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四川测绘第 26 卷第 3 期 2003 年 9 月 99 应用合成孔径雷达干涉技术监测矿区地表形变 赵华 （中国矿业大学国土资源研究所，江苏 徐州 221008） [ 摘要] 由于雷达具有全天候和穿透性等特点，促使干涉合成孔径雷达和差分干涉合成孔径雷达测量技术成为当前研 究的热点。本文介绍S A R 系统的几何特征及其干涉原理，着重探讨差分干涉雷达技术在矿区地表形变监测中的应用。 [关键词] 干涉合成孔径雷达; 地表形变; 监测 [中图分类号]P258 [文献标识码] A [文章编号]1001-8379200303-0099-05 APPLICATION OF SATELLITE RADAR INTERFEROMETRY FOR MONITORING THE DEATION OF MINING AREA ZHAO Hua Institute of Land Resource, China University of Mining deation; monitoring 1 引言 雷达（Radio detecting and ranging，缩写为Radar） 是一种使用微波探测目标的成像技术，目前有真实孔 径雷达（Real Aperture Radar, 简称 RAR）和合成孔径 雷达 Synthetic Aperture Radar, 简称SAR两种类型。 1951年Carl Wiley首次发现多普勒频移 （Doppler shift） 现象可以逻辑合成一个更大的雷达孔径，极大地改善 真实孔径的方位向（Azimuth）分辨率[1]，从而掀起合 成孔径雷达理论研究高潮和扩大雷达技术应用领域。 20 世纪 90 年代以后，欧美等发达国家对机载和星载 （包括航天飞机）的合成孔径雷达的理论和应用进行 了一些研究，获取了大量商用SAR图像[5]，如美国的 SIR-C/X- SAR、欧洲空间局ERS-1/2、日本的JERS- 1、 加拿大的 RADARSAT、欧共体 ENVISAT 等 SAR图 像。虽然现在可以获得 SAR数据，但是 SAR系统记 录的物体散射信息强度和相位中， 包括双程传播路径、 地面分辨率单元之内的各元素的相互作用和图像的处 理系统造成的相位偏移。 所以， 单张SAR图像精度很 差和应用意义价值不高。 如果从不同视角获取的 SAR 图像，利用它们的相位差或干涉条纹（即干涉合成孔 径雷达测量技术）可以产生数字高程模型（DEM）和 改善分辨率（达到米级）[2] [6] [10]。 干 涉 合 成 孔 径 雷 达 Interferometric Synthetic Aperture Radar, 简称 InSAR测量技术是利用一条短 基线（从几米到大约一公里）通过相邻航线上观测的 同一地区的两幅 SAR 影像的相位差来获取高程数 据。 现在的星载SAR系统以一定时间间隔和轻微的轨 道偏离（相邻两次轨道间隔为几十米至一公里左右） 重复成像， 借助覆盖同一地区的两个SAR图像的干涉 处理和雷达平台的姿态数据重建地表三维模型（即数 字高程模型，DEM）的精度在 120米的范围内[2]。 1989 年 Grabriel 等首次论证了利用差分干涉 （Differential InSAR，简称 D-InSAR）技术可用于探 测厘米级的地表形变，并利用RADARSAT 的 L波段 测量美国加利福尼亚州东南部的英佩瑞尔河谷 （Imperial Valley）灌溉区的地表形变。20世纪90年 代后期， 部分学者通过实验证实D-InSAR对地球表面 形变监测的精度可达毫米级精度Fujwara 等，1998； Massonnet 等，1997；Nakagawa 等，1997。 随着不同分辨率的 SAR 数据获得和差分干涉合 成孔径雷达理论的完善，合成孔径雷达将从实验阶段 走向应用阶段，并且会扩大到许多领域。 2 合成孔径雷达的应用现状及其在矿区地表形变监测 中应用意义 2.1 合成孔径雷达的应用现状 合成孔径雷达技术从 20 世纪 50 年代产生到 20 世纪90年代初主要处于实验研究阶段， 20世纪90年 代以后开始进行局部应用， 如利用 InSAR和D-InSAR 测绘地表图形如美国应用 InSAR测绘山区地形图和 海洋表面图（如利用测高原理测量海平面变化） 、以 cm 级或 mm 级的精度监测地表位移和制图（特别适 合监测地震和火山爆发） 、 检测冰川漂移、 观测地壳构 100 四川测绘第 26 卷第 3 期 2003 年 9 月 造变化、监测由于地下资源开采引起的地表形变（如 德国、澳大利亚、美国等应用D-InSAR监测矿区地表 形变研究、我国香港监测地下水开采对地表的影响） 、 研究地表植被变化以及采集地质参数等。 综合而言，合成孔径雷达的应用现状具有以下特 点⑴合成孔径雷达的应用是在干涉技术和差分技术 产生以后，逐步开展起来的；⑵所有的应用都以利用 干涉原理反演数字高程模型（DEM）为基础；⑶随着 SAR图像分辨率的提高和数据处理理论的完善，合成 孔径雷达的应用领域不断扩大， 特别为监测地面沉降、 山体滑坡等引起的细微持续的地表位移提供了机遇； ⑷合成孔径雷达的应用主要集中少数发达国家，我国 在这方面还处于研究阶段（如提高DEM反演精度） ， 应用方面基本上为空缺。 2.2 应用 D-InSAR监测矿区地表形变意义 矿产资源的地下引起地表形变，这种沉降有时达 到每年几个分米（dm）[7]，极大的破坏了土地资源和 矿区环境。为了最大限度不影响土地资源的有效利用 和控制环境过度影响，需要建立更加详细的矿区地表 形变的预测系统。近几年，世界上一些发达国家（如 德国、澳大利亚、美国等）开展应用部分现代测绘技 术（机载激光扫描（Airborne Laser Scanning，ALS） 和合成孔径雷达干涉技术（D-InSAR） ）进行矿区地表 形变的研究， 取得了一定的成果（Spreckels 等， 2000； Jamie Hansen等，2000；Linlin Ge等，2001） 。并且， 为了更好的提高矿区地表形变的精度，提出了综合干 涉合成孔径雷达（InSAR）和全球定位系统（GPS） 的监测矿区地表形变的方法[8]（Linlin Ge等，2001） 。 由此可见 应用SAR技术进行矿区地表形变监测已经 取得了一定的成果，并且是今后矿区地表形变监测发 展的趋势。 而我国作为一个矿产资源开采大国，矿产资源开 产造成大量由于地表形变的废弃土地，威胁着其他环 境和财产的安全。虽然从20世纪90年代末起，我国 部分学者和科研人员进行合成孔径雷达（SAR）技术 方面的研究，也应用合成孔径雷达干涉技术生成数字 高程模型（DEM）和其在地层变化监测中的应用（肖 平等，1998；丁晓利等，2000） 。但是，他们取得了一 定的成绩的研究范围主要集中在自然地层变化或地下 水开采对地表形变的影响，这种地表形变与矿产资源 开采引起的沉降原理不同（地下水开采地表形变一般 是较大区域较慢的平稳沉降；而矿产资源开采一般在 相对较小的工作面上方形成塌陷盆地，促使较大区域 内地表形式变化复杂） 。 所以， 针对世界和我国应用D-InSAR技术监测矿 区地表形变的现状和现代遥感技术的发展状况，我国 需要应用D-InSAR技术监测矿区地表形变。首先，我 国目前主要使用的 GPS 监测网只能得到离散点位数 据， 难以全面监测矿区的地表形变。 而SAR可以弥补 不足；其次，航天和航空遥感事业的迅速发展、遥感 数据处理理论的逐步完善以及遥感产品多样化，提供 了快速监测矿区地表形变的手段；第三，地表形变随 着资源的开采还会加剧，研究应用 D-InSAR 技术监 测，可以达到矿区环境破坏的最小控制和指导资源开 采；第四，加快我国合成孔径雷达应用研究的步伐， 缩短我国在合成孔径雷达应用领域与世界的差距。 3 合成孔径雷达系统成像原理与特点 3.1 合成孔径雷达成像原理 SAR 是一种以角度θ和一定覆盖范围的微波脉 冲观测地球表面，同时记录能量和相位的技术（几何 结构如图1所示） 。成像过程是将三维物体 （如地表形 态）转化为二维雷达坐标--射程（或距离）和方位 射程（或距离）是地表上的点到SAR传感器的距离， 方位是传感器的移动路线。SAR图像同时记录两个信 息亮度（或能量）记录物体反射微波的能力；相位 同时记录光传播的位移和微波从传感器发射经物体反 射传播的延续 ps φφφ R p λ π φ 4 其中R为射程，λ为微波波长。 图 1 合成孔径雷达几何特征 3.2 雷达干涉技术的基本原理 合成孔径雷达干涉技术就是用不同轨道的 SAR 图像， 采用立体仪原理重建地面模型。 在处理过程中， 合成孔径雷达干涉技术主要是利用 SAR 信号的相位 测量微波的精确立体视差，精度可以达到千分之几的 单元格。则相位差可根据干涉合成孔径雷达结构（如 四川测绘第 26 卷第 3 期 2003 年 9 月 101 图 2）得到 121 ,2,12 4 RR pp −−−∆ λ π φφφφφ 其中假定传播相位不变，即 2,1 ,ss φφ。 由此可见，相位差φ与雷达侧视角度无关，与射 程差 12 RRR−∆有关，即依赖于地面高程h。 所以，根据干涉合成孔径雷达反演地表形态原理 和两张SAR图像具有较短基线的特点， 可以得到影响 高程的相位敏感的表达式为 θλ πφ sin 4 R B h ⊥ ≅ ∂ ∆∂ 可以近似得到 φ π θλ ⊥ B R h 4 sin ，即得到地面高程。 图 2 干涉合成孔径雷达结构示意图 3.3 雷达差分干涉测量技术的基本原理 差分干涉合成孔径雷达技术主要可以用于监测地 表形变（成像几何示意图如图3） 。当基线0B时， 路程差δ变化2/λ，干涉图中的亮条纹和暗条纹变 化一次。当0≠B时，δ就随目标高程变化而变化， 干涉图中的条纹代表地形高度。所以，为了消除地形 影响和求出地表形变，则需要对同一目标进行三次测 绘。用跨越不同时间的三幅雷达复数图像分别形成两 张干涉图 （如图4中， 2 φ含地表形变与地形两种干涉； 1 φ只含地形干涉） ，经过各种数据处理后，再让两张 干涉图像进行差分处理， 形成一张抵消地形影响的 “双 差分干涉图” ， 这时条纹就代表监测期间地表形变。（处 理流程如图 4） 图 3 D-InSAR 几何成像示意图 图 4 差分干涉处理流程 4 应用 D - I n S A R 监测矿区地表形变的方法 4.1 S A R 图像的选择 作为检测矿区持续微小变化区域，对图像的要求 很高，所以要求图像的质量很好。由差分干涉合成孔 径雷达处理流程可见干涉相位质量是影响监测精度 的关键因素。覆盖同一区域的合成孔径雷达图像相位 信号相关性很低，干涉图像质量就很差，甚至处理失 败。目前，提高相位相关性的方法主要有选择合理的 时间间隔、基线长度以及进行滤波处理。所以，选择 合理的合成孔径雷达数据对整个监测过程十分重要。 102 四川测绘第 26 卷第 3 期 2003 年 9 月 表 1 目前运行的星载 SAR 系统指标参数 ERS-1/2 JERS Radarsat SRTM Envisat 波长 C L C C 和 X C 单轨迹/重复轨迹 重复轨迹 重复轨迹 重复轨迹 单轨迹 重复轨迹 重复周期 3或 35天 串方式1天 44天 24天 N/A. 35天 全球覆盖 轨道精度 - - 入射角度 23 40 1060 2060 1339 精度 25m 25m 10100m 30m 30m1km 幅宽 100km 100km 最大500km 225km 100400km 扫描 SAR 选择 没有 没有 有 有 有 4.2 数据处理方法与流程 图 5 合成孔径雷达差分干涉测量数据处理流程 复相干图像 1 单视干涉条纹图 1 单视干涉条纹图 2 复相干图像 2 相位解算 1 平地效应消除 1 相位解算 2 平地效应消除 2 基准辅 SAR 复图像 基准主 SAR 复图像 基准辅 SAR 复图像 复图像粗配准 复图像精配准 辅图像重采样 观测图像重采样 复图像精配准 复图像粗配准 辅图像滤波 主图像滤波 观测图像滤波 合成孔径雷达测量数据 矿区地表形变 差分干涉测量 四川测绘第 26 卷第 3 期 2003 年 9 月 103 但是， 目前能够获得的 SAR图像有SIR-C/X-SAR 数据、ERS- 1/2 数据、JERS- 1 数据、Radarsat 数据、 SRTM 数据和 Envisat 数据等多种（星载 SARs 和 InSAR系统的指标参数如表1） 。所以，矿区地表形变 监测的第一步就是选择图像。 首先，SIR-C/X-SAR数据是由美国和平号航天飞 机飞行获得的（分别于1981年、1984年和 1991年飞 行三次） ，数据量少，又缺少连续性，不适合用于矿区 地表形变的监测。 其次， 几种星载SAR系统指标参数 都可以用于差分干涉处理，但比较而言，ERS数据具 有以下优点ERS系统目前有两颗轨道参数相同的卫 星，它们串工作方式只间隔一天，容易获得认为没有 形变参考干涉图像；ERS- 1与 ERS-2串工作方式下有 比较适中的基线。所以，ERS数据比较适用矿区连续 形变的监测和提高监测精度。 利用 D-InSAR 进行矿区地表形变监测主要是建 立三维地形（或地貌图） ，其方法是根据两个 SAR复 图像提取地面各点的相位差，用相位差解算电磁波路 径差，获得地面各点高程遥感，形成三维地貌图。在 整个恢复地面三维模型中的核心技术是数据处理技 术。数据处理步骤为①原始数据成像处理，获得地 面二维单视复数图；②像素的配准（粗配准） ；③预滤 波；④亚像素的配准（精配准） ；⑤干涉处理；⑥水平 相差修正；⑦降噪滤波；⑧二维相位展开；⑨相位高 程变换[12]。综合干涉处理过程和差分原理，整个监测 过程的数据处理流程如图 5。 4.3 关键技术 4.3.1 基线选择 基线是合成孔径雷达干涉技术的基础，决定着干 涉系统的特性。所以，在进行监测中要选择好干涉合 成孔径雷达系统的特有参数------ 基线。根据干涉合成 孔径雷达系统的原理分析基线B越大，相位差和基 线长度的不确定性引起的高度误差越小，相同的高度 变化引起的干涉条纹越密，即系统对高度变化的反映 能力强； 同时， 基线有引起雷达图像之间在几何关系、 频率成分等方面的差异，降低信号的相干性，甚至不 能得到相干条纹。[13] 4.3.2 InSAR数据的改正 InSAR数据的误差主要来源于相位误差、轨道改 正和大气影响。对于建立DEM模型中 InSAR数据的 误差改正研究已经建立了多种改正模型，如相位误差 改正的近似数学模型、轨道归正的物理参数修正模型 和利用GPS连续观测站数据近似减弱大气影响等。 而 这些模型也基本上处于一种新的研究方向，具体效果 说法不一，但肯定可以提高数据精度。所以，InSAR 数据改正研究和表达模型建立是采用合成孔径雷达干 涉技术监测矿区地表形变的难点和关键技术之一。 5 讨论与结论 ⑴干涉合成孔径雷达技术已经从实验研究阶段开 始向应用阶段发展，相对传统的遥感立体解析方法而 言，此技术是一种新技术，还需要进行加强研究和具 有发展前途； ⑵差分合成孔径雷达干涉技术理论几十年的逐步 完善和发展，现在已经日趋成熟。可以用来监测矿区 资源开采引起的地表形变。 在目前的一般处理技术下， 可以监测 cm级的地表形变； ⑶目前，世界上多数发达国家已经应用差分合成 孔径雷达干涉技术监测矿区地表形变、自然灾害和其 他资源开采引起的相关地表变化；而我国在应用差分 合成孔径雷达干涉技术监测地表形变方面基本上处于 研究阶段，在矿区地表形变监测方面是空白； ⑷我国已经可以拥有应用 SAR 数据反演地面高 程模型（DEM）技术，为我国应用差分合成孔径雷达 干涉技术监测矿区地表形变带来机遇和提供可能性； ⑸我国资源开采，特别是煤炭资源的地下开采地 表沉降区域一般为农业、草原等用地，地表形变区域 建筑物相对较少，厘米级的形变监测精度可以满足监 测要求。并且，从监测数据中可以提取景观参数，能 为景观生态治理矿区环境和进行矿区土地复垦服务； ⑹对于建筑物较集中或精度要求高的矿区地表形 变， 目前可以进行采用GPS连续观测站的观测参数进 行修正，如利用双频G P S 接收机测得天顶总延迟和电 离层电子含量数据，校准I n S A R 大气层对信号相位延 迟，提高I n S A R 干涉测量精度 [ 1 1 ] 。这种方法在理论上 可以达到毫米级精度， 并且在部分实验中得到验证[8]。 致谢在此文写作过程中，我的导师卞正富教授 提供了大量资料和提出修改意见。 参考文献 [ 1 ] C u r l a n d e r J C . S y n t h e t i c A p e r t u r e R a d a r S y s t e m a n d S i g n a l P r o c e s s i n g [ J ] . W i l e y 2 . 湖南省地质研究所 湖南长沙 4 1 0 0 0 7 ） [ 摘要] 针对目前数字地图应用中通常只使用单幅地图，从而在功能上受到一定限制的情况，本文提出实现多 幅地图无缝连接并能漫游的设想，说明了实现这种功能的方法。 [关键词] 数字地图; 连接; 漫游 [中图分类号]P208 [文献标识码] A [文章编号]1001-8379200303-0104-03 BASIC OF SEAMLESS CONNECTION AND ROAMING ABOUT DIGITAL MAPS WEN Yu-shu1 ZHENG Pu-hong2 1. National University of Defence Technology,Changsha 410111,China; 2. Hunan Institute of Geology, Changsha 410111,China AbstractThe article puts forwards the tentative idea of realizing seamless connection of several maps as well as roaming, and explains the s about how to make them, in accordance with the usage of single-map which is functionally limited in common application of digital maps at present. Key words digital maps; connection; roam 随着计算机技术的广泛应用，数字地图逐步形 成和发展为一种非常重要的测绘产品，其应用也日 益广泛。但是，目前应用的主要方式是对单幅的地 图上进行操作，实现显示、放大、缩小和漫游等功 能。在制作数字地图时，为了满足精度和清晰度等 方面的要求以及受到单幅地图文件存储容量的限 制，一幅地图的大小总是有一定的大小限制。这样 不可避免地存在一些明显的不足之处，比如不能显 示足够大的面积，不便于在地图的边界及跨图作业。 针对这种情况，本文提出一种实现数字地图无缝连 接并能在众多地图上实现漫游的方法。 1 数字地图的选取 数字地图一般以文件的形式存储，按照其数据 I n t e r f e r o m e t r y [ J ] , P r o c e e d i n s o f t h e F i f t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n L a n d S u b s i d e n c e , T h e H a g u e , T h e N e t h e r l a n d s . 1 9 9 5 , 1 3 9 - 1 4 8 . [ 5 ] 丁晓利, 陈永奇, 李志林, 等. 合成孔径雷达干涉技术及其 在地表形变监测中的应用[ J ] . 紫金山天文台台刊, 2 0 0 0 1 9 , 1 5 8 - 1 6 7 . [ 6 ] 肖平, 万剑华. 合成孔径雷达干涉测量技术及其在生成 D E M 和 监 测 地 层 变 化 中 的 应 用[ J ] . 测 绘 通 报, 1 9 9 9 , 6 , 2 - 4 . [ 7 ] S p r e k e l s V o l k e r a n d C / O . M o n i t o r i n g o f C o a l H a r d M i n i n g S u b s i d e n c e b y A i r b o r n e H i g h R e s o l u t i o n D i g i t a l S c a n n e r D a t a [ J ] . [ 8 ] L i n l i n G e , C h r i s R i z o s , S h a o w e i H a n a n d H o w a r d Z e b k e r . M i n i n g S u b s i d e n c e M o n i t o r i n g U s i n g t h e C o m b i n e d I n S A R a n d G P S A p p r o a c h [ J ] , T h e 1 0 t h F I G I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n D e f o r m a t i o n M e a s u r e m e n t s . [ 9 ] H G r i f f i t h s . I n t e r f e r o m e t r i c S y n t h e t i c A p e r t u r e R a d a r [ J ] . E l e c t u o n s C o m m u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g J o u r n a l . 1 9 9 5 , 2 4 7 - 2 5 6 . [ 1 0 ] 袁孝康. 干涉式合成孔径雷达的理论与设计约束[ J ] . 上海航天, 1 9 9 9 , 5 , 7 - 1 4 . [ 1 1 ] 金双根, 朱文耀. G P S观测数据提高 I n S A R干涉测量精度 的分析[ J ] . 理论研究. 1 9 9 9 , 4 , 8 - 1 1 . [ 1 2 ] 穆冬, 朱兆达, 张焕春. 干涉合成孔径雷达成像技术研究 [ J ] . 遥感技术与应用. 2 0 0 0 , 1 5 , 2 5 6 - 2 6 0 . [ 1 3 ] 胡庆东, 毛士艺, 洪文. 干涉合成孔径雷达系统的最优基 线[ J ] . 电子学报. 1 9 9 9 , 2 7 , 9 3 - 9 5 . [收稿日期] 2003-05-18 [作者简介] 赵化 1977－ , 男, 江苏兴化人, 中国矿业大学国 土资源研究所研究生, 主要研究土地资源管理、GIS 和 RS 应 用等。