3.5基礎設施形變監測
基礎設施,如高速公路、高速鐵路、發電設施、碼頭等,是社會經濟發展的鏈條。受區域不合理的人類工程活動等因素的影響,基礎設施周邊出現嚴重的地表形變,影響基礎設施的地基穩定性,對基礎設施的安全運營造成潛在的安全威脅。因此,監測基礎設施地表形變,對于保障基礎設施穩定安全運營具有重要的現實意義。MT-InSAR技術能夠快速提供高精度、高空間分辨率以及大范圍空間連續覆蓋的地表形變監測結果,為基礎設施地表形變監測提供更全面有效的手段[68]。
近年來,隨著SAR衛星的不斷發展,SAR影像的空間分辨率不斷提高,最高達到0.25m,極大地提高了InSAR技術的精細化形變監測能力[69],使得InSAR技術在基礎設施的形變監測應用不斷擴寬。盡管InSAR在基礎設施形變監測中取得了較好的應用效果,但是InSAR在實際應用中仍存在挑戰。由于受最小天線面積的限制,傳統SAR傳感器無法在滿足影像分辨率和幅寬的同時提高,因而難以實現超大范圍高分辨率基礎設施的形變監測,例如我國京廣高鐵線路(上千千米長度)。
3.6冰川運動監測
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對比度/紋理的制約。此外,冰川區經常被云層覆蓋,而微波卻可以穿透云層。因此,在冰川動態監測方面InSAR相對其他手段有巨大優勢。當前,InSAR技術在冰川的應用主要體現在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技術監測冰川流速。1993年Goldstein等首次利用D-InSAR技術獲取了南極Rutford冰川的流速。隨后,D-InSAR技術被廣泛應用于格陵蘭島[66]、南極[71]、斯瓦爾巴特群島[72]等區域的冰川流速監測中。然而在中低緯度區域,受冰面InSAR相干性低的限制,相關的研究僅局限于部分流速較為緩慢的冰川,例如珠峰地區Khumbu冰川和Kangshung冰川[73],唐古拉山冬克瑪底冰川[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和升降軌數據融合,文獻[74]采用D-InSAR技術估計格陵蘭島的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HenriettaNesmith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據支撐,在中低緯度區域很難滿足。雖然采用MAI技術基于單個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測須聯合D-InSAR、MAI、Offset-tracking等多種SAR技術[40],而如何給各個觀測值合理定權則具有一定的挑戰性。③利用InSAR技術監測冰川的厚度變化。2000年基于單軌雙天線InSAR技術獲取的SRTMDEM因其精度穩定被廣泛采納為冰川厚度變化監測中的歷史或最新高程數據來源[76]。然而其他SAR衛星任務多為常規重復軌道單天線模式,InSAR技術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技術成功監測冰川厚度變化的案例集中出現在TanDEM-X數據公開后(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SRTMDEM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]等地區陸續開展,極大地豐富了社會對山岳冰川響應全球氣候變化的認知。
3.7凍土過程監測
近年來,在全球氣候變暖和人類活動的干擾下,全球多年凍土均發生了不同程度的退化,引起了水土流失、草場退化和環境變化,對寒區的重點工程和設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的進行形變監測和活動層厚度變化監測,對寒區安全平穩的可持續發展具有非常重要的科學意義。
InSAR為多年凍土區形變監測方法和活動層厚度的監測提供了一種全新的、非常有效的測量方法。文獻[80]采用D-InSAR探測加拿大北部地區的凍土區地表變形,開創了InSAR技術在凍土區形變監測方面的先河。隨著InSAR技術的發展,PS-InSAR、SBAS-InSAR技術也相繼被用于監測凍土區地表形變。但由于凍土區地表形變復雜,文獻[81、83]分別提出了并采用考慮凍土融化時發生沉降累積時間的形變觀測模型、三次冪函數形變模型、周期性模型、顧及氣候因子影響的形變模型用于監測不同凍土區的地表形變,取得了比較可靠的結果。利用InSAR技術獲取凍土活動層厚度的研究仍處于探討階段。文獻[82]根據水質量守恒,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,提出了基于InSAR形變結果與土壤一維熱傳導模型的活動層厚度反演方法,得到了青藏高原當雄凍土區平均活動層厚度。文獻[86]采用Liu等提出活動層厚度反演方法估計了青藏高原腹地地區活動層厚度及其變化速率,與實測數據較為吻合。
InSAR技術在凍土研究中具有廣泛的應用潛力。如何利用InSAR監測凍土活動層物理參數,如凍結融化深度、活動層厚度、凍土上限等,仍是一個棘手的問題,仍是未來該技術在該領域應用的研究熱點。
3.8滑坡災害監測
早期用于滑坡動態監測的數據主要是ERS-1/2的串行數據,利用傳統的D-InSAR技術取得了一系列有益的結果。但是由于滑坡所處環境一般比較復雜,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技術逐漸被運用到了滑坡形變的監測中。
首次PS-InSAR技術的成功試驗是文獻[13—14]在2000年對意大利Ancona地區開展的滑坡監測。文獻[87]嘗試將SBAS-InSAR方法用于意大利Maratea山谷的滑坡監測,形變測量精度也得到了實地EDM和GPS觀測結果的驗證。文獻[88]利用PS-InSAR技術對美國Berkley地區的滑坡展開監測,結果表明該滑坡形變歷史進程與厄爾尼諾現象存在明顯的相關性,該成果發表于國際著名的雜志《Science》上。隨后,諸多學者利用或結合PS-InSAR和SBAS-InSAR監測了國內外諸多滑坡。在此期間,歐空局發起了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”,三峽庫區重點災害監測點安裝了角反射器,對我國三峽地區的滑坡泥石流等地質災害進行了監測。
然而,由于已有的MT-InSAR技術基本都是基于地面沉降監測發展而來,對于滑坡監測而言無法達到其最佳性能。此外,地形起伏引起的幾何畸變和植被覆蓋導致的低相干仍然是InSAR滑坡監測的主要難題,嚴重時會導致無法得到有效的監測結果。