基于观测时间配准的升降轨InSAR数据二维形变场解算

赵建辉,王 博,闵 林,李 宁

(1. 河南大学 河南省大数据分析与处理重点实验室,河南 开封 475004；2.河南大学 河南省智能技术与应用工程技术研究中心,河南 开封 475004；3.河南大学 计算机与信息工程学院,河南 开封 475004；4.河南大学 信息化管理办公室,河南 开封 475004)

地质灾害给人类的经济生活带来了巨大的灾难，究其原因，绝大部分都是由于地球表面的形变引起的，其中不仅有地震形变、地面沉降、火山运动、冰川漂移以及山体滑坡等自然灾害，还有由于工程开挖、地下水抽取、爆破、弃土等引发的人为地质灾害。这些不可逆的地表形变已经成为影响区域经济和社会可持续发展的重要因素。

干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)测量技术凭借其全天时、全天候、观测范围大和精度高等优势，广泛应用于各种因素引起的地表形变监测中[1-6]。然而，传统的InSAR技术存在视线方向模糊的问题，仅能获取地表雷达视线方向的一维形变场，不能完全反映地表的实际形变状态。为了获取更加真实的地表形变状况，众多学者进行了InSAR二维形变场监测研究。2011年，Gray等人采用差分InSAR(Differential InSAR，D-InSAR)技术获取升降轨视线向一维形变场，根据SAR卫星观测的空间特征建立形变解算模型，联合两个一维形变场，解算得到垂直和水平东西方向高精度的二维形变场[7]。2012年，Samsonov等人利用多维小基线(MultidimensionalSmall Baseline Subset InSAR，MSBAS-InSAR)技术处理不同参数的SAR数据，提取了刚果维龙加火山区地表二维形变速率场[8]。该方法需要用到较多数量的升降轨数据，并不适用于卫星升降轨数据较少的地区。2014年，王艳等人基于永久散射干涉测量(Persistent Scatterer InSAR，PS-InSAR)技术，分别获取了同一卫星一系列相近时段的升轨和降轨地表雷达视线一维形变速率场，利用二维简化模型得到了苏州地区地表垂直和水平东西方向的二维形变速率场[9]。该方法同样需要一定数量的升降轨SAR数据。2018年，刘媛媛等人利用相干点目标法(Interferometric Point Target Analysis，IPTA)，获取山西省青徐和交城地区不同卫星数据的地表雷达视线向累积形变量，通过参照先验信息忽略了该地区变化较小的南北向形变，联合已获取的累积形变量，解算得到该地区垂直和水平东西方向的地表二维形变场[10]。目前该方面的相关研究都是通过联合升降轨视线向一维形变场解算地表二维形变场，并未考虑不同轨道一维形变场之间时间不一致的问题。单一轨道的一维形变场是卫星在该轨道前后两次对地观测时间段内地表产生的形变，受到卫星轨道自身参数的限制，单一卫星或多个卫星都很难在相同的时间做到对同一目标的观测。在二维形变解算过程中，即使采用了时间较近的升降轨SAR数据，也未能解决观测时间不一致对形变场计算结果的影响问题。

为了解决上述问题，该文提出了一种升降轨观测时间配准方法。首先，基于时间序列InSAR技术，分别获取升轨和降轨方向的一维累积形变量；然后，以其中一轨SAR时序数据的采集时刻为参考，采用数据插值技术，对另一轨SAR时序数据获取的时间累积形变量进行内插，得到对应参考时刻点的形变量，实现升降轨观测时间配准；最后，联合解算时间配准后的InSAR观测值，获取精度更高的二维形变场。

1 升降轨SAR信息反演地表二维形变场

常规InSAR技术监测地表形变，其观测值代表了两景数据采集时间内地表发生的形变。该形变量是地表真实形变在雷达视线方向的投影大小，并不能完全反映地表的真实形变状态。由于现有在轨雷达具有极地飞行的特点导致了其在南北方向形变监测的能力较弱，因此通过忽略雷达视线向形变在南北向的形变分量，联合升轨和降轨InSAR观测值，解算得到垂直向和水平东西向的地表二维形变场。

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(2)

图1 雷达成像几何示意图

2 基于立方插值技术的升降轨观测值时间配准

在地表形变监测中，受重访周期等因素的影响，很难获得持续的时间序列累积形变量。利用数据插值技术对时间序列累积形变量进行处理，估计缺失时刻的形变量，可以得到完整时间序列的地表形变变化，并对地表形变进行分析[11]。线性插值、三次样条插值及立方插值等都是地表形变监测中常用的补充缺失形变信息的方法。相对于其他插值技术，经过三次样条插值和立方插值处理后，二者结果都是一个完整的、随时间平滑变化的累积形变量。然而，当缺失时刻的数据分布不均匀时，三次样方插值容易出现异常结果，立方插值则可以有效避免上述情况的发生[12]。

图2 升降轨InSAR数据二维形变场解算处理流程

3 实验与结果分析

3.1 实验区与数据源

本文实验数据采用欧空局Sentinel-1A卫星提供的IW(Interferometric Wide Swath)成像模式下的12景时间序列SAR影像，其中包括2016年采集的10景升轨SLC(Single Looking Complex)数据和2景降轨SLC数据，数据采集时间如表1所示。实验区域为江苏省东南部的苏锡常地区，其整体地势较低，影像内地形以平原为主，升降轨SAR影像覆盖范围如图3所示。

表1 研究所用升降轨SAR影像数据采集时间

3.2 实 验

由于采集的实验区域卫星数据中升轨SAR影像较多而降轨SAR影像较少，实验中对升降轨数据分别使用了不同的InSAR处理技术，其中使用小基线集InSAR(Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR)技术对2016-02-26—2016-12-10的10景升轨SAR影像进行处理，使用D-InSAR技术对2016-06-08和2016-07-14的2景降轨SAR影像进行处理，分别得到研究区域雷达升轨视线向时间序列累积形变量和降轨视线向形变量。由于时间序列累积形变量是基于日期排序的，不利于下一步的插值处理，因此在插值处理时首先将数据采集日期转换成了以天为单位的数据采集时间间隔，即以起始日期2016-02-26为基准时间0，将之后每一景数据的采集日期都转换为其与起始日期之间的间隔天数，转换后升轨数据采集时间间隔如表2所示。对降轨两景数据的采集日期做相同转换，则其对应时间间隔分别为104 d和140 d。将降轨数据的这两个时间间隔作为参考，在10景升轨SAR数据所得到的升轨视线向时间序列累积形变量中，用立方插值法对升轨视线向累积形变量进行内插，得到与降轨观测时间对应的累积形变量，作差处理后得到104～140 d时间段内升轨监测得到的形变量，完成时间配准。

图3 升降轨SAR影像覆盖范围

表2 升轨SAR数据采集时间间隔

在解算地表二维形变场之前，采用地形校正的方法对升降轨结果形变基准进行统一。升降轨数据处理过程中，两者采用相同的参考位置进行地形校正，避免基准出现偏差。然后，在相同的形变基准下完成地理编码，得到升降轨视线向形变量。最后，联合时间配准后的两个轨道的一维形变量，解算获取研究区域的视线向二维形变场。在二维形变解算过程中，仅对升降轨中具有相同位置的目标点进行处理。图4所示为时间配准前后升降轨视线向InSAR观测值的差异对比情况。

图4 时间配准前后升降轨InSAR观测值差异对比

图4(a)是未经时间配准的初始升轨InSAR观测值，代表升轨2016-06-01—07-19共48 d内的视线向形变量，图4(b)是经过时间配准后其对应的观测值，代表升轨2016-06-08—07-14共36 d内的视线向形变量，配准前后的观测值时间相差12 d，差异较大。由于研究区域属于地势较为平原地区，地下水的过度抽取是该地区产生地表形变的主要原因，地表整体形变是一个随时间缓慢变化的过程[13]，时间的差异对InSAR观测值有较大的影响。InSAR观测时间差异越大，相应的InSAR观测值差异越大。观察图4(a)和图4(b)，A，B，C和D分别为常州市城区、无锡市江阴地区、无锡市城区、苏州市城区。时间配准前，图4(a)中A，B区域InSAR观测值较大，地表形变变化较为明显，C，D区域InSAR观测值较小，地表形变变化相对较小。时间配准后，图4(b)中A，B区域InSAR观测值相对于配准前有所减小，C，D区域InSAR观测值几乎观察不到变化。通过对时间配准前后的升轨InSAR观测值之间做差处理，可以发现整个苏锡常地区的InSAR观测值均出现了一定的变化，差异结果如图4(c)所示。

为了进一步对比分析时间配准前后的结果，对图4(a)、图4(b)和图4(c)中A区域10个相同点位的数值进行对比，结果如图5所示。升轨InSAR观测值经过时间配准后，形变数值较时间配准前明显减小。一系列差值结果的数值表明时间配准对升轨InSAR观测值具有明显的作用。因此，该方法可以为下一步二维形变解算提供更准确的InSAR观测值。

图5 形变数值对比图

降轨InSAR观测值如图4(d)所示，对比观察时间配准后的升轨InSAR观测值和降轨InSAR观测值，两者形变位置分布相同，但监测结果量值存在一定差异。根据二维形变解算式(2)，联合配准后的升轨InSAR观测值和降轨InSAR观测值，得到苏锡常地区的垂直向形变量和水平东西向形变量，如图6(a)和图6(b)所示。解算结果表明，在垂直形变方面，苏锡常地区2016-06-07主要沉降区域分布在常州城区及无锡江阴地区，苏州市城区出现了整体的地表抬升；常州市城区的垂直沉降值范围主要分布在-8～-16 mm；无锡市城区整体地表形变趋势较为平缓，形变量-5～+5 mm。在水平东西形变方面，苏州市、无锡市和常州市三地主要城区整体呈现轻微水平西向形变，而苏锡常地区北部(临近长江区域)发生了水平东向形变，靠近山区、湖边以及长江的地区皆发生了较为明显的水平东西向形变。本文实验反演所得的苏锡常地区形变信息与相关部门公布的测量信息基本一致。实验结果表明，所提方法可以更加准确地反演地表二维形变场。

图6 研究区域地表二维形变场

4 结束语

本文基于升降轨InSAR数据解算地表垂直方向和水平东西方向的二维形变场，利用数值插值技术实现了升降轨模式下InSAR观测值的时间配准，减少了两者时间不一致对形变场反演精度的影响。实验结果表明，联合时间配准后的升降轨InSAR观测值可以更准确地反演地表二维形变场。

升降轨InSAR观测值不仅存在时间不一致的问题，也存在空间不一致的问题。由于本文实验区域主要为平原地形，其地表形变是长时间缓慢变化的过程，因此本文并未考虑不同地形对升降轨InSAR观测值的影响。如何解决升降轨InSAR观测值的空间不一致问题，以进一步提高升降轨InSAR数据二维形变场的解算精度，是本文下一步的研究方向。