutoCAD R14(中文版)二次开发技术.北京:

清华大学出版社,1999.

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程.山东:济南出版社,2000.