geowatchinsar數(shù)據(jù)處理技術(shù)及在天津地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

1、 A f ＼ 0A00—■ 上海地質(zhì) 蠢Ge o W a t c hI n S AR數(shù) 據(jù) 處 理 技 術(shù) 及 在 天 津 地 面 沉 降 監(jiān) 測 中 的 應(yīng) 用 M i c h a e lZ h a o，林 輝 ( 1 ． 加拿 大對地觀測技術(shù)有 限公 司，加拿大 多倫 多；2 ． 香港 中文大學(xué)太空與地球 信息科學(xué)研 究所 ，香港 新界)摘 要 ：本文介紹 了一種新的星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)( G e o Wa t c

2、 hI n S A R 技術(shù)) ，具有 下述特點(diǎn)和 優(yōu)勢 ：1 ． 對城市和郊 區(qū)農(nóng)村全面連續(xù) 覆蓋 ，不 僅包括建筑物 ，而且包括路面 、廣場 、飛機(jī)跑道等其他地 物和半植被 覆蓋的自然地區(qū) ；2 ． 合成處理多景／ 多波段／ 多模 式／ 多極化／ 多軌道／ 多衛(wèi)星平臺的數(shù)據(jù) ，從 而縮短觀測時間 ，提高精度和覆蓋 ；3 ． 所 有結(jié)果為真正射投影圖像 ，支持各種 比例尺和范圍的面狀連續(xù) 監(jiān)測 ；4 ． 支持E R S — l &am

3、p;2 、 E NV I S A T 、AL O SP A L S A R、J E R S 一 1 、R AD A R S A T - 1 & 2 、 T e r r a S AR、C OS MO —S k y Me d( c s K) 和將來中 國的H J I & J 、 雷達(dá)衛(wèi)星群 。用此技 術(shù)處理 了天津 地區(qū)的E NV I S A T 數(shù)據(jù) ，得到了范圍 ( 抽樣間隔) 分別為 1 0 0 k mx 1 0 0

4、k m( 5 0 mx 5 0 m) 、天津市( 2 0 mx 2 0 m) 、廊坊市( 1 5 mx 1 5 m) 及勝 芳鎮(zhèn)( 7 mx 7 m) 的 全面連續(xù) 的地 面沉降率 圖像 ，顯示 了它在地面沉降監(jiān)測中的獨(dú)特優(yōu) 勢和應(yīng)用 前景 。關(guān)鍵 詞 ：I n SA R；S A ~；合 成孔徑 雷達(dá) ；地面沉 降 ；干涉 ；Ge o Wa t c h ；數(shù)據(jù) 處理 ；天津 中圖分類號 ：P 2 3 7 ；P 6 4 2 ． 2 6文獻(xiàn)

5、標(biāo)識碼 ：A文章編號 ：1 0 0 4 — 2 3 0 X ( 2 0 1 0 ) 0 4 — 0 0 2 9 — 0 71ln S AR 技術(shù)在地面沉 降中的應(yīng)用概況和 問題 I n S AR 技術(shù)在地面沉 降 中的應(yīng)用 已經(jīng)獲得 了大量 驗證， 被證 明是一種切實(shí)可用的新技術(shù)， 正進(jìn)入 廣泛推 廣應(yīng)用 階段 。歐洲 空間局正在進(jìn)行 一項龐大 的項 目? ，組織歐洲各 國的I n S AR 技術(shù)公司和地 質(zhì)調(diào)查局等應(yīng)用 機(jī)構(gòu)聯(lián) 合進(jìn)行

6、 推廣使 用，目標(biāo) 是建立 并運(yùn)行 覆蓋整個 歐洲大地 的地 表運(yùn)動監(jiān) 測服務(wù) 體系和業(yè)務(wù) 。 中國有 關(guān) 部門也在大力推廣應(yīng)用這項技術(shù) J 。I n S AR 技術(shù)之所 以被如此重視， 關(guān)鍵在于它是 目前 世界上 唯一 的一種大范 圍面監(jiān)測技術(shù)， 具有G P S 等其他 點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)無 可 比擬的連續(xù)大 范圍高分辨率 覆蓋的獨(dú) 特優(yōu)勢 。然而， 它 這獨(dú)特優(yōu) 勢現(xiàn)在 還沒有 被充分 發(fā)揮 玉 收 稿 日 期 ： 2 0 1 0 — 0

7、 8 — 2 8修 訂 日 期 ： 2 0 1 0 — 1 O - 2 9作 者 簡 介 M i c h a e lZ h a o ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 雙 碩 士 ，首 席 技 術(shù) 宮 ， 主 要 從 事 遙 感 技 術(shù) 研 發(fā) ．電 子 郵 箱 ： m z @ g e o w a t c h t e c h ． c o r n單 位 網(wǎng) 址 ： h n p ： ／ ／ 、 v 、 v w ． g e o w a t

8、 c h t e c ht o m ／出來， 受限于兩個方 面： ( 1 ) 地 表幾何 形狀 和結(jié)構(gòu) 、植 被 覆蓋 、大 氣干擾和軌道誤差 等 自然原 因； ( 2 ) 數(shù)據(jù)處 理算法和軟件等 自身技術(shù)水平。目前世界上該 技術(shù)主要分為下述兩種”6 】 ：( 1 ) 差分干涉 ( D — I n S A R ) 技術(shù) 這 種技術(shù) 的優(yōu)點(diǎn)是 以面的形 式產(chǎn)生結(jié)果 ， 弱 點(diǎn)是 結(jié)果 的精度不均 勻穩(wěn)定， 受地表幾何形狀和結(jié)構(gòu) 、植 被

9、覆蓋 、大氣干擾和軌道誤差的影響很大 。( 2 ) 永久散射 體( P S — l n S AR ) 技術(shù)和 角反 射器 ( C R —I n S A R ) 技術(shù) 這種 技術(shù)針 對差分干 涉技術(shù) 的弱點(diǎn)， 從雷達(dá) 圖像 中選取 不受地表幾何 形狀 和結(jié)構(gòu)及植被 覆蓋 影響的相 干點(diǎn)( 自然界 的永久散射體 和人工架設(shè) 的角反射器) ， 只 在這些相 干點(diǎn)上計算， 并用幾 十 ( 一般大于 四十)幅在 不 同 時間 獲取 的 圖像 來濾

10、 除大 氣 干擾 和軌 道誤 差 的 影 響， 從 而在這 些相干點(diǎn)上 得到 了高精度可 實(shí)用 的結(jié) 果 。但是， 這種技術(shù)在提高結(jié)果精度 的同時， 也帶來 了 覆蓋減 少而且不 均勻， 難 以連續(xù)覆蓋 自然地 區(qū)的副作 用。原 因在于 角反射 器是根據(jù)雷達(dá)信 號特性而特別設(shè) 計 和制造 的一種 硬件設(shè)備， 被架設(shè)在要 監(jiān)測的地表上，其 作用相 當(dāng)于一個理 想 的點(diǎn)反 射體，由于制造 、安 裝 和維 護(hù)等成本 和條件 原 因， 角反射

11、器 目前 只能少量鋪 2 0 1 0 年第3 1 卷第4 期 ( 總第 116 期 )2 9理 S AR 數(shù)據(jù) 處理技 術(shù)( 算 法和 軟件) 有 幾十年 的發(fā)展 歷 史。最早只產(chǎn)生灰度 圖像， 后來有幾何 糾正和地 理編 碼， 那時 的衛(wèi) 星圖像 的分辨率還在幾 十米級別， 直到上 世 紀(jì)九十年代才開始研 究使用相 位信息做干涉 ， 而P S —I n S AR 和 C R - I n S AR 技術(shù)是近十年才發(fā)展起來 。 可見，S

12、 AR的成 像 、幾何 糾正和地理 編碼 、干涉 這三大 處理 產(chǎn)生 于不 同的 時期， 雖 然它們 后來 在發(fā)展 中有 相互 影 響促進(jìn) ， 但是 基本上 還是 相互 獨(dú)立 、缺乏 密切配 合 的 模塊 和步 驟 ， 從 而 影 響 了最 終結(jié)果 的 質(zhì)量 。針 對 這些 欠缺不足， Ge o Wa t c h 公司設(shè)計 了將三 大處理緊密結(jié)合 的一 體化完整 通用 處理 流程 和算法 ， 不僅 能處理 現(xiàn)在 的E R S 一 1 &

13、amp; 2 、E N VI S A T 、AL 0SP AL S AR 、J E R S 一 1 、R A DA R S A T - 1 ＆2 、T e r r a S AR 和C OS MO— S k y Me d ( C S K )的數(shù)據(jù)， 還為處理將來 的新型S AR 系統(tǒng)做好 了準(zhǔn)備 。這 些 將來 的 新型 s AR系 統(tǒng)包 括 中國計 劃 明年 發(fā)射 的 H J — l d , 雷達(dá)衛(wèi) 星群 。此外， 針對I n S A

14、R 技術(shù)龐大復(fù)雜和難 以使用的問題 ，Ge o Wa t c h 公司推 出了為廣大非專業(yè)客戶精心打造 的專 業(yè)軟件和服務(wù)， 為客戶提供一站 式整體解決方案 。3G e o W a t C h 技術(shù)在大范 圍連續(xù)監(jiān)測天津地 面沉 降中的應(yīng)用 天津地 區(qū)是 中國比較嚴(yán)重 的地 面沉降地 區(qū)”川， 沉 降區(qū)很大， 尺寸上 百千米， 包括相 鄰的廊坊市 區(qū)和廣大 的郊 區(qū)農(nóng)村 。I n S AR技術(shù)早 已應(yīng)用于對 此地 區(qū)的沉 降 監(jiān)測， 并

15、報道 了許多結(jié)果 。 但 是， 據(jù) 我們所知， 采用的 主要是P S — I n S AR 和C R — I n S AR 技術(shù)， 其結(jié)果都只覆蓋 了 人工 建筑 較多 的市 區(qū)和城鎮(zhèn) ， 對廣 大 的郊 區(qū)農(nóng)村 因缺 少足 夠密 的相干 點(diǎn)而難 以覆 蓋 。 然而， 若 能得 到一個 1 0 0 k mX1 O O k m的大 范圍全面 連續(xù)的地面沉 降率 圖像，則對監(jiān)測分析 很有 利， 可以對 這地 區(qū)的沉 降有個整 體全 局的審視

16、和把 握， 偵察 出新的漏斗， 看出和分析發(fā)展趨 勢， 并對地 下的水 文地質(zhì)環(huán)境 結(jié)構(gòu)有 所推測 。 為 此，我們用新技術(shù)做 了嘗試， 處理 了1 7 ~ ． E N V I S A T AS A R 數(shù) 據(jù) ， 得到 了1 0 0 k m×1 0 0 k m的大范 圍連續(xù)小 比例尺 的地 面沉 降率 圖像， 和天津市 、廊坊市及勝芳鎮(zhèn) 的連續(xù) 中大 比例尺 的地面沉降率 圖像 ， 細(xì)節(jié)如 下。0A N 0i A IC E

17、O L0 G Y 上 海 地 質(zhì) 3 ． 1輸入數(shù)據(jù) 處理的S AR 輸入數(shù)據(jù) 是2 0 0 3 ． 0 4 ． 2 5 至2 0 0 6 — 0 3 — 1 0 期 間拍攝的1 7 景E N VI S A TA S ARC 波段S L C圖像數(shù)據(jù)， 所 有 數(shù)據(jù)在 同一重復(fù) 的降軌軌道 上。采用了荷蘭DE L F T大學(xué)在 網(wǎng)上 公布 的E NVI S A T 精軌數(shù)據(jù) 。還采用了美國 在 網(wǎng)上公布 的9 0 m抽 樣 間隔的S R

18、T M數(shù)據(jù)作 為DS M數(shù) 據(jù)， 沒有 收集 到從 而也沒有加入使用地面建筑物的具體 幾何形狀信息 。我們假設(shè)這地 區(qū)在2 0 0 3 — 0 4 — 2 5 至2 0 0 6 — 0 3 — 1 0 期 間的 沉 降比較平穩(wěn)， 可用一階線性模型來近似 ， 從而只計算 出了平均年沉 降率 。選取 了在地 區(qū)邊緣 的一 點(diǎn)作為零 沉降參考點(diǎn) ；同時從網(wǎng)上Go o g l eE a r t h 上截取了部分光 學(xué)照片作為參考照片， 這些照片

19、 已經(jīng)過基本的幾何 糾正 和地理編碼 。這些照片顯示了圖像 全景， 并用此照片勾 畫 出了想進(jìn)一步 精細(xì)處理 的天津市 、廊坊市及勝 芳鎮(zhèn) 三個 區(qū)域 。對這 四個 區(qū)域采用 了不 同抽樣 間隔( E I J 比例 尺) 的處理 ， 沉 降率結(jié)果 圖像 的像元大小 分別為分別是：5 0X5 0 m( 圖像全景)、2 0×2 0 m( 天津市) 、1 5X1 5 m( 廊 坊 市) 及7 ×7 m( 勝芳鎮(zhèn)) 。細(xì)節(jié)如

20、 圖1 所示。圖1 處理的四個邊界 為紅線的 區(qū)域 F i g． 1Fo u rp r o c e s s e da r e a s3 ． 21O O k m×1O O k m 大范 圍連續(xù)d q ； l ： ； ~ l J 尺地 面沉 降率 圖 像 首先對整個S AR 圖像覆蓋 的約 l O O k mX1 0 0 k m的大 范 圍， 用5 0 m × 5 0 m的抽樣間隔進(jìn)行 了處理 。圖2 是 經(jīng)過幾 何 糾