1、基于數據改正大氣延遲分析     引言InSAR技術是近年來迅速發展起來的極具應用價值的空間對地觀測新技術，具有監測精度高、范圍大、成本低、空間連續覆蓋等優點，為高邊坡地質災害區監測提供了一種新型的監測方法。但由于地質災害多發生在暴雨頻發、地質地貌復雜的區域，特殊的地理位置與氣候使得InSAR技術應用中受大氣延遲的影響非常嚴重，大氣延遲誤差是InSAR技術的主要誤差源，嚴重時還會導致InSAR結果的錯誤解譯1。因此，必須要對InSAR觀測進行大氣延遲改正。本文針對地面GPS網絡的低空間分辨率給InSAR大氣延遲改正帶來的不利影響，提出了融合GPS和NCE

2、P全球分析最終產品FNL(Final)進行InSAR大氣延遲改正的新方法。將NCEPFNL得到的平均風速應用于“凝固流”假設理論，獲得“擴展”的濕延遲控制點，提高濕延遲分布圖的精度。1InSAR大氣延遲改正的研究自1994年Massonnet等2在利用InSAR研究1992年發生在美國南加州地區Laders地震時首次發現了InSAR干涉圖中的大氣效應后，眾多學者對消除或減弱InSAR中的大氣延遲的方法展開了研究。近年來，InSAR大氣延遲改正的理論及方法取得了快速的發展，國內外提出了多種改進InSAR大氣延遲的方法。以下介紹幾種主流的方法。1.1利用MODIS/MERIS水汽產品MODIS(M

3、oderateResolutionImagingSpectrorad-iometer)3的近紅外水汽產品比世界上最密集的GPS網絡美國南加州綜合GPS網(SCIGN)的密度還要高10倍以上。2005年國內許多學者提出融合MODIS和GPS數據的InSAR干涉圖改正方法4，5，但MODIS容易受到云的影響，且水汽產品存在系統誤差，需要進行改正。MERIS(MediumResolutionImagingSpectrometerInstrument)水汽產品與ASAR(AdvancedSyntheticApertureRadar)影像同時獲取，且得到的PWV空間分辨率高(300m×300m

4、)，精度也比MODIS還要高6，7，但其缺點是受云的影響更大。1.2利用PSInSAR技術常規DInSAR技術進行滑坡監測會受到相位失相關和大氣延遲影響，Ferretti8，9提出了僅僅跟蹤成像區域內雷達散射特性較為穩定的目標而放棄那些失相關嚴重的分辨單元的方法。這些目標(如建筑物的墻角、屋頂和裸露的巖石等)幾乎不受失相關噪聲影響，即使在多年時間間隔的干涉對中仍然保持較高的干涉相關性，把這些穩定的目標稱之為永久散射體(permanentscatterers，PS)。PSInSAR技術1012能克服傳統InSAR技術中的去相干性和大氣效應等困難，但利用PSInSAR技術進行InSAR大氣改正的缺

5、點在于，PS點通常分布于市區等人工建筑較多的地方或無植被覆蓋的山峰、山脊等有裸露巨石的地方，對于研究山體滑坡等地質災害受到了很大的限制，要得到準確可靠的結果，對同一區域內的SAR影像數量也有較高要求，一般需要至少30幅影像。1.3利用地面GPS觀測GPS具有高精度、全天候、可連續估計大氣延遲的優點，GPS氣象學的發展為精確反演對流層延遲提供了保障，亦為估計與改正InSAR大氣效應提供了一種新的方法，因而利用GPS進行InSAR大氣延遲改正的方法得到了越來越多的應用。但SAR影像與GPS測站的空間分辨率差異很大，很大程度上限制了大氣延遲分布圖的估計精度，為了對SAR影像進行逐像素的大氣層延遲改正

6、，必須對GPS獲取的大氣延遲進行加密插值，Janssen等13對反距離加權平均(IDW)、克里格(Kriging)、三次樣條三種不同的插值算法用InSAR大氣改正的效果進行了比較，結果表明反距離加權平均插值和克里格插值法比三次樣條插值算法效果更佳;李志偉14提出了一種新的大氣校正的方法，通過計算出平均大氣延遲，然后利用GPS探測到的大氣延遲對平均延遲進行修正，彌補了SAR干涉圖水平方向上各向異性的問題。但GPS改正InSAR大氣延遲仍然存在限制，當GPS測站附近的氣象觀測缺失時，大氣延遲估計精度會降低，GPS采集數據連續運行站點之間的間隔一般為幾十千米不等，測站點過于分散會降低觀測精度，增加觀

7、測站的密度會受到地理環境和運作成本等因素的限制，即使設立臨時性、低成本的觀測點，效果仍然非常有限。針對以上幾種方法存在的問題，本文提出了一種新的改正InSAR大氣延遲的方法。2GPS和NCEPFNL數據改正InSAR大氣延遲2.2基于“凝固流”假設的InSAR大氣改正方法“凝固流”假設由泰勒于1938年提出17，該假設認為在平均風速的驅使下，空氣流在平移過程中處于“凝固”狀態，即在某一固定點上觀測到的時間上的延遲波動是由某一折射率場在平均速度為V的流的驅使下，經過該點時產生的空間波動引起的，“凝固流”假設的主要思想是空氣流在平均風速的驅使下進行平流輸送?！澳塘鳌奔僭O運用到空氣中的三維濕折射率

8、Nwet(x，y，z，t)的數學描述可以表示為:Nwet(x，y，z，t)=Nwet(xut，yvt，z，0)(1)(x，y，z)表示空間的三維坐標，t表示時間，u，v分別表示水平方向的緯向風和經向風?！澳塘鳌奔僭O研域平均風速U空間上為常數，但隨著時間變化，則指定空間位置(x，y，z)上的濕折射率可以認為是在之前時刻t，由另一空間位置(xut，yvt，z)上的濕折射率通過平均風速U=(u，v)的平流傳輸得到的。2.3平均風速的估計為了利用GPS天頂濕延遲(ZWD)時間序列估計平均風速，假設研究區域內的GPS天頂濕延遲(ZWD)在空間上的統計特性為各向同性，且在時間上服從廣義穩態隨機過程18，

9、則兩個GPS測站上時間連續的ZWD間的互相關函數可表示為:到的濕延遲分布不能真實反映濕延遲空間分布狀況。基于泰勒提出的“凝固流”假設，Onn19將這種思想用于InSAR大氣改正，并指出這種方法比僅用GPS觀測時更為有效。其中，準確地估計研究區域的平均風速是至關重要的。平均風速的大小及方向決定了“擴展”的ZWD控制點的位置，決定了基于這些控制點插值得到的濕延遲分布圖的精度，從而決定了該方法對InSAR大氣延遲效應的改正效果。但是，將研究區域內ZWD的變化全部歸因于平均風速的變化是不嚴密的，GPSZWD的變化是多方面因素的綜合結果，除了與風速有關外，還與研究區域的溫度等其它氣象因素有關。2.4改進

10、的InSAR大氣改正方法針對上述問題，本文提出了融合GPS和NCEP全球分析最終產品FNL(Final)改正InSAR大氣延遲的方法。本方法的思想就是“以時間換空間”。利用NCEPFNL對研究區域的平均風速矢量進行估計時，首先獲取UTC時間00h，06h，12h和18h上的平均風速的u分量和v分量序列，然后將u分量和v分量序列插值到SAR影像過境時刻。在利用NCEPFNL資料獲取了研究區域內的平均風速后，即可利用“凝固流”假設，通過式(1)來獲取空間分辨率更高的濕延遲控制點。假定GPS天線的位置為(xg，yg)，則在時刻tni該GPS測站獲取的ZWD可以平流輸送至SAR影像獲取時刻ti的新位置

11、(x，y)。式(1)可表示為:表示平均風速估計的間隔。式(8)中，T表示主副影像獲取時刻ti前后的時間窗口大小。改進的融合GPS觀測和NCEPFNL的InSAR大氣改正方法以GPSZWD的時間分辨率來換取ZWD控制點的空間分辨率。利用“擴展”的ZWD控制點，通過IDW等插值方法即可得到更精確的ZWD分布圖，從而更好地用于InSAR大氣延遲改正。3實驗結果與分析3.1數據來源選取兩幅搭載在ENVISAT上的ASAR傳感器在江蘇東南部地區獲取的SAR影像進行干涉處理與分析，主副影像的獲取時間分別為2008年12月22日和2009選取圖2影像的左下角的區域作為研究區域，對提出的算法進行試驗研究與分析。GP