4InSAR變形監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)
4.1多維形變測(cè)量
眾所周知，InSAR技術(shù)只能監(jiān)測(cè)地表形變?cè)诶走_(dá)視線方向(line-of-sight，LOS)上的一維投影。然而在現(xiàn)實(shí)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(chǎng)。理論上，融合3個(gè)或以上平臺(tái)或軌道的InSAR形變觀測(cè)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(cè)值對(duì)南北向形變極其不敏感，導(dǎo)致該方法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(cè)值極有可能導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的誤判甚至錯(cuò)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(kāi)始研究利用偏移量跟蹤(OFT)[90]和MAI[37]技術(shù)監(jiān)測(cè)LOS向之外(即方位向)的地表形變結(jié)果。其中，OFT方法是利用主輔SAR影像的配準(zhǔn)偏移量信息來(lái)監(jiān)測(cè)地表在方位向(即衛(wèi)星飛行方向)上的形變信息。國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，融合升軌和降軌的DInSAR和OFT/MAI觀測(cè)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(chǎng)。另一方面，GPS是目前最為常用的三維地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是只能獲得稀疏的GPS地面站所在位置的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)融合InSAR和GPS資料，可以充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，獲取高分辨率的三維形變場(chǎng)[91]。
通過(guò)上述分析可知，對(duì)于絕大多數(shù)沒(méi)有布設(shè)足量GPS的研究區(qū)域，現(xiàn)有的InSAR方法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(cè)某些地質(zhì)災(zāi)害時(shí)力不從心，例如近南北走向的走滑斷層活動(dòng)、近東西走向的逆沖斷層活動(dòng)、朝南或朝北的山體滑坡等。已經(jīng)進(jìn)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(cè)值，可以獲取高精度的三維形變場(chǎng)[92]。另一方面，不同平臺(tái)、不同軌道SAR數(shù)據(jù)的獲取時(shí)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(shí)序形變存在秩虧問(wèn)題，需要借助附件條件進(jìn)行約束，這不僅有損InSAR三維時(shí)序形變結(jié)果的估計(jì)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(fèi)了時(shí)間和精力。動(dòng)態(tài)平差方法(如卡爾曼濾波)則為解決該問(wèn)題提供了新的思路。
4.2低相干區(qū)測(cè)量
相干性是InSAR技術(shù)無(wú)法回避的問(wèn)題之一[3-4]。受各成像時(shí)刻分辨率單元內(nèi)散射體變化、傳感器姿態(tài)變化和雷達(dá)波透射比等因素制約，雷達(dá)回波信號(hào)不同程度地遭受著時(shí)空去相干的影響，導(dǎo)致干涉相位隨機(jī)噪聲增加，相干性衰減，測(cè)量精度降低。當(dāng)兩次回波信號(hào)的線性相似程度為0時(shí)，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(méi)有明確的定義，一般是指時(shí)間或空間相干性小于某個(gè)臨界值時(shí)的研究對(duì)象，如牧草地或濕地區(qū)域的干涉質(zhì)量隨時(shí)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(diǎn)出發(fā)，傳統(tǒng)D-InSAR由于觀測(cè)有限，很難直接捕捉到這類區(qū)域的形變特征。反之，時(shí)序InSAR，特別是基于分布式目標(biāo)的時(shí)序InSAR技術(shù)因觀測(cè)數(shù)增多、信噪比增強(qiáng)等特點(diǎn)能夠部分恢復(fù)低相干區(qū)域的形變歷史[27,29]。然而，這對(duì)于InSAR數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①相干性是評(píng)價(jià)相位質(zhì)量的唯一指標(biāo)，因此相干性的參數(shù)估計(jì)問(wèn)題是整個(gè)質(zhì)量控制的關(guān)鍵；②在時(shí)間維，僅有限的觀測(cè)用于解算時(shí)序形變，在最小范數(shù)框架下，設(shè)計(jì)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(diǎn)中，由于樣本相干性是有偏估計(jì)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(shí)際選取的點(diǎn)目標(biāo)相位質(zhì)量差。若要提取正確的點(diǎn)目標(biāo)，去除系統(tǒng)誤差是關(guān)鍵。但是，相干性估計(jì)量的統(tǒng)計(jì)屬性十分復(fù)雜，且無(wú)解析表達(dá)式。當(dāng)前行之有效的解決方法是采用Bootstrapping或Jackknife非參數(shù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)在無(wú)分辨率損失的情況下逐點(diǎn)去除觀測(cè)偏差[11]。在第②點(diǎn)中，解的穩(wěn)定性取決于觀測(cè)數(shù)量和約束條件與現(xiàn)實(shí)時(shí)序形變的吻合程度，目前通用的方法是采用截尾SVD分解或Tikhonov正則化方法(拉普拉斯平滑算子)進(jìn)行補(bǔ)償[21]。
不同波長(zhǎng)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(gè)傳感器的數(shù)據(jù)棧。將多源傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算以便增加觀測(cè)數(shù)并同時(shí)提高時(shí)間分辨率是實(shí)現(xiàn)低相干區(qū)域InSAR形變監(jiān)測(cè)的主流方法[93]。這不僅對(duì)不同平臺(tái)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)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(jì)精度的可靠性可能是目前低相干區(qū)域測(cè)量的唯一手段，而在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下一味追求對(duì)形變解算方法的改進(jìn)很可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的解譯結(jié)果。
瞬時(shí)形變，如同震引起的地表破裂常使得斷層附近的觀測(cè)完全失相干，上述InSAR監(jiān)測(cè)方法完全失效。備擇方案是采用SAR圖像偏移量技術(shù)獲取近場(chǎng)變形或以偏移量方法輔助恢復(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(cè)中的主要誤差源之一。SAR衛(wèi)星發(fā)射的微波信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí)，會(huì)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(hào)。由于大氣層在不同時(shí)刻呈現(xiàn)的狀態(tài)不一樣，導(dǎo)致SAR衛(wèi)星在不同成像時(shí)刻受大氣的影響也不相同，兩次成像時(shí)刻的大氣信號(hào)之差即所謂的“大氣延遲”。大氣層中的電離層和對(duì)流層是導(dǎo)致大氣延遲的主要介質(zhì)層[4]。
電離層對(duì)微波信號(hào)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(yáng)表面黑子活動(dòng)強(qiáng)度的影響，InSAR中的電離層影響則主要是由于兩次SAR成像時(shí)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(hào)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(1.275MHz)SAR衛(wèi)星受電離層的影響程度大約是C-波段(5.29MHz)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(duì)于InSAR電離層的改正主要有以下幾種方法：①利用外部探測(cè)手段監(jiān)測(cè)到的TEC數(shù)據(jù)(例如GPS)來(lái)改正干涉圖中的電離層誤差[95]；②通過(guò)計(jì)算SAR影像在方位向上的Offset-tracking來(lái)估計(jì)電離層誤差[96]；③利用MAI監(jiān)測(cè)出方位向上的形變來(lái)估計(jì)電離層影響[97]；④通過(guò)分裂距離向雷達(dá)頻譜的方法(RangeSplit-spectrumInterferometry,RSI)得到基于兩個(gè)不同頻率獲得的干涉圖來(lái)估算出與電離層相關(guān)的大氣誤差[94]。然而以上方法都還存在著一些自身的局限性，第1種方法受限與外部數(shù)據(jù)的空間分辨率，例如GPS站的空間分辨率往往達(dá)到了數(shù)十千米；第2種方法則非常依賴于像素匹配的精度，而且估計(jì)結(jié)果會(huì)受方位向形變信號(hào)的影響；第3種方法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種方法則受限于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14MHz或者28MHz。因此，對(duì)于InSAR中電離層影響的校正依然是一個(gè)較為棘手的問(wèn)題。
相比于電離層的影響主要集中在低緯度地區(qū)以及長(zhǎng)波段SAR干涉圖中，對(duì)流層(又稱中性大氣層)延遲對(duì)于InSAR干涉圖的影響則更為普遍[4]。電磁波在對(duì)流層中的傳播主要與大氣壓強(qiáng)、溫度以及空氣中的水汽含量的有關(guān)。由于壓強(qiáng)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(duì)流層延遲主要與水汽含量的空間分布有關(guān)。兩個(gè)SAR成像時(shí)刻的水汽含量只要變化20%，則可以導(dǎo)致10~14cm的InSAR形變誤差[3]。空間上的InSAR對(duì)流層延遲在物理機(jī)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(duì)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(duì)流層延遲則與地形無(wú)關(guān)，而受大氣的湍流作用影響[4]。當(dāng)前InSAR對(duì)流層誤差的校正主要可以分為如下兩大類方法：第1類，基于外部大氣數(shù)據(jù)的對(duì)流層誤差改正方法[98]；第2類，利用InSAR對(duì)流層延遲在時(shí)空上的統(tǒng)計(jì)特性基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)削弱其影響[14]。其中第1類方法中的外部大氣數(shù)據(jù)源主要有：①GPS估計(jì)出的天頂延遲數(shù)據(jù)；②MODIS、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(jì)出的對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)。這一類基于外部數(shù)據(jù)的校方法非常受限于外部數(shù)據(jù)自身的觀測(cè)質(zhì)量以及數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率，例如GPS數(shù)據(jù)雖然有較好的時(shí)間分辨率，但空間分辨率遠(yuǎn)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(yán)重，氣象模型則受限于原始?xì)庀髷?shù)據(jù)的空間分辨率(數(shù)十千米)，而且氣象模型不能估計(jì)湍流部分的對(duì)流層延遲。第2大類對(duì)流層校正方法則主要有以下兩種：①通過(guò)分析對(duì)流層延遲與地形起伏的關(guān)系，在空間上建立對(duì)流層延遲的函數(shù)模型[99]；②利用時(shí)間序列上的干涉圖，在時(shí)間域通過(guò)濾波或者平差的手段來(lái)削弱對(duì)流層的影響[14]。然而這一類方法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)模型建模的方法則只能削弱垂直分層部分的大氣延遲，通過(guò)時(shí)許濾波的方法則往往都是基于時(shí)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(shí)際情況的。
相信隨著外部探測(cè)技術(shù)的不斷完善、SAR傳感器的不斷改進(jìn)以及算法的不斷優(yōu)化，InSAR大氣延遲的校正可以得到進(jìn)一步的改善和提高，這對(duì)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。
