InSAR變形監(jiān)測 *** 與研究進展

朱建軍, 李志偉, 胡俊     

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 湖南 長沙 410083

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2013CB733303）；國家自然科學(xué)基金（41371335；41404011）；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（民用部分）（03-Y20A11-9001-15/16）

之一作者簡介：朱建軍(1962-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為測量平差與InSAR數(shù)據(jù)處理。E-mail:zjj@mail.csu.edu.cn

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摘要：變形監(jiān)測是星載InSAR技術(shù)應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域之一。本文首先介紹了InSAR變形監(jiān)測的基本原理和衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源；然后對InSAR變形監(jiān)測 *** 進行了系統(tǒng)性的分類，分析了D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR和MAI等 *** 的技術(shù)特點和適用范圍；進而從應(yīng)用的角度分析了InSAR技術(shù)在城市、礦山、地震、火山、基礎(chǔ)設(shè)施、冰川、凍土和滑坡等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和不足之處；最后總結(jié)出InSAR變形監(jiān)測在多維形變和低相干區(qū)測量、大氣和軌道誤差去除和精度評定等方面的前沿問題。

關(guān)鍵詞：InSAR    變形監(jiān)測    星載    綜述    

Research Progress and Methods of InSAR for Deformation Monitoring

ZHU Jianjun, LI Zhiwei, HU Jun     

Abstract: Deformation monitoring is one of the most mature applications of space-borne InSAR technique. Firstly, we introduce the basic principle of InSAR in the monitoring of deformation and the current SAR satellites. The deformation monitoring methods of InSAR are then classified into the groups of D-InSAR, PS-InSAR, SBAS-InSAR, DS-InSAR and MAI, which are *** yzed in the aspects of technical features and application scopes. Subsequently, we *** yze the research progress and deficiencies of InSAR in the investigation of urban, mining area, earthquake, volcano, infrastructure, glacier, permafrost and landslide. Finally, some advanced academic problems such as deformation monitoring in multi-demension and low coherence area, atmospheric and orbital errors mitigation, and accuracy asses *** ent are concluded.

Key words: InSAR     deformation monitoring     space-borne     review    

星載合成孔徑雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)因其高精度、高分辨率、全天候等優(yōu)點已迅速成為常用的大地測量技術(shù)之一，旨在通過計算兩次過境時SAR影像的相位差來獲取數(shù)字高程模型^[1-2]。隨之而來的差分雷達干涉技術(shù)(differential interferometric synthetic aperture radar, D-InSAR)則是通過引入外部DEM或三軌/四軌差分實現(xiàn)了地表變形監(jiān)測。除了地形因素外，時空失相干、大氣、軌道等也是影響DInSAR技術(shù)的形變監(jiān)測精度的主要因素^[3-4]。與此同時，衛(wèi)星硬件的不斷發(fā)展，重返周期越來越短會導(dǎo)致微小形變與噪聲之間的混疊，空間分辨率越來越高也會導(dǎo)致噪聲更加復(fù)雜，這些都對常規(guī)D-InSAR的形變監(jiān)測提出更高的挑戰(zhàn)。此外，D-InSAR技術(shù)獲取的形變是地表真實三維形變在雷達視線方向(line-of-sight, LOS)上的投影，目前多通過除以入射角的余弦值得到垂直向的形變。但是，這需要假設(shè)水平方向上無形變^[5]，很多情況下并不滿足，從而導(dǎo)致形變信號的錯誤解譯。

為了突破DInSAR技術(shù)的這些限制，學(xué)者們提出了多時相InSAR技術(shù)(multi-temporal InSAR, MT-InSAR)來進行高精度的形變監(jiān)測，如永久散射體(persistent scatterer InSAR, PS-InSAR)、小基線集( *** all baseline subsets InSAR, SBAS-InSAR)和分布式散射體(distributed scatterer InSAR, DS-InSAR)等。此外，為了彌補D-InSAR或MT-InSAR技術(shù)只能獲取LOS形變的缺陷，學(xué)者又提出多孔徑InSAR(multi-aperture InSAR, MAI)技術(shù)來獲取方位向(即衛(wèi)星飛行方向)上的形變信息。以上這些InSAR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類形變監(jiān)測中，如城市地面沉降、礦區(qū)沉降、地震及板塊運動、火山噴發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施變形、冰川漂移、凍土形變、滑坡等。

本文旨在通過分析以上這些InSAR技術(shù)及其在各應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，使讀者能夠?qū)nSAR變形監(jiān)測有更為系統(tǒng)性的理解。本文章節(jié)安排如下：第1節(jié)介紹InSAR技術(shù)與現(xiàn)狀，包括雷達干涉測量原理和SAR衛(wèi)星現(xiàn)狀；第2節(jié)介紹目前主流的幾種InSAR變形監(jiān)測 *** 及進展；第3節(jié)介紹InSAR變形監(jiān)測在重點應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀；第4節(jié)則對InSAR變形監(jiān)測的挑戰(zhàn)進行分析。

1 InSAR技術(shù)與現(xiàn)狀1.1 雷達干涉測量原理

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(InSAR) *** 成孔徑雷達技術(shù)與干涉測量技術(shù)于一體。合成孔徑雷達(SAR)是一種主動式微波遙感，用來記錄地物的散射強度信息及相位信息，前者反映了地表屬性(含水量、粗糙度、地物類型等)，后者則蘊含了傳感器與目標物之間的距離信息。干涉的基本原理是同一區(qū)域兩次或多次過境的SAR影像的復(fù)共軛相乘，來提取地物目標的地形或者形變信息。雷達干涉的模式分為：沿軌道干涉法、交叉軌道干涉法、重復(fù)軌道干涉法。其中利用重軌干涉最為常用的方式，以此為例，所得到的干涉相位表達式為^[4] (1)

式中，φ_flat為平地相位；φ_topo為地形相位，該相位可以用來恢復(fù)地形信息；φ_def為地表形變引起的相位；φ_atmo為大氣延遲相位；φ_noise為觀測噪聲引起的相位。

將平地相位、地形相位、噪聲相位、大氣相位去除，即可得到地表形變相位，這樣的雷達干涉技術(shù)被稱為雷達差分干涉技術(shù)(D-InSAR)，文獻[2]首次論證該項技術(shù)可用于探測厘米級的地表形變。其幾何關(guān)系如圖 1所示。

圖 1 差分干涉測量幾何關(guān)系Fig. 1 Geometric relation of differential interferometry

從圖3中可以導(dǎo)出以下關(guān)系
 (2)

式中，Δr為所要求解的地面目標點的LOS向形變信息；λ為雷達波長。

1.2 SAR衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀

1978年，美國發(fā)射了L波段SEASAT衛(wèi)星，在1981、1984年又相繼發(fā)射了SIR-A和SIR-B衛(wèi)星，為最初的研究提供了少量的星載數(shù)據(jù)。隨后其他國家也相繼研究并研發(fā)了不同波段的中低分辨率的SAR衛(wèi)星。1991年7月、1995年4月歐洲空間局(ESA)相繼發(fā)射了C波段ERS-1和ERS-2衛(wèi)星，采用相同的軌道參數(shù)，組成串行飛行模式，為對地觀測提供了大量的數(shù)據(jù)，極大地推動了InSAR技術(shù)的發(fā)展。1992年日本空間局發(fā)射了L波段JERS-1衛(wèi)星，長波段的穿透力強，使其在InSAR監(jiān)測中具有很強的優(yōu)勢，但JERS-1衛(wèi)星并不是專門針對干涉測量而設(shè)計的，軌道誤差較為嚴重，影響了它的適用性。1995年，加拿大發(fā)射了C波段RADARSAR-1衛(wèi)星，獲取了覆蓋全球的大量數(shù)據(jù)。21世紀以后，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的硬件得到更大的改進，專門針對干涉測量的衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射成功。2000年美國實施的SRTM計劃，利用航天飛機獲取了全球80%的30 m和90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對差分干涉測量提供了可靠的外部DEM數(shù)據(jù)。歐空局2002年3月發(fā)射的ERS系列后繼衛(wèi)星ENVISAT不僅提供了SAR數(shù)據(jù)，還提供了MERIS水汽數(shù)據(jù)，對InSAR數(shù)據(jù)中大氣延遲誤差的改正提供了極大的幫助。2006年1月日本空間局發(fā)射了L波段的ALOS-1衛(wèi)星，因其長波長穿透性強、抗失相干的特性在地震、礦山等方面的監(jiān)測得到了廣泛的應(yīng)用。ERS-1/2、ENVISAT、ALOS-1、RADARSAT-1獲取豐富的中低分辨率SAR數(shù)據(jù)成為21世紀早期InSAR技術(shù)發(fā)展的主要數(shù)據(jù)源，大部分的研究成果也是基于這些數(shù)據(jù)得到。

在上述的中低分辨率的SAR衛(wèi)星陸續(xù)停止服務(wù)后，新一代高分辨率衛(wèi)星相繼發(fā)射，而且這些SAR衛(wèi)星系統(tǒng)也從單一極化、模式、波段、固定入射角向多極化、多模式、多波段、可變?nèi)肷浣前l(fā)展。由此，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)迎來了一個全新的時代。2007年德國航空航天局成功發(fā)射了X波段TerraSAR-X衛(wèi)星，隨后在2010年發(fā)射了其姊妹星TanDEM-X，構(gòu)成分布式協(xié)同工作模式，可以提供全球高精度的數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型，分辨率更高可達0.25 m。意大利空間局設(shè)計的X波段CO *** O-SkyMed星座包括4顆星，分別于2007年6月、2007年12月、2008年10月、2010年11月成功發(fā)射，分辨率高達1 m，重訪周期短，在風(fēng)險預(yù)警、災(zāi)害管理等方面發(fā)揮著重要的作用。2007年12月加拿大發(fā)射的C波段RADARSAT-2衛(wèi)星繼承了RADARSAT-1衛(wèi)星的工作模式，還增加了多極化成像等，增強了其在地形監(jiān)測領(lǐng)域的觀測能力。2014年4月歐空局成功發(fā)射了首顆環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星C波段Sentinel-1A衛(wèi)星，并于2016年4月發(fā)射了Sentinel-1B衛(wèi)星，對全球大范圍的地質(zhì)、環(huán)境災(zāi)害的監(jiān)測提供了豐富的數(shù)據(jù)。2014年5月日本成功發(fā)射的L波段ALOS-2衛(wèi)星，空間分辨率更高達到1 m，其在大型地質(zhì)災(zāi)害(如地震)監(jiān)測領(lǐng)域具有獨一無二的優(yōu)勢。與此同時，我國也在積極的研發(fā)SAR衛(wèi)星，并于2016年8月10日在太原成功發(fā)射了高分三號(GF-3) 衛(wèi)星，實現(xiàn)了我國衛(wèi)星SAR影像干涉測量零的突破。

現(xiàn)有的SAR衛(wèi)星系統(tǒng)具體參數(shù)如表 1所示。在未來，SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計將會針對不同的研究領(lǐng)域而進行規(guī)劃，例如，歐空局規(guī)劃在2020年發(fā)射P波段BIOMASS衛(wèi)星是為森林樹高測繪和生物量反演而設(shè)計；德國航天局預(yù)計在2022年發(fā)射的L波段TanDEM-L衛(wèi)星，主要針對全球陸表動態(tài)變化監(jiān)測而設(shè)計。

表 1 現(xiàn)有SAR衛(wèi)星系統(tǒng)具體參數(shù)Tab. 1 Specific parameters of current SAR satellites

表選項

2 InSAR變形監(jiān)測 *** 與進展2.1 D-InSAR ***

D-InSAR是在傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)上發(fā)展起來的 *** ，主要通過引入外部DEM去除InSAR獲取的干涉圖中的地形相位，進而得到差分干涉圖^[2]。而這差分干涉相位中除了地形相位外，還存在平地效應(yīng)、形變信號、大氣以及噪聲成分。由于該差分干涉相位仍然是纏繞的，因此需對剩余的相位成分進行整周模糊度求解。具體地，通過精確的軌道信息來去除平地效應(yīng)，利用一定的濾波來降噪，通過外部數(shù)據(jù)或模型來去除大氣相位^[6]，通過相應(yīng)的相位解纏 *** 來獲取整周模糊度^[7]。自Gabriel在1989年首次利用D-InSAR成功獲取了農(nóng)田區(qū)的形變信息后，學(xué)者們相繼對DInSAR技術(shù)做了一系列的改進，如濾波算法的提出和改進^[8-9]、軌道相位的去除^[10]、相干性的穩(wěn)健性估計、電離層的去除^[12]等。同時，D-InSAR也從最初的地震、火山等大范圍地表形變監(jiān)測慢慢發(fā)展到局部形變監(jiān)測，如結(jié)合角反射器的礦區(qū)、滑坡、油氣田以及城市地表形變。雖然D-InSAR已取得了一定的成果，但因監(jiān)測精度仍受時空失相干、大氣等因素的影響，因此基于D-InSAR發(fā)展起來的MT-InSAR是現(xiàn)今InSAR技術(shù)監(jiān)測變形的研究熱點。

2.2 PS-InSAR ***

文獻[13—14]首次提出了PS-InSAR *** ，其基本思想是：之一，利用覆蓋同一研究區(qū)的多景單視SAR影像，選取其中一景SAR影像作為主影像，其余SAR影像分別與主影像配準，依據(jù)時間序列上的幅度和(或)相位信息的穩(wěn)定性選取永久散射體(Persistent Scatterer，PS)目標；第二，經(jīng)過干涉和去地形處理，得到基于永久散射體目標的差分干涉相位，并對相鄰的永久散射體目標的差分干涉相位進行再次差分；第三，根據(jù)兩次差分后的干涉相位中各個相位成分的不同特性，采用構(gòu)建形變相位模型和時空濾波或方式估計形變和地形殘余信息。

PS-InSAR技術(shù)不是針對SAR影像中的所有像元進行數(shù)據(jù)處理，而是選取在時間上散射特性相對穩(wěn)定、回波信號較強的PS點作為觀測對象。這些PS點通常包括人工建筑物、燈塔、 *** 的巖石以及人工布設(shè)的角反射器等^[14]。PS點的準確選取可以確保即便在干涉對的時間或空間基線很長的條件下(甚至達到臨界基線)，PS點依然呈現(xiàn)出較好的相干性和穩(wěn)定性。常用PS點選取 *** 包括振幅離差閾值法^[14]、相干系數(shù)法^[16]、相位分析法^[17]，以及這些 *** 的組合等。而形變和地形殘差解算通常采用解空間搜索法^[14]、LAMBDA *** ^[18]和StamPS中的三維解纏法^[19]等。

目前，PS-InSAR技術(shù)已在多個城市的高分辨率地面沉降監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，特別是城市重點基礎(chǔ)設(shè)施的高分辨率形變監(jiān)測。通過對比同期的水準和GPS測量數(shù)據(jù)，證實了PS-InSAR技術(shù)具有較高的可靠性(mm級的精度)^[20]，因此對掌握城市地面沉降動態(tài)規(guī)律以及分析地面沉降的成因等具有重要意義。

然而PS-InSAR技術(shù)也存在自身的缺陷。首先，其通常要求覆蓋同一區(qū)域的SAR影像數(shù)目較多(通常要求大于25景)，便于保證模型解算的可靠性。其次，PS-InSAR技術(shù)由于是基于大量PS點的迭代回歸或網(wǎng)平差計算，運算效率不高，因此不適合大范圍地區(qū)高分辨率的地面沉降監(jiān)測。

2.3 SBAS-InSAR ***

SBAS-InSAR是一種基于多主影像的InSAR時間序列 *** ，只利用時空基線較短的干涉對來提取地表形變信息，文獻[21]提出并利用該技術(shù)進行意大利南部Campi Flegrei火山口和Naples市的時間序列形變估計，證明了該 *** 具有能夠準確估計形變的能力。SBAS-InSAR技術(shù)克服了PS-InSAR因選取一幅影像作為公共主影像而引起的部分干涉圖相干性較差的不足，同時降低了對SAR數(shù)據(jù)的需求量，運算效率較高。

SBAS-InSAR技術(shù)是以多主影像的干涉對為基礎(chǔ)，基于高相干點恢復(fù)研究區(qū)域的時間序列形變信息，其原理如下：首先對覆蓋某個地區(qū)的不同時間段的多景SAR影像計算時間空間基線，選擇恰當(dāng)?shù)臅r空基線閾值選取干涉對；然后對選取的干涉對進行差分干涉處理并進行相位解纏；最后根據(jù)自由組合的干涉圖形成子集的情況，對所有干涉圖組成相位方程采用最小二乘法或者SVD *** 進行形變參數(shù)的估計。在實際處理中會采用時空濾波的 *** 去除大氣延遲的影像分離出非線性形變，估算的低頻形變與此非線性形變的總和即為整個研究區(qū)的形變信息。

針對SBAS-InSAR技術(shù)，各國學(xué)者展開了許多研究，在高相干點選取方面主要有相位穩(wěn)定性選點法^[22]、振幅離差指數(shù)選點法^[13]、空間相干性^[23]等 *** ；在形變觀測的數(shù)學(xué)模型選取方面，主要有線性模型^[23]、二階多項式形變模型^[21]、周期性形變項^[24]等；在參數(shù)估算方面主要有最小二乘法^[23]、SVD法^[21]、基于L1范數(shù)的解算 *** ^[26]等。

為了提高高質(zhì)量相干點的密度、減弱誤差的影像、改善形變參數(shù)估計結(jié)果的精度，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些融合PS-InSAR和SBAS-InSAR優(yōu)點的算法，如文獻[23]提出了基于最小二乘 *** 的平差法，利用少量的SAR數(shù)據(jù)獲取干涉圖中高相干點的地表形變信息。文獻[27]應(yīng)用PS-InSAR和SBAS-InSAR融合技術(shù)于Eyjafjallajokull火山的形變監(jiān)測中，獲取了該區(qū)域的時間序列形變結(jié)果。文獻[28]提出了時域相干點法(TCP-InSAR)，對形變參數(shù)、軌道誤差同時進行估計，提高了監(jiān)測精度。

2.4 DS-InSAR ***

自2011年文獻[29]發(fā)布第二代永久散射體技術(shù)SqueeSAR以來，時序InSAR領(lǐng)域的研究熱點逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Ψ植际侥繕?distributed scatterer, DS)的探索。與PS目標的物理屬性不同，DS是指在雷達分辨率單元內(nèi)沒有任何散射體的后向散射占據(jù)統(tǒng)治地位的點目標^[30]。事實上，利用DS-InSAR進行形變監(jiān)測的概念早在SBAS技術(shù)和StamPS技術(shù)中已經(jīng)建立^[21, 27]，當(dāng)時學(xué)界更多的是以相干、非相干目標加以區(qū)分，而弱化了PS與DS之間的物理界限。因此，從數(shù)據(jù)處理的角度來說，以SBAS為代表的小基線技術(shù)與SqueeSAR技術(shù)及其變種有本質(zhì)不同，但它們又同時強調(diào)DS目標的信噪比，因而均屬于相位濾波。

SqueeSAR的技術(shù)要點是：① 通過同質(zhì)點選取算法增強時序InSAR協(xié)方差矩陣的估計精度，并同時輔助PS與DS目標的分離；② 通過相位優(yōu)化算法從協(xié)方差矩陣中恢復(fù)時序SAR影像的相位。在第1個步驟中，其前提條件是相同SAR影像質(zhì)地的像素具有相同相位中心，因此在時序統(tǒng)計推斷的框架下，選取具有相同SAR統(tǒng)計分布的像素參與平均不僅可以提升相位信噪比，還能保留圖像的空間分辨率^[32]。相比之下，SBAS多采用常規(guī)多視處理或空間(自適應(yīng))濾波，是一種以犧牲空間分辨率為代價換取相位質(zhì)量提升的 *** ^[29]。在復(fù)雜形變特征環(huán)境下，這類 *** 極易損失細節(jié)，并伴隨形變非形變區(qū)域的誤讀。在第2個步驟中，SqueeSAR在樣本協(xié)方差矩陣服從復(fù)Wishart分布的基礎(chǔ)之上，采用極大似然估計 *** 得到優(yōu)化后的時序相位。由于似然估計量無解析表達式，需采用非線性優(yōu)化“擠壓”待估參數(shù)，便成為“Squeeze”一詞命名的由來。值得注意的是，SqueeSAR一方面運用了所有干涉對的信息，另一方面卻并未從濾波后的干涉相位中直接提取時序相位，這與大多數(shù)時序InSAR技術(shù)采用相位三角關(guān)系從濾波后的干涉相位中直接解算時序相位有本質(zhì)區(qū)別^[29]。在優(yōu)化DS之后，與PS目標一起融入傳統(tǒng)PS-InSAR數(shù)據(jù)處理框架就可以獲得精度更高、空間分辨率增強的時序形變產(chǎn)品。

SqueeSAR技術(shù)也有其缺陷。在同質(zhì)選點算法中，使用的KS假設(shè)檢驗功效低，特別在小樣本條件下易使選取的同質(zhì) *** 中包含許多異質(zhì)點，而且計算效率低下^[32]。因此，近年來國內(nèi)外學(xué)者紛紛提出了計算更為高效或估計精度更高的統(tǒng)計推斷 *** ，具有代表性的是AD檢驗^[33]、似然比檢驗^[32]、自適應(yīng)檢驗和置信區(qū)間估計等^[34]。在相位優(yōu)化算法中，計算效率是該 *** 的主要詬病之處，使得大范圍的精細監(jiān)測幾乎無法施展，備擇的方案是文獻[35]提出的協(xié)方差矩陣奇異值分解 *** 。在優(yōu)化可靠性方面，可采用抗差性更強的估計量，如M估計量等^[36]。

上述改進算法與SqueeSAR技術(shù)一起構(gòu)成了當(dāng)今DS-InSAR的雛形，旨在提高計算效率、增加觀測密度和改善估計精度。廣義的，除基于PS目標之外的時序InSAR技術(shù)都或多或少地應(yīng)用了DS的概念，而聯(lián)合PS-InSAR和DS-InSAR或許是提高最終產(chǎn)品精度的更佳方案^[27, 29]。

2.5 MAI ***

MAI技術(shù)的提出旨在獲取地表方位向的形變信息，由于方位向和LOS向相互垂直，因此為D-InSAR的監(jiān)測結(jié)果起到很好的補充作用，進而獲取地表三維形變信息^[37]。而相對于偏移量跟蹤(Offset-tracking) *** 而言，MAI *** 在方位向上的形變解算精度和效率都更高，從而為形變的精確解譯起到較好的促進作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地震、火山、冰川的等相關(guān)的三維形變測量中^[38-39]。

MAI的技術(shù)原理主要是通過方位向公共頻譜濾波技術(shù)重新確定SAR數(shù)據(jù)的零多普勒中心，進而將一景SAR影像重新劃分為前視與后視兩景影像。通過對主影像和從影像的前視與后視影像分別進行影像配準、多視處理、生成干涉圖、去平地相位、去地形相位以及濾波處理得到前視干涉圖與后視干涉圖，再對前視與后視干涉圖進行差分處理后，即可得到MAI干涉圖，其包含的即為方位向形變相位^[37]。

由于MAI技術(shù)進行了方位向公共頻譜濾波，相當(dāng)于縮短了合成孔徑時間，單個前視或者后視影像接收到的回波信號會減弱，因此相比于傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)，MAI技術(shù)更易受到失相關(guān)噪聲的影響，不適用于近場的同震形變信息提取以及較快的冰川流速估計^[40]。針對該問題，文獻[39]將Stacking思想引入MAI技術(shù)中，通過對多個干涉對進行疊加，有效地抑制了失相關(guān)噪聲對MAI觀測的影響。另一方面，由于前視與后視干涉對之間的垂直基線存在有細微的差別，會導(dǎo)致MAI干涉圖中出現(xiàn)由平地和地形效應(yīng)引起的相位殘留。以PALSAR數(shù)據(jù)為例，在標準幅寬下，0.1 m的垂直基線差會造成20°的平地相位殘余，相當(dāng)于50 cm的方位向形變。文獻[41]對MAI干涉圖中的相位殘余進行了分析，給出垂直基線差與相位殘余間的關(guān)系，同時提出了使用多項式模型對相位殘余進行模擬和消除的 *** 。再一個限制MAI技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的因素是電離層相位對MAI干涉圖所造成的影響。由于電離層分布的時變性，當(dāng)電離層活躍時，其會在干涉影像上造成方位向偏移，進而在MAI獲取的方位向形變上表現(xiàn)出一定方向性的條紋，即電離層條紋，且在L波段上該現(xiàn)象尤為明顯。文獻[38]根據(jù)電離層條紋的空間特性，提出了基于方向性濾波與插值的MAI電離層趨勢的改正 *** 。

3 InSAR變形監(jiān)測的應(yīng)用與進展3.1 城市沉降監(jiān)測

隨著全球城市化進展的不斷加快，導(dǎo)致城市形變的原因也越來越多元化，如地下資源的過度開發(fā)/采、建筑物及基礎(chǔ)設(shè)施的大量修建以及軟土層的壓實等導(dǎo)致的地表形變。城市區(qū)域內(nèi)多為人工建筑物，其散射特性比較穩(wěn)定，可以很大程度地減少InSAR技術(shù)中的時間失相干，從而得到較為可靠的形變信號, 因此城市監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用研究一直是InSAR技術(shù)的研究熱點^[42]。

根據(jù)城市沉降的主要成因，InSAR城市沉降監(jiān)測主要包括：① 因過度抽取地下水而導(dǎo)致的大范圍、大量級形變的城市，如上海^[17]、北京^[43]等區(qū)域的時序形變監(jiān)測都取得了顯著效果；② 因基礎(chǔ)設(shè)施的大量修建等導(dǎo)致的地表形變，如上海、深圳、廣州等地鐵沿線的形變^[44]；③ 因軟土地質(zhì)壓實導(dǎo)致的形變，如填海區(qū)的時序形變監(jiān)測^[44]。

隨著SAR影像分辨率的提高和軌道重返周期的縮短，InSAR在城區(qū)監(jiān)測中的應(yīng)用會越來越廣泛的同時也面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，由于高分影像中因高樓而導(dǎo)致的條紋過于密集，從而導(dǎo)致相位解纏困難的問題；由于已有的外部DEM數(shù)據(jù)分辨率和精度均較低，導(dǎo)致大量DEM相位殘留的問題；由于常用的MT-InSAR技術(shù)均假設(shè)各PS/DS點上的形變均為線性形變，而在很多城市形變并不滿足這一條件，導(dǎo)致形變信息誤估的問題。

3.2 礦山形變監(jiān)測

自從2000年文獻[45]利用DInSAR監(jiān)測了法國Gardanne附近煤礦的地表沉降以來，InSAR技術(shù)已逐漸成為礦區(qū)地表形變監(jiān)測和預(yù)計的重要工具之一。目前，InSAR技術(shù)在礦區(qū)應(yīng)用研究主要包括以下兩個方面：① 礦區(qū)地表InSAR三維形變高精度監(jiān)測；② 基于InSAR的礦區(qū)地表變形預(yù)計。

在礦區(qū)地表三維或三維時序形變高精度監(jiān)測方面，文獻[46]將SBAS-InSAR用于監(jiān)測湖南冷水江錫礦山地表LOS向形變以來，其他時序InSAR技術(shù)(如Stacking InSAR和PS-InSAR)，也被相繼引入了礦區(qū)地表LOS向時序形變監(jiān)測。但由于獲取的時序形變沿著LOS方向，而非地表真實三維形變，因此，文獻[47]提出利用3個不同平臺或軌道SAR數(shù)據(jù)估計地表三維時序形變。但該 *** 對于數(shù)據(jù)要求比較苛刻，所以實際應(yīng)用前景有限。文獻[48]引入開采沉陷模型，實現(xiàn)了基于單個InSAR干涉對的礦區(qū)地表三維形變估計。文獻[49]將Li的 *** 擴展到基于單個雷達成像幾何學(xué)SAR數(shù)據(jù)的礦區(qū)地表三維時序形變監(jiān)測。

在基于InSAR的礦區(qū)地表變形預(yù)計方面，文獻[50]提出結(jié)合概率積分法模型和InSAR技術(shù)實現(xiàn)了礦區(qū)地表沉降預(yù)計。然而，由于該 *** *** 忽略了水平移動對LOS形變的貢獻，且無法估計全部的概率積分法參數(shù)，所以其實際應(yīng)用受到了一定的制約。文獻[51]建立了概率積分法全部參數(shù)與InSAR LOS向形變之間的函數(shù)模型，實現(xiàn)了基于InSAR的礦區(qū)全盆地任意方向的形變預(yù)計。文獻[52]引入Boltzmann函數(shù)改進了其2016年提出的函數(shù)模型，實現(xiàn)了不同采動程度下的礦區(qū)地表全盆地變形預(yù)計。

礦區(qū)地表形變范圍小、梯度大，因此失相關(guān)是目前InSAR礦區(qū)應(yīng)用的主要瓶頸。但隨著目前長波長、短時空基線的SAR衛(wèi)星的發(fā)射，如ALOS 2和Sentinel-1A/B(見表 1)，該問題應(yīng)該有所突破。此外，當(dāng)前的InSAR礦區(qū)應(yīng)用主要著眼于地表形變監(jiān)測和預(yù)計，對于如何利用InSAR分析礦區(qū)沉降機理以及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域則較少涉足。

3.3 地震形變監(jiān)測

地震的形變監(jiān)測是目前InSAR技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和成功的領(lǐng)域之一。文獻[53]利用InSAR技術(shù)成功獲得1992 Lander地震形變以來，世界范圍內(nèi)數(shù)以百計的地震已經(jīng)通過InSAR技術(shù)進行了研究。根據(jù)InSAR監(jiān)測的形變量級大小和技術(shù)來分，可以分為兩類：InSAR同震形變監(jiān)測和InSAR震后或震間形變監(jiān)測。

同震的形變量級一般較大(分米至米級)，雖然D-InSAR技術(shù)可以獲得較好的監(jiān)測效果，但是由于InSAR技術(shù)側(cè)視成像幾何的限制，無法估計地震三維形變^[40]。因此，近年來圍繞如何融合不同觀測幾何和不同衛(wèi)星傳感器觀測獲得有益于地震解釋的三維形變場開展了大量的研究，在該方面文獻[40]進行了較系統(tǒng)的綜述。同時，為了提高地震形變監(jiān)測的精度，大量學(xué)者針對D-InSAR技術(shù)中軌道誤差、大氣誤差和電離層異常誤差的去除也開展了一系列研究^[12]。另外，由于InSAR相位在大形變量級的近場往往會失相干，無法獲得有效觀測值，Offset-Tracking技術(shù)成為目前大地震近場形變監(jiān)測的重要補充。

震后和震間形變量級一般較小(厘米至毫米級)，需要應(yīng)用精度更高的MT-InSAR技術(shù)才能滿足精度要求。目前MT-InSAR技術(shù)在時間失相干和大氣誤差的改進都對震間和震后形變的監(jiān)測起到了幫助，已經(jīng)成功在世界范圍內(nèi)的多個重要斷裂上得到應(yīng)用，如美國加州的San Andreas斷裂^[54]，土耳其的North Anatolian斷裂^[55]等。InSAR技術(shù)也在我國的海源斷裂和鮮水河斷裂也有大量的嘗試和研究工作^[55]。另外，由于受到茂盛植被的影響，CR-InSAR等人工散射體技術(shù)也被用于輔助震間形變的監(jiān)測^[56]。

InSAR地震形變監(jiān)測一方面得益于技術(shù)的提高和創(chuàng)新，可以為地震參數(shù)反演提供更為精確可靠的觀測值；另一方面也跟SAR衛(wèi)星軟硬件的提高緊密相連，特別是SAR數(shù)據(jù)的全球無縫覆蓋和高密度重返都會為抗震救災(zāi)，地震監(jiān)測提供重要的數(shù)據(jù)源。

3.4 火山活動監(jiān)測

InSAR十分適合測量由于火山巖脈入侵，巖漿囊膨脹和收縮和地?zé)嵯到y(tǒng)引起的復(fù)雜地表形變。文獻[57]首次利用InSAR監(jiān)測了Etna火山的地表形變。通過分析32景升軌和60景降軌干涉圖，文獻[57]從12景相干性較好的干涉圖識別出伴隨著1993年Etna火山噴發(fā)的穩(wěn)定的地表收縮信號。

文獻[60]利用InSAR觀測了位于哥拉帕戈斯群島的Fernandina火山產(chǎn)生的地表形變，發(fā)現(xiàn)入侵的火山巖脈的傾角在淺層發(fā)生了大約為35°的旋轉(zhuǎn)。文獻[61]通過研究覆蓋該火山多次噴發(fā)的一系列干涉圖，發(fā)現(xiàn)火山巖脈的入侵可以改變應(yīng)力場從而控制下次巖脈入侵的幾何和位置。文獻[62]監(jiān)測了位于哥拉帕戈斯群島最北端的Wolf火山發(fā)生了噴發(fā)；通過反演InSAR監(jiān)測的地表形變，發(fā)現(xiàn)Wolf火山體淺層存在兩個巖漿囊，它們分別位于地下1 km和5 km處。最著名的離散板塊邊界火山活動監(jiān)測當(dāng)屬2005年至2010年位于埃塞俄比亞的Dabbahu巖脈入侵^[63]和2014年位于冰島的Bardarbunga巖脈入侵^[64]。巖漿容積約為1 km³的巖脈傳播大約65 km的距離。InSAR的監(jiān)測結(jié)果表明該入侵致使地表產(chǎn)生了大約6 m地表形變并在巖脈的上方形成了2~3 km寬的地塹。通過利用高分辨率的CO *** O-SkyMed數(shù)據(jù)，文獻[64]成功提取了2014年Bardarbunga巖脈入侵產(chǎn)生的地表三維形變場。

在火山弧監(jiān)測方面，文獻[65]利用C波段InSAR普查了Andes山脈大約900座火山。他們發(fā)現(xiàn)了4處明顯的地表形變區(qū)域并估計處火山的巖漿囊可能處于地下5~17 km之間。文獻[66]進一步利用InSAR數(shù)據(jù)普查了拉丁美洲和Andes南部的火山并發(fā)現(xiàn)了11處火山形變明顯區(qū)域。L波段InSAR數(shù)據(jù)被廣泛的應(yīng)用于熱帶地區(qū)火山形變的監(jiān)測。以印度尼西亞為例，文獻[67]的InSAR普查結(jié)果顯示6座火山正處于膨脹階段其中3座火山于觀察后發(fā)生了噴發(fā)。

盡管至今InSAR已經(jīng)成功的觀測了至少160座火山的地表形變，但是如何利用InSAR形變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行火山噴發(fā)早期預(yù)警，如何聯(lián)合地表形變和物理模型準確的估計地下巖漿囊具體物理參數(shù)，如何有效地考慮建模時地形的影響，仍然是InSAR在火山學(xué)研究中需要考慮和解決的一些重要問題。

3.5 基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測

基礎(chǔ)設(shè)施，如高速公路、高速鐵路、發(fā)電設(shè)施、碼頭等，是社會經(jīng)濟發(fā)展的鏈條。受區(qū)域不合理的人類工程活動等因素的影響，基礎(chǔ)設(shè)施周邊出現(xiàn)嚴重的地表形變，影響基礎(chǔ)設(shè)施的地基穩(wěn)定性，對基礎(chǔ)設(shè)施的安全運營造成潛在的安全威脅。因此，監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施地表形變，對于保障基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定安全運營具有重要的現(xiàn)實意義。MT-InSAR技術(shù)能夠快速提供高精度、高空間分辨率以及大范圍空間連續(xù)覆蓋的地表形變監(jiān)測結(jié)果，為基礎(chǔ)設(shè)施地表形變監(jiān)測提供更全面有效的手段^[68]。

近年來，隨著SAR衛(wèi)星的不斷發(fā)展，SAR影像的空間分辨率不斷提高，更高達到0.25 m，極大地提高了InSAR技術(shù)的精細化形變監(jiān)測能力^[69]，使得InSAR技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施的形變監(jiān)測應(yīng)用不斷擴寬。盡管InSAR在基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測中取得了較好的應(yīng)用效果，但是InSAR在實際應(yīng)用中仍存在挑戰(zhàn)。由于受最小天線面積的限制，傳統(tǒng)SAR傳感器無法在滿足影像分辨率和幅寬的同時提高，因而難以實現(xiàn)超大范圍高分辨率基礎(chǔ)設(shè)施的形變監(jiān)測，例如我國京廣高鐵線路(上千千米長度)。

3.6 冰川運動監(jiān)測

由于微波能穿透一定深度的冰/雪面，InSAR觀測可以不受冰雪表面光學(xué)對比度/紋理的制約。此外，冰川區(qū)經(jīng)常被云層覆蓋，而微波卻可以穿透云層。因此，在冰川動態(tài)監(jiān)測方面InSAR相對其他手段有巨大優(yōu)勢。當(dāng)前，InSAR技術(shù)在冰川的應(yīng)用主要體現(xiàn)在3個方面；① 利用InSAR相干性提取冰川邊界。由于形變和融化等影響，冰面相干性普遍要低于非冰面，快速流動冰面普遍要低于緩慢流動冰面，因此根據(jù)相干性分布可以提取冰川邊界以及入海冰川的陸上部分^[70]。② 利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測冰川流速。1993年Goldstein等首次利用D-InSAR技術(shù)獲取了南極Rutford冰川的流速。隨后，D-InSAR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于格陵蘭島^[66]、南極^[71]、斯瓦爾巴特群島^[72]等區(qū)域的冰川流速監(jiān)測中。然而在中低緯度區(qū)域，受冰面InSAR相干性低的限制，相關(guān)的研究僅局限于部分流速較為緩慢的冰川，例如珠峰地區(qū)Khumbu冰川和Kangshung冰川^[73]，唐古拉山冬克瑪?shù)妆?sup>[70]。由于測量的是一維形變，單軌道D-InSAR很難反映冰川真實流速信息。針對這一問題，基于冰面平行于河床流動的假設(shè)和升降軌數(shù)據(jù)融合，文獻[74]采用D-InSAR技術(shù)估計格陵蘭島的Storstrømmen冰川的三維流速。很明顯，這種三維流速解算并不是嚴格的。于是文獻[75]通過4個Radarsat影像干涉來重建埃爾斯米爾島北部Henrietta Ne *** ith冰川的真三維流速。但這種基于多角度的嚴格三維觀測需要有足夠的數(shù)據(jù)支撐，在中低緯度區(qū)域很難滿足。雖然采用MAI技術(shù)基于單個SAR影像對可以同時獲取冰川在雷達視線向和方位向的流度，但事實上MAI技術(shù)對影像的相干性要求更高。因此，一般情況下的冰川三維流速監(jiān)測須聯(lián)合D-InSAR、MAI、Offset-tracking等多種SAR技術(shù)^[40]，而如何給各個觀測值合理定權(quán)則具有一定的挑戰(zhàn)性。③ 利用InSAR技術(shù)監(jiān)測冰川的厚度變化。2000年基于單軌雙天線InSAR技術(shù)獲取的SRTM DEM因其精度穩(wěn)定被廣泛采納為冰川厚度變化監(jiān)測中的歷史或最新高程數(shù)據(jù)來源^[76]。然而其他SAR衛(wèi)星任務(wù)多為常規(guī)重復(fù)軌道單天線模式，InSAR技術(shù)因為受到大氣和冰川形變等影響很難準確獲取冰川高程。純InSAR技術(shù)成功監(jiān)測冰川厚度變化的案例集中出現(xiàn)在TanDEM-X數(shù)據(jù)公開后(2013年)。TerraSAR-X和姊妹星TanDEM-X組成的雙基站星座可以獲取幾乎不受大氣變化和冰面形變影響的干涉對。自2013以來，利用TanDEM-X雙基站干涉對與SRTM DEM來獲取冰川厚度變化的研究在南極洲^[77]、格陵蘭島^[78]、高亞洲^[79]等地區(qū)陸續(xù)開展，極大地豐富了社會對山岳冰川響應(yīng)全球氣候變化的認知。

3.7 凍土過程監(jiān)測

近年來，在全球氣候變暖和人類活動的干擾下，全球多年凍土均發(fā)生了不同程度的退化，引起了水土流失、草場退化和環(huán)境變化，對寒區(qū)的重點工程和設(shè)施的安全造成了威脅。大范圍高精度高分辨率的對多年凍土區(qū)的進行形變監(jiān)測和活動層厚度變化監(jiān)測，對寒區(qū)安全平穩(wěn)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的科學(xué)意義。

InSAR為多年凍土區(qū)形變監(jiān)測 *** 和活動層厚度的監(jiān)測提供了一種全新的、非常有效的測量 *** 。文獻[80]采用D-InSAR探測加拿大北部地區(qū)的凍土區(qū)地表變形，開創(chuàng)了InSAR技術(shù)在凍土區(qū)形變監(jiān)測方面的先河。隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展，PS-InSAR、SBAS-InSAR技術(shù)也相繼被用于監(jiān)測凍土區(qū)地表形變。但由于凍土區(qū)地表形變復(fù)雜，文獻[81、83]分別提出了并采用考慮凍土融化時發(fā)生沉降累積時間的形變觀測模型、三次冪函數(shù)形變模型、周期性模型、顧及氣候因子影響的形變模型用于監(jiān)測不同凍土區(qū)的地表形變，取得了比較可靠的結(jié)果。利用InSAR技術(shù)獲取凍土活動層厚度的研究仍處于探討階段。文獻[82]根據(jù)水質(zhì)量守恒，建立形變-活動層厚度反演模型，反演了美國阿拉斯加州北部靠近普拉德霍灣的多年凍土活動層厚度。文獻[24]考慮凍土的熱物理性質(zhì)，提出了基于InSAR形變結(jié)果與土壤一維熱傳導(dǎo)模型的活動層厚度反演 *** ，得到了青藏高原當(dāng)雄凍土區(qū)平均活動層厚度。文獻[86]采用Liu等提出活動層厚度反演 *** 估計了青藏高原腹地地區(qū)活動層厚度及其變化速率，與實測數(shù)據(jù)較為吻合。

InSAR技術(shù)在凍土研究中具有廣泛的應(yīng)用潛力。如何利用InSAR監(jiān)測凍土活動層物理參數(shù)，如凍結(jié)融化深度、活動層厚度、凍土上限等，仍是一個棘手的問題，仍是未來該技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點。

3.8 滑坡災(zāi)害監(jiān)測

早期用于滑坡動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要是ERS-1/2的串行數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)的D-InSAR技術(shù)取得了一系列有益的結(jié)果。但是由于滑坡所處環(huán)境一般比較復(fù)雜，如地形起伏嚴重、植被覆蓋較為茂密、部分滑坡滑動快速等，使得InSAR觀測滑坡較為困難。為了解決這些問題，MT-InSAR技術(shù)逐漸被運用到了滑坡形變的監(jiān)測中。

首次PS-InSAR技術(shù)的成功試驗是文獻[13—14]在2000年對意大利Ancona地區(qū)開展的滑坡監(jiān)測。文獻[87]嘗試將SBAS-InSAR *** 用于意大利Maratea山谷的滑坡監(jiān)測，形變測量精度也得到了實地EDM和GPS觀測結(jié)果的驗證。文獻[88]利用PS-InSAR技術(shù)對美國Berkley地區(qū)的滑坡展開監(jiān)測，結(jié)果表明該滑坡形變歷史進程與厄爾尼諾現(xiàn)象存在明顯的相關(guān)性，該成果發(fā)表于國際著名的雜志《Science》上。隨后，諸多學(xué)者利用或結(jié)合PS-InSAR和SBAS-InSAR監(jiān)測了國內(nèi)外諸多滑坡。在此期間，歐空局發(fā)起了MUSCL和SLAM項目，得到了一系列令人振奮的成果。我國科技部與歐空局的合作項目——“龍計劃”，三峽庫區(qū)重點災(zāi)害監(jiān)測點安裝了角反射器，對我國三峽地區(qū)的滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進行了監(jiān)測。

然而，由于已有的MT-InSAR技術(shù)基本都是基于地面沉降監(jiān)測發(fā)展而來，對于滑坡監(jiān)測而言無法達到其更佳性能。此外，地形起伏引起的幾何畸變和植被覆蓋導(dǎo)致的低相干仍然是InSAR滑坡監(jiān)測的主要難題，嚴重時會導(dǎo)致無法得到有效的監(jiān)測結(jié)果。

4 InSAR變形監(jiān)測的挑戰(zhàn)4.1 多維形變測量

眾所周知，InSAR技術(shù)只能監(jiān)測地表形變在雷達視線方向(line-of-sight，LOS)上的一維投影。然而在現(xiàn)實中，地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的地表形變都是發(fā)生在三維空間框架下的，即所謂的三維形變場。理論上，融合3個或以上平臺或軌道的InSAR形變觀測值就可以重建三維地表形變。但受限于現(xiàn)有SAR衛(wèi)星的極軌飛行和側(cè)視成像模式，InSAR形變觀測值對南北向形變極其不敏感，導(dǎo)致該 *** 只能在忽略南北向形變的前提下得到可靠的垂直向和東西向形變^[89]。因此，InSAR形變觀測值極有可能導(dǎo)致對地質(zhì)災(zāi)害的誤判甚至錯判，這已經(jīng)成為限制InSAR技術(shù)應(yīng)用和推廣的主要瓶頸之一。

為了克服InSAR技術(shù)的上述缺陷，部分學(xué)者開始研究利用偏移量跟蹤(OFT)^[90]和MAI^[37]技術(shù)監(jiān)測LOS向之外(即方位向)的地表形變結(jié)果。其中，OFT *** 是利用主輔SAR影像的配準偏移量信息來監(jiān)測地表在方位向(即衛(wèi)星飛行方向)上的形變信息。國內(nèi)外的研究成果表明，融合升軌和降軌的DInSAR和OFT/MAI觀測值，可以較好的重建由地震、火山噴發(fā)和冰川漂移等大型地質(zhì)災(zāi)害的三維形變場。另一方面，GPS是目前最為常用的三維地表形變監(jiān)測技術(shù)，但是只能獲得稀疏的GPS地面站所在位置的測量結(jié)果。通過融合InSAR和GPS資料，可以充分利用二者的優(yōu)點，獲取高分辨率的三維形變場^[91]。

通過上述分析可知，對于絕大多數(shù)沒有布設(shè)足量GPS的研究區(qū)域，現(xiàn)有的InSAR *** 都難以得到高精度的三維形變(特別是南北向形變)結(jié)果，從而導(dǎo)致InSAR在監(jiān)測某些地質(zhì)災(zāi)害時力不從心，例如近南北走向的走滑斷層活動、近東西走向的逆沖斷層活動、朝南或朝北的山體滑坡等。已經(jīng)進入可行性論證階段的高軌SAR衛(wèi)星，其成像幾何與目前低軌SAR衛(wèi)星的成像幾何差異較大，已有研究表明，融合高軌和低軌InSAR觀測值，可以獲取高精度的三維形變場^[92]。另一方面，不同平臺、不同軌道SAR數(shù)據(jù)的獲取時間和重返周期都有所差異，導(dǎo)致現(xiàn)有模型在解算三維時序形變存在秩虧問題，需要借助附件條件進行約束，這不僅有損InSAR三維時序形變結(jié)果的估計精度，而且每獲取一景新的SAR數(shù)據(jù)，都需要將其與之前所有的存檔數(shù)據(jù)一起重新處理，極大地浪費了時間和精力。動態(tài)平差 *** (如卡爾曼濾波)則為解決該問題提供了新的思路。

4.2 低相干區(qū)測量

相干性是InSAR技術(shù)無法回避的問題之一^[3-4]。受各成像時刻分辨率單元內(nèi)散射體變化、傳感器姿態(tài)變化和雷達波透射比等因素制約，雷達回波信號不同程度地遭受著時空去相干的影響，導(dǎo)致干涉相位隨機噪聲增加，相干性衰減，測量精度降低。當(dāng)兩次回波信號的線性相似程度為0時，則產(chǎn)生完全失相干現(xiàn)象，致使InSAR技術(shù)失效。

低相干或快速去相干區(qū)域目前并沒有明確的定義，一般是指時間或空間相干性小于某個臨界值時的研究對象，如牧草地或濕地區(qū)域的干涉質(zhì)量隨時間變化呈指數(shù)衰減，是典型的低相干區(qū)域。從InSAR的技術(shù)特點出發(fā)，傳統(tǒng)D-InSAR由于觀測有限，很難直接捕捉到這類區(qū)域的形變特征。反之，時序InSAR，特別是基于分布式目標的時序InSAR技術(shù)因觀測數(shù)增多、信噪比增強等特點能夠部分恢復(fù)低相干區(qū)域的形變歷史^[27, 29]。然而，這對于InSAR數(shù)據(jù)處理是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要體現(xiàn)在兩個方面：① 相干性是評價相位質(zhì)量的唯一指標，因此相干性的參數(shù)估計問題是整個質(zhì)量控制的關(guān)鍵；② 在時間維，僅有限的觀測用于解算時序形變，在最小范數(shù)框架下，設(shè)計矩陣面臨秩虧，增加約束條件是影響最終產(chǎn)品精度的關(guān)鍵^[21]。在第① 點中，由于樣本相干性是有偏估計量，在低相干區(qū)域產(chǎn)生更高的系統(tǒng)偏差，使得相干值并不能客觀反映相位質(zhì)量，導(dǎo)致實際選取的點目標相位質(zhì)量差。若要提取正確的點目標，去除系統(tǒng)誤差是關(guān)鍵。但是，相干性估計量的統(tǒng)計屬性十分復(fù)雜，且無解析表達式。當(dāng)前行之有效的解決 *** 是采用Bootstrapping或Jackknife非參數(shù)統(tǒng)計技術(shù)在無分辨率損失的情況下逐點去除觀測偏差^[11]。在第② 點中，解的穩(wěn)定性取決于觀測數(shù)量和約束條件與現(xiàn)實時序形變的吻合程度，目前通用的 *** 是采用截尾SVD分解或Tikhonov正則化 *** (拉普拉斯平滑算子)進行補償^[21]。

不同波長的傳感器具有不同的抗失相干能力。隨著SAR影像的累積，同一區(qū)域可能覆蓋多個傳感器的數(shù)據(jù)棧。將多源傳感器數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算以便增加觀測數(shù)并同時提高時間分辨率是實現(xiàn)低相干區(qū)域InSAR形變監(jiān)測的主流 *** ^[93]。這不僅對不同平臺的數(shù)據(jù)配準有更高的要求，而且不可避免地衰減空間分辨率。然而，在干涉條件較差的環(huán)境下，利用犧牲空間分辨率換取估計精度的可靠性可能是目前低相干區(qū)域測量的唯一手段，而在沒有先驗知識的情況下一味追求對形變解算 *** 的改進很可能導(dǎo)致錯誤的解譯結(jié)果。

瞬時形變，如同震引起的地表破裂常使得斷層附近的觀測完全失相干，上述InSAR監(jiān)測 *** 完全失效。備擇方案是采用SAR圖像偏移量技術(shù)獲取近場變形或以偏移量 *** 輔助恢復(fù)干涉條紋信息。

4.3 大氣誤差改正

大氣延遲的影響是當(dāng)前InSAR地表形變監(jiān)測中的主要誤差源之一。SAR衛(wèi)星發(fā)射的微波信號穿過大氣層時，會由于大氣層中傳播介質(zhì)的非均勻性而影響電磁波的傳播速度和傳播路徑，從而產(chǎn)生額外的大氣信號。由于大氣層在不同時刻呈現(xiàn)的狀態(tài)不一樣，導(dǎo)致SAR衛(wèi)星在不同成像時刻受大氣的影響也不相同，兩次成像時刻的大氣信號之差即所謂的“大氣延遲”。大氣層中的電離層和對流層是導(dǎo)致大氣延遲的主要介質(zhì)層^[4]。

電離層對微波信號的影響主要與傳播路徑上的總自由電子數(shù)目(TEC)有關(guān)，其中電離層中自由電子的數(shù)目主要受太陽表面黑子活動強度的影響，InSAR中的電離層影響則主要是由于兩次SAR成像時刻沿傳播路徑上電離層自由電子數(shù)目的變化導(dǎo)致，且影響程度與傳播信號頻率的平方成正相關(guān)，則頻率越高影響越大。在相同電離層情況下，L-波段(1.275 MHz)SAR衛(wèi)星受電離層的影響程度大約是C-波段(5.29 MHz)的17倍^[94]。此外，TEC在不同維度帶的分布及其不均勻，通常情況下赤道附近的InSAR電離層影響相比于中高緯度地區(qū)要更明顯。當(dāng)前對于InSAR電離層的改正主要有以下幾種 *** ：① 利用外部探測手段監(jiān)測到的TEC數(shù)據(jù)(例如GPS)來改正干涉圖中的電離層誤差^[95]；② 通過計算SAR影像在方位向上的Offset-tracking來估計電離層誤差^[96]；③ 利用MAI監(jiān)測出方位向上的形變來估計電離層影響^[97]；④ 通過分裂距離向雷達頻譜的 *** (Range Split-spectrum Interferometry, RSI)得到基于兩個不同頻率獲得的干涉圖來估算出與電離層相關(guān)的大氣誤差^[94]。然而以上 *** 都還存在著一些自身的局限性，第1種 *** 受限與外部數(shù)據(jù)的空間分辨率，例如GPS站的空間分辨率往往達到了數(shù)十千米；第2種 *** 則非常依賴于像素匹配的精度，而且估計結(jié)果會受方位向形變信號的影響；第3種 *** 則非常依賴于前后孔徑干涉圖的空間相關(guān)性以及MAI相位沿方位向上的積分精度；第4種 *** 則受限于SAR衛(wèi)星本身的載波頻率帶寬，例如當(dāng)前的SAR衛(wèi)星帶寬通常只有14 MHz或者28 MHz。因此，對于InSAR中電離層影響的校正依然是一個較為棘手的問題。

相比于電離層的影響主要集中在低緯度地區(qū)以及長波段SAR干涉圖中，對流層(又稱中性大氣層)延遲對于InSAR干涉圖的影響則更為普遍^[4]。電磁波在對流層中的傳播主要與大氣壓強、溫度以及空氣中的水汽含量的有關(guān)。由于壓強和溫度在空間上的變化比較緩慢，空間尺度比較大，因此InSAR干涉圖中的對流層延遲主要與水汽含量的空間分布有關(guān)。兩個SAR成像時刻的水汽含量只要變化20%，則可以導(dǎo)致10~14 cm的InSAR形變誤差^[3]。空間上的InSAR對流層延遲在物理機制上可以將其分為兩部分：垂直分層部分和湍流部分。其中垂直分層部分的對流層延遲與地形起伏相關(guān)，在多山地區(qū)的影響較為明顯，湍流部分的對流層延遲則與地形無關(guān)，而受大氣的湍流作用影響^[4]。當(dāng)前InSAR對流層誤差的校正主要可以分為如下兩大類 *** ：第1類，基于外部大氣數(shù)據(jù)的對流層誤差改正 *** ^[98]；第2類，利用InSAR對流層延遲在時空上的統(tǒng)計特性基于統(tǒng)計學(xué)的 *** 來削弱其影響^[14]。其中第1類 *** 中的外部大氣數(shù)據(jù)源主要有：① GPS估計出的天頂延遲數(shù)據(jù)；② MODIS、MERIS光學(xué)傳感器獲得的水汽數(shù)據(jù)；③ 氣象模型(如WRF，NWM)估計出的對流層延遲數(shù)據(jù)。這一類基于外部數(shù)據(jù)的校 *** 非常受限于外部數(shù)據(jù)自身的觀測質(zhì)量以及數(shù)據(jù)的時空分辨率，例如GPS數(shù)據(jù)雖然有較好的時間分辨率，但空間分辨率遠低于SAR影像，MODIS數(shù)據(jù)和MERIS數(shù)據(jù)則只在白天工作，而且數(shù)據(jù)質(zhì)量受云污染的影響嚴重，氣象模型則受限于原始氣象數(shù)據(jù)的空間分辨率(數(shù)十千米)，而且氣象模型不能估計湍流部分的對流層延遲。第2大類對流層校正 *** 則主要有以下兩種：① 通過分析對流層延遲與地形起伏的關(guān)系，在空間上建立對流層延遲的函數(shù)模型^[99]；② 利用時間序列上的干涉圖，在時間域通過濾波或者平差的手段來削弱對流層的影響^[14]。然而這一類 *** 也存在著一些自身的缺陷以及局限性，例如空間域?qū)α鲗雍瘮?shù)模型建模的 *** 則只能削弱垂直分層部分的大氣延遲，通過時許濾波的 *** 則往往都是基于時間域?qū)α鲗友舆t符合高斯分布的假設(shè)，而這往往不符合實際情況的。

相信隨著外部探測技術(shù)的不斷完善、SAR傳感器的不斷改進以及算法的不斷優(yōu)化，InSAR大氣延遲的校正可以得到進一步的改善和提高，這對于InSAR技術(shù)的推廣以及更高精度地表形變的提取也是至關(guān)重要的。

4.4 軌道誤差改正

由于軌道狀態(tài)矢量存在誤差，導(dǎo)致基線估計不準確，給InSAR數(shù)據(jù)處理帶來的誤差，稱之為軌道誤差。根據(jù)InSAR原理，基線存在的誤差不僅影響平地相位的去除，同時會影響高程與地形相位轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算，其一方面在InSAR地形測繪中直接降低DEM的計算精度，另一方面在差分InSAR中影響外部地形貢獻的去除，從而降低差分InSAR形變監(jiān)測的可靠性。影響InSAR干涉測量精度的些誤差中，基線誤差對InSAR干涉測量精度的影響是系統(tǒng)性的^[100]，尤其突出。無論是傳統(tǒng)的差分InSAR，還是在PS-InSAR和SBAS-InSAR等時序形變分析 *** ，軌道誤差都是必須考慮的誤差源。為了消除基線估計不精確導(dǎo)致的相位誤差，從數(shù)據(jù)處理處理角度出發(fā)，目前有兩種可選 *** ，即基線精確估計^[101]、干涉相位誤差校正。

在基線精確估計方面，文獻[101]提出了利用地面控制點精化InSAR干涉基線的 *** ，根據(jù)已知的解纏相位和地面控制點高程建立觀測方程，采用最小二乘 *** 進行基線參數(shù)的求解。但是很多情況下，我們沒法獲得研究區(qū)域的地面控制點。近年來，有學(xué)者將基線精化研究工作轉(zhuǎn)移到結(jié)合多時域InSAR的研究上，提出了多時域基線精化 *** ^[102]，但是這些 *** 采用的基線精化模型在計算雷達視線方向矢量時仍高度依賴精確的地面高程信息^[103]，這在很大程度上影響了基線精確估計結(jié)果的精度水平。在干涉相位誤差校正方面，研究工作主要集中于利用多項式模型去除軌道誤差，包括線性模型、二次多項式模型。然而，采用多項式擬合 *** 對干涉相位進行校正僅能去除平地相位誤差，而由于基線誤差導(dǎo)致的地形殘余仍留在干涉圖中，這部分誤差與高程高度相關(guān)，容易被認為是與高程相關(guān)的大氣誤差^[104]。

4.5 精度評定

目前，InSAR的形變測量結(jié)果基本都依賴于實地測量數(shù)據(jù)(如水準、GPS等)來檢核其精度和可靠性。其中最科學(xué)合理的 *** 是在研究區(qū)域布設(shè)人工角反射器，在SAR影像獲取時刻利用實地測量手段對角反射器進行精密測量，并以此為標準對InSAR結(jié)果進行精度評定^[105]。對于絕大部分沒有布設(shè)角反射器的區(qū)域，則一般是根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)的地理坐標選擇最近的或一定范圍內(nèi)的InSAR監(jiān)測點進行比較。然而值得注意的是，實地測量手段和InSAR技術(shù)所監(jiān)測的地面點往往并不一致。例如，在城區(qū)形變監(jiān)測時，InSAR技術(shù)所監(jiān)測的地面點一般是建筑物等反射信號穩(wěn)定的地物，而水準監(jiān)測點大多是沿馬路進行布設(shè)，GPS監(jiān)測站則可能建立在基巖上，這就導(dǎo)致實地測量數(shù)據(jù)不能準確、客觀地評價InSAR形變監(jiān)測結(jié)果。

由上述介紹可知，目前InSAR精度評定受限于實地測量數(shù)據(jù)的數(shù)量和可靠性，因此未來有必要研究一種不依賴于外部數(shù)據(jù)的InSAR精度評定 *** 。相干性是衡量InSAR干涉圖質(zhì)量的一個重要指標，但如何實現(xiàn)相干性的精確估計、以及如何將相干性與InSAR形變監(jiān)測精度相關(guān)聯(lián)，都有待進一步研究。然而，大氣延遲的影響噪聲在相干性中難以得到體現(xiàn)，因此對于大氣影響嚴重的InSAR形變監(jiān)測結(jié)果，需要考慮引入更為復(fù)雜的模型(如協(xié)相關(guān)函數(shù))來估計大氣噪聲的方差^[106]。另一方面，方差分量估計理論可以通過平差得到的觀測值改正數(shù)來迭代估計觀測量的方差，不受到任何先驗信息的限制，有望在InSAR精度評定中取得突破^[107]。

5 結(jié)論

自InSAR技術(shù)提出以來，大量學(xué)者針對如何提高D-InSAR變形監(jiān)測的精度和維度作出了大量努力，提出了PS-InSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR和MAI等經(jīng)典技術(shù)，并且在城市、礦山、地震、火山、基礎(chǔ)設(shè)施、冰川、凍土、滑坡等領(lǐng)域取得了大量的成功應(yīng)用。但是，InSAR技術(shù)也存在自身的局限性，例如對南北向形變的不敏感性、由失相關(guān)、大氣延遲和軌道誤差導(dǎo)致的不確定性、以及缺乏有效的精度評定 *** 等，這些都在一定程度上阻礙了InSAR工程化和市場化進程。隨著SAR衛(wèi)星的成像質(zhì)量和時空分辨率等越來越高，如何進一步挖掘SAR數(shù)據(jù)的時空幾何物理特性在InSAR誤差改正和多源融合等方面的潛力，實現(xiàn)高精度三維時序變形監(jiān)測和精度評定，將是未來該領(lǐng)域的主要研究方向。

致謝: 本文在撰寫過程中得到了河海大學(xué)蔣彌、香港理工大學(xué)許文斌、湖南師范大學(xué)孫倩等的協(xié)助，在此一并表示感謝。
 

【引文格式】朱建軍，李志偉，胡俊。InSAR變形監(jiān)測 *** 與研究進展[J]. 測繪學(xué)報，2017，46(10)：1717-1733. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170350