GPS与InSAR数据融合方法及其应用

焦明连

(淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港222005)

0 引 言

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,简称InSAR)是根据复雷达图象的相位差信息,利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系,通过影像处理和几何转换来提取地面目标区地形的三维信息[1]。最大特点是主动式遥感,全天候成像,空间分辨率高,覆盖范围大。它固有的局限性在于对大气参数的变化、卫星轨道参数的误差和地表覆盖的变化非常敏感,给InSAR图像的解译带来困难。GPS技术在地表形变监测领域的应用日臻成熟,世界各国都投入大量经费布设GPS监测网,对地表形变进行连续或定期观测,其显著特点是时间分辨率很高,采样率可达20 Hz。但GPS定位为离散点定位,空间分辨率可达几十或几百公里[2],得不到连续的定位结果,为了提高监测的空间分辨率,需要布设大量的GPS监测点,高费用抑制了GPS对地表形变的监测能力。两种对地观测技术信息获取的侧重点有所区别,并带有一定的片面性。根据二者互补性的特点,将两种技术进行组合应用,不但可以获得更多的信息,提高信息的可靠性,而且信息融合过程会挖掘更多的信息,从而推动对地观测技术向更深更广的领域发展。目前,我国对GPS与InSAR集成技术的研究还处于起步阶段,仍有许多问题需要探讨。重点讨论GPS与InSAR合成的技术途径,并通过实例证明该方法切实可行并具有十分广阔的应用前景。

1 GPS与InSAR合成的技术途径

InSAR对于大气传播误差、卫星轨道误差、空间基线去相关等误差非常敏感[3],当这些误差出现在InSAR中时,会严重影响InSAR的精度甚至会引起错误解译。GPS与InSAR数据融合既可以改正InSAR数据本身难以消除的误差,又可以实现GPS技术高时间分辨率和高平面位置精度与InSAR技术高空间分辨率和高程变形精度的有效统一。

1.1 GPS对InSAR大气误差的校正

InSAR获取地表形变信息是通过对 InSAR干涉图进行差分处理得到的。只有SAR影像上两个点之间和两幅影像之间的相对大气延迟才会使InSAR获取的形变信息发生扭曲。同时,相位差以及地表形变总是相对于影像上面的某个固定点的,因此,站点之间和时域之间的双差分算法可用于从GPS观测值中获取对InSAR的大气延迟改正[4]。

1.1.1 单差分(Single-differences)

假定A点在SAR影像上是固定不动的,作为一个参考点。B是SAR影像上的另一个点,如果从GPS估计出的站点A和B在SAR影像j时的对流层延迟分别为和,则站点之间的延迟差为

用站点A作为参考点,利用式(1)可以计算其他GPS站点与A点之间的单差分延迟,这些单差分延迟经过内插可以生成一副与雷达的SLC数据相似的大气层延迟改正影像。

1.1.2 双差分(Double-differences)

假定有两个站点A和B和两个时间j(主SLC影像)和k(副SLC影像),由式(1)可以得到两个单差分,通过对这两个单差分进行差分可以得到一个双差分

式(2)表明有两种可能的方法进行双差分:一是先进行站点间差分,然后进行时域间差分(BSBE);二是先进行时域间差分,然后进行站点间差分(BEBS)。一般人们更倾向于BSBE法,因为BS差分能内插生成一副单差分延迟改正产品,该产品只与SLC影像有关,只要SLC影像形成In-SAR对,BS能自由地形成下一步的BE差分组合。

1.2 GPS对InSAR轨道误差的校正

因为仅仅采用星载SAR数据本身提供的轨道参数进行定位,误差可能达数公里,即使使用经过精确校正的轨道参数,精度往往也达不到应用的要求[5]。GPS技术在InSAR应用中直接的结合方式是对InSAR数据的处理结果进行精确的几何定位或地理编码。通常的步骤是事先设置角反射器,适当地安装角反射器(如图1所示),当SAR成像时将会强烈反射发射器发射过来的电磁波,在影像中出现明显的特征点。或者找到类似于角反射器的永久性散射体(permanent scatters,简称PS),PS是对电磁波具有强反射的地物,以人工地物居多,它们的几何形状和物理特性在很长的时间内不会有明显变化,如裸露的岩石、高楼、灯塔等。用GPS精确测定角反射器或永久性散射体的三维坐标。而且这些点目标在SAR影像中非常突出(如图2所示),便于准确地确定其在影像坐标系统和地理坐标系统中的位置,这样就可以准确地确定出这些点目标对应的几何位置关系,作为控制资料精确校正由InSAR数据得到的DEM和变形分布图,以消除大气影响、轨道参数的不确定性和其它系统性的误差[6]。

图1 角反射器图

图2 角反射器在雷达图像上的表现

1.3 GPS与InSAR数据融合的方法

由上述可知,GPS和InSAR在空间域和时间域的分辨率具有很强的互补性,因此,将两者结合,无疑具有更重要的意义。在城市,地面沉降变形主要是由于过量开采深层承压水引起的,这种地面沉降变形范围大、发展缓慢,在大部分情况下,每年的变形量在几个厘米左右。由于这种变形缓慢,In-SAR的重复周期应该可以满足城市地面沉降变形监测对时间分辨率的要求,不必在时间域内进行内插,但是城市地面沉降范围大,对空间分辨率要求较高。在矿区,地下矿物开采引起的地面沉降变形的速度比城市的沉降变形要大的多,一个月左右的重复监测周期可以满足要求,为了求取移动参数,在矿区地表移动的活跃阶段需要缩短重复监测周期,因此,InSAR数据在时间域内可能需要进行内插。而由于地震、滑坡等原因引起的地面变形,在短时间内,可能产生较大的变形,需要在时间域内进行内插,以掌握其动态的变形规律[7]。GPS和InSAR数据融合的方法为

1)由CGPS网导出大气误差改正,并利用GPS定位结果作为约束条件对InSAR轨道误差进行修正。

2)用GPS改正后的InSAR数据作为地面沉降变形的空间分布模型,在空间域内以网格为主要方式加密GPS结果,形成多个跨越 1个或几个SAR卫星重复周期的准GPS变形结果。

3)通过高时间频率的GPS数据(其所采集的变形量和地面沉降量),在时间域内对上述已加过密的格网,再进行内插和加密,从而将准GPS结果在时间域内加密成准GPS时间序列。以上两步实际上是在空间域及时间域内的双内插过程[8]。

4)在上述双内插的基础上,利用卡尔曼滤波(或其它方法)对所有格网点的GPS时间序列进行估计,最终得到全面的地面动态变形信息(地面水平变形和地面垂直变形)。

2 应用实例

如前所述,应用GPS-InSAR合成技术时,需要一定规模的地面CGPS网来支持InSAR对于大气传输误差、卫星轨道误差的各项改正,以应用双插双估计(DIDP)方法实现对GPS和InSAR监测数据的加密[9],从而准动态地监测地面沉降或地质学与地球物理学所研究的其他各类地球表面现象。迄今,国内外许多国家如美国、日本、加拿大、中国、韩国、德国、俄罗斯以及马来西亚都已经建立或正在建立了规模不一的CGPS网。美国大地测量局在1999年底,已建立CGPS网点156个,该网络系统除了为全美国的GPS用户提供厘米级定位和导航之外,同时支持地表形变监测、大气水汽分布研究和卫星遥感(包括雷达)应用等[10]。并早已提出了由于在时间和空间上大气变化的不确定性,对雷达信号会造成不同的传播延迟,从而会影响变形监测的精度问题。为此,Galloway等人[11]用 GPSInSAR组合技术分析了美国某地区由于地下开采造成的地面沉降。其做法是,首先利用CGPS数据对InSAR数据进行大气延迟误差改正,减弱大气延迟对InSAR的影响,再利用GPS定位结果对InSAR轨道误差进行校正,将计算结果与GPS控制点测量结果进行对比分析,表明在ERS-1/2和JERS-1重复过境数据支持下,用GPS-InSAR组合技术能以毫米级的精度监测地面沉降变化。GPS观测值与GPS/InSAR计算值对比结果如表1所示。

表1 GPS观测值与GPS/InSAR计算值对比表

3 结 论

分析和实例证明,GPS和InSAR技术具有很强的互补性,一方面GPS为解决InSAR对于大气参数的变化敏感和轨道误差校正提供了途径,另一方面,可以利用InSAR技术提高GPS的空间分辨率,并能以毫米级的精度监测地表形变。因此,利用GPS-InSAR集成技术将突破单一技术的应用局限,发挥各自的优势,极大地改善空间域和时间域的分辩能力,更好地为地表形变监测提供服务。由于开展GPS-InSAR集成研究是一种新尝试,在技术层面还存在相位解缠算法、区域水汽模型和大气层延迟误差改正模型、时间域和空间域的融合模型和算法等诸多问题[12],但随着CGPS的逐步完善、SAR分辨率和卫星轨道参数精度的提高,以及更高精度的数据模型的采用等,GPS-InSAR集成技术在大范围地表形变监测方面的优势将会得到更好的发挥。

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