2.5MAI方法
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(cè)結(jié)果起到很好的補(bǔ)充作用，進(jìn)而獲取地表三維形變信息[37]。而相對(duì)于偏移量跟蹤(Offset-tracking)方法而言，MAI方法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(jìn)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(cè)量中[38-39]。
MAI的技術(shù)原理主要是通過(guò)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(jìn)而將一景SAR影像重新劃分為前視與后視兩景影像。通過(guò)對(duì)主影像和從影像的前視與后視影像分別進(jìn)行影像配準(zhǔn)、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(duì)前視與后視干涉圖進(jìn)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(jìn)行了方位向公共頻譜濾波，相當(dāng)于縮短了合成孔徑時(shí)間，單個(gè)前視或者后視影像接收到的回波信號(hào)會(huì)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(chǎng)的同震形變信息提取以及較快的冰川流速估計(jì)[40]。針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)[39]將Stacking思想引入MAI技術(shù)中，通過(guò)對(duì)多個(gè)干涉對(duì)進(jìn)行疊加，有效地抑制了失相關(guān)噪聲對(duì)MAI觀測(cè)的影響。另一方面，由于前視與后視干涉對(duì)之間的垂直基線存在有細(xì)微的差別，會(huì)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(biāo)準(zhǔn)幅寬下，0.1m的垂直基線差會(huì)造成20°的平地相位殘余，相當(dāng)于50cm的方位向形變。文獻(xiàn)[41]對(duì)MAI干涉圖中的相位殘余進(jìn)行了分析，給出垂直基線差與相位殘余間的關(guān)系，同時(shí)提出了使用多項(xiàng)式模型對(duì)相位殘余進(jìn)行模擬和消除的方法。再一個(gè)限制MAI技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的因素是電離層相位對(duì)MAI干涉圖所造成的影響。由于電離層分布的時(shí)變性，當(dāng)電離層活躍時(shí)，其會(huì)在干涉影像上造成方位向偏移，進(jìn)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(xiàn)[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(shì)的改正方法。
3InSAR變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用與進(jìn)展
3.1城市沉降監(jiān)測(cè)
隨著全球城市化進(jìn)展的不斷加快，導(dǎo)致城市形變的原因也越來(lái)越多元化，如地下資源的過(guò)度開(kāi)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(shí)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(shí)間失相干，從而得到較為可靠的形變信號(hào),因此城市監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究一直是InSAR技術(shù)的研究熱點(diǎn)[42]。
根據(jù)城市沉降的主要成因，InSAR城市沉降監(jiān)測(cè)主要包括：①因過(guò)度抽取地下水而導(dǎo)致的大范圍、大量級(jí)形變的城市，如上海[17]、北京[43]等區(qū)域的時(shí)序形變監(jiān)測(cè)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(shí)導(dǎo)致的形變，如填海區(qū)的時(shí)序形變監(jiān)測(cè)[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(cè)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛的同時(shí)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(guò)于密集，從而導(dǎo)致相位解纏困難的問(wèn)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(wèn)題；由于常用的MT-InSAR技術(shù)均假設(shè)各PS/DS點(diǎn)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(wèn)題。
3.2礦山形變監(jiān)測(cè)
自從2000年文獻(xiàn)[45]利用DInSAR監(jiān)測(cè)了法國(guó)Gardanne附近煤礦的地表沉降以來(lái)，InSAR技術(shù)已逐漸成為礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)和預(yù)計(jì)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(gè)方面：①礦區(qū)地表InSAR三維形變高精度監(jiān)測(cè)；②基于InSAR的礦區(qū)地表變形預(yù)計(jì)。
在礦區(qū)地表三維或三維時(shí)序形變高精度監(jiān)測(cè)方面，文獻(xiàn)[46]將SBAS-InSAR用于監(jiān)測(cè)湖南冷水江錫礦山地表LOS向形變以來(lái)，其他時(shí)序InSAR技術(shù)(如StackingInSAR和PS-InSAR)，也被相繼引入了礦區(qū)地表LOS向時(shí)序形變監(jiān)測(cè)。但由于獲取的時(shí)序形變沿著LOS方向，而非地表真實(shí)三維形變，因此，文獻(xiàn)[47]提出利用3個(gè)不同平臺(tái)或軌道SAR數(shù)據(jù)估計(jì)地表三維時(shí)序形變。但該方法對(duì)于數(shù)據(jù)要求比較苛刻，所以實(shí)際應(yīng)用前景有限。文獻(xiàn)[48]引入開(kāi)采沉陷模型，實(shí)現(xiàn)了基于單個(gè)InSAR干涉對(duì)的礦區(qū)地表三維形變估計(jì)。文獻(xiàn)[49]將Li的方法擴(kuò)展到基于單個(gè)雷達(dá)成像幾何學(xué)SAR數(shù)據(jù)的礦區(qū)地表三維時(shí)序形變監(jiān)測(cè)。
在基于InSAR的礦區(qū)地表變形預(yù)計(jì)方面，文獻(xiàn)[50]提出結(jié)合概率積分法模型和InSAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地表沉降預(yù)計(jì)。然而，由于該方法方法忽略了水平移動(dòng)對(duì)LOS形變的貢獻(xiàn)，且無(wú)法估計(jì)全部的概率積分法參數(shù)，所以其實(shí)際應(yīng)用受到了一定的制約。文獻(xiàn)[51]建立了概率積分法全部參數(shù)與InSARLOS向形變之間的函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了基于InSAR的礦區(qū)全盆地任意方向的形變預(yù)計(jì)。文獻(xiàn)[52]引入Boltzmann函數(shù)改進(jìn)了其2016年提出的函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了不同采動(dòng)程度下的礦區(qū)地表全盆地變形預(yù)計(jì)。
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(zhǎng)波長(zhǎng)、短時(shí)空基線的SAR衛(wèi)星的發(fā)射，如ALOS2和Sentinel-1A/B(見(jiàn)表1)，該問(wèn)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(cè)和預(yù)計(jì)，對(duì)于如何利用InSAR分析礦區(qū)沉降機(jī)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(cè)
地震的形變監(jiān)測(cè)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(xiàn)[53]利用InSAR技術(shù)成功獲得1992Lander地震形變以來(lái)，世界范圍內(nèi)數(shù)以百計(jì)的地震已經(jīng)通過(guò)InSAR技術(shù)進(jìn)行了研究。根據(jù)InSAR監(jiān)測(cè)的形變量級(jí)大小和技術(shù)來(lái)分，可以分為兩類：InSAR同震形變監(jiān)測(cè)和InSAR震后或震間形變監(jiān)測(cè)。
同震的形變量級(jí)一般較大(分米至米級(jí))，雖然D-InSAR技術(shù)可以獲得較好的監(jiān)測(cè)效果，但是由于InSAR技術(shù)側(cè)視成像幾何的限制，無(wú)法估計(jì)地震三維形變[40]。因此，近年來(lái)圍繞如何融合不同觀測(cè)幾何和不同衛(wèi)星傳感器觀測(cè)獲得有益于地震解釋的三維形變場(chǎng)開(kāi)展了大量的研究，在該方面文獻(xiàn)[40]進(jìn)行了較系統(tǒng)的綜述。同時(shí)，為了提高地震形變監(jiān)測(cè)的精度，大量學(xué)者針對(duì)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(kāi)展了一系列研究[12]。另外，由于InSAR相位在大形變量級(jí)的近場(chǎng)往往會(huì)失相干，無(wú)法獲得有效觀測(cè)值，Offset-Tracking技術(shù)成為目前大地震近場(chǎng)形變監(jiān)測(cè)的重要補(bǔ)充。
震后和震間形變量級(jí)一般較小(厘米至毫米級(jí))，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(shí)間失相干和大氣誤差的改進(jìn)都對(duì)震間和震后形變的監(jiān)測(cè)起到了幫助，已經(jīng)成功在世界范圍內(nèi)的多個(gè)重要斷裂上得到應(yīng)用，如美國(guó)加州的SanAndreas斷裂[54]，土耳其的NorthAnatolian斷裂[55]等。InSAR技術(shù)也在我國(guó)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(cè)[56]。
InSAR地震形變監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)縫覆蓋和高密度重返都會(huì)為抗震救災(zāi)，地震監(jiān)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)源。
3.4火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)
InSAR十分適合測(cè)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(xiàn)[57]首次利用InSAR監(jiān)測(cè)了Etna火山的地表形變。通過(guò)分析32景升軌和60景降軌干涉圖，文獻(xiàn)[57]從12景相干性較好的干涉圖識(shí)別出伴隨著1993年Etna火山噴發(fā)的穩(wěn)定的地表收縮信號(hào)。
文獻(xiàn)[60]利用InSAR觀測(cè)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(xiàn)[61]通過(guò)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(chǎng)從而控制下次巖脈入侵的幾何和位置。文獻(xiàn)[62]監(jiān)測(cè)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(guò)反演InSAR監(jiān)測(cè)的地表形變，發(fā)現(xiàn)Wolf火山體淺層存在兩個(gè)巖漿囊，它們分別位于地下1km和5km處。最著名的離散板塊邊界火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)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1km3的巖脈傳播大約65km的距離。InSAR的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該入侵致使地表產(chǎn)生了大約6m地表形變并在巖脈的上方形成了2~3km寬的地塹。通過(guò)利用高分辨率的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[64]成功提取了2014年Bardarbunga巖脈入侵產(chǎn)生的地表三維形變場(chǎng)。
在火山弧監(jiān)測(cè)方面，文獻(xiàn)[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(jì)處火山的巖漿囊可能處于地下5~17km之間。文獻(xiàn)[66]進(jìn)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(cè)。以印度尼西亞為例，文獻(xiàn)[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(cè)了至少160座火山的地表形變，但是如何利用InSAR形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)確的估計(jì)地下巖漿囊具體物理參數(shù)，如何有效地考慮建模時(shí)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(wèn)題。
