张桂芳

(中国地震局地质研究所，北京 100029)

时序InSAR技术是近些年发展起来的一种新的InSAR测量技术。其中PS-InSAR技术是通过分析高相干的永久散射体相位变化信息提取形变，受时间和空间基线的限制小，该方法需要假设形变特征为匀速，同时需要大量的SAR数据(25景)来估算大气效应贡献值；短基线技术(SBAS)可以降低几何去相干的影响，同时较短基线使DEM误差的敏感性大大降低，但该方法通过一定大小的窗体计算相干性，并据此来选择时间序列稳定点，窗体操作降低了被选像元的分辨率，但抑制了噪声相位的影响；干涉图叠加方法(interferogram stacking)是将多幅差分干涉图进行叠加，提高结果中形变信息对大气干扰的相对精度，可以获取大区域的连续形变场；CR-InSAR技术将人工角反射器作为观测对象，通过建立CR点上的形变模型，实现对重点目标如滑坡、水库和断层的形变监测。从以上的叙述可以看出，几种时序InSAR技术各有优缺点，而本文最终的研究目标是监测京西北试验区的地表微小形变，所以论文选用以上几种时序InSAR技术作为地表形变监测手段，获取覆盖试验区不同尺度的形变速率场。在没有GPS和水准监测资料的情况下，同一区域不同监测技术手段得到的形变场之间可以相互检验，对比其可靠性和精度。围绕这一目标，论文的研究工作主要聚焦到以下内容。

1 角反射器辐射特性研究

在理想状态下，雷达散射截面与有效散射面积和雷达波长有关。为更清楚地认识在不同环境背景下，不同尺寸的角反射器对雷达信号实际的反应特性，论文对角反射器的辐射强度进行分析。以三角形角反射器为例，在完成角反射器设计制作、选点安装和定标以后，利用R-D模型和邻域搜索算法对角反射器像素进行了精确定位，然后统计各个角反射器对应的辐射强度，并对角反射器安装前的背景辐射强度与不同尺寸角反射器辐射强度进行对比分析。通过分析可知，反射器安装后辐射强度较背景辐射强度有明显增加，而且辐射强度随角反射器尺寸的增加而增大。角反射器安装前，背景的平均辐射强度为214.117 1，即46.6 dB；边长为1 m×1 m角反射器的平均辐射强度为646.314 6，即56.2 dB；边长为1.2 m×1.2 m角反射器的平均辐射强度为902.059 0，即59.1 dB；减去辐射定标常数45.1 dB，则背景和两个不同边长角反射器的辐射强度分别为1.5 dB、11.1 dB和14.0 dB。角反射器安装前后辐射强度离散指数则随角反射器尺寸的增大而减小，安装前背景、边长为1 m×1 m角反射器和边长为1.2 m×1.2 m角反射器的辐射强度平均离散指数分别为0.305 7、0.133 7和0.116 8，这说明角反射器尺寸越大，角反射器辐射强度越稳定。但角反射器相位在安装后没有表现出稳定的特性，这可能与在SAR数据获取和raw数据处理过程引起的相位误差有关。论文还分析了角反射器所在像素及其周围8邻域像素的相位，发现在3×3窗口内9个像素间的相位不具相关性，彼此之间的相位差很大，而且没有任何规律，这说明角反射器相位受噪声影响仍然严重。

2 CR点形变速率获取

角反射器的优势之一是能长时间保持相干性，而且相干性也不受空间基线的影响。所以可以充分利用数据，在长时间大空间基线条件下分析CR点的形变；同时论文也在小基线集的情况下对CR点的形变做了分析。由第一部分内容的分析可知，角反射器像素的相位受噪声影响严重。为抑制噪声相位的影响，在进行干涉处理前，对角反射器像素及其周围8邻域像素的实部和虚报分别作了平均处理，然后对具有平均后实部和虚部的CR点集复共轭相乘。针对离散CR点差分干涉相位解缠的问题，在分析总结已有的角反射器相位解缠方法的基础上，参考基于相对高程的相位解缠方法，提出了基于高程差的相位解缠方法。前者是基于CR点之间相对高程差进行相位解缠，而后者是基于CR点实测高程与其对应的DEM高程之间的差进行相位解缠。试验区CR点差分干涉相位的解缠应用证明了本论文提出的基于高程差的相位解缠方法的实用性。大气水汽空间上的垂直分层使得大气效应的影响与地形相关，大气效应在1～2 km的范围内是空间相关的，而试验区内部分角反射器的距离超过了这个空间相关的范围，针对这种情况，研究过程中用线性模型模拟大气相位与地形的关系，从而减弱CR点上大气相位误差。通过CR点集相位分析模型得到了长时间大空间基线和小基线集两种条件下的CR点形变速率场，并对其进行对比分析。两种条件下CR点形变趋势基本相同，即CR点形变以视线向下降为主，形变速率为-2.0～0.0 mm/a。在没有GPS和水准形变资料的情况下，用两种条件下分析得到的CR点形变速率相互比对，即可验证CR点形变的正确性，也有力地证明了角反射器的优势：在时序数据集中不受时间和空间基线的限制，能够保持良好的相关性，为长时间大空间基线数据的利用提供了更好的条件。

3 京西北试验区大区域微小地表形变速率场获取

论文用PS-InSAR技术和干涉图叠加技术在京西北试验区做了应用研究，分别获取PS-InSAR覆盖了70 km×45 km范围的离散点形变速率场，和覆盖盆地内部(不包含水库区域)及盆地内边缘的干涉图叠加形变速率场。两种技术获取的形变速率场在重叠区域结果基本一致，即盆地内部视线向下降，形变速率为-2.0～0.0 mm/a；盆地内部的镇级居住区比县级居住区下降速率大，对应的形变速率分别为-3.0～-2.0 mm/a和-2.0～-1.0 mm/a；盆地边缘区的形变速率是-1.0～1.0 mm/a，说明断裂带的形变速率梯度范围是0～2.0 mm/a；盆地外边缘到山区的运动趋势是视线向上升，PS-InSAR时序形变场显示上升速率为1.0～4.0 mm/a，PS-InSAR技术得到的形变速率略大于干涉图叠加形变速率，这可能是由PS-InSAR技术误差传播引起的。据方仲景等人(1993)对延矾盆地北缘断裂的研究，其垂直形变速率为0.17～0.91 mm/a，本文给出延矾盆地北缘断裂的形变速率与这一研究结果基本一致。