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1、微波原理与应用学 院： 地球科学与环境工程学院 报告名称： DInSAR技术应用 专业班级： 12级测绘一班 学 号： 20123155 姓 名: 包建强 指导老师： 张 瑞 老师 2014年12月18日 目录DInSAR技术应用3一 实验目的3二 实验原理32.1 概论32.2 D-InSAR差分干涉测量的原理42.3 DInSAR 技术流程52.3 数据来源6三 实验过程63.1 基线估算63.2 干涉图生成73.3 自适应滤波及相干性生成83.4 相位解缠103.5 轨道精炼和重去平113.6 形变图生成13四 实验结果144.1 实验结果输出144.2 结果分析15五 感想和体会161
2、0DInSAR技术应用摘 要:介绍了差分干涉测量的原理以及用SARscape软件运用DInSAR技术处理地形形变的流程和方法。利用合成孔径雷达差分干涉(DInSAR)测量技术2003年12月26日伊朗Bam6.5级地震引起的地表形变场进行了测量试验,成功地获取了Bam地震的蝴蝶状的同震形变场,并且根据相干图确定了地震造成破坏最严重的区域的位置、分布及面积。试验证明DInSAR技术是地表形变测量和地震研究的一个强大和有效的工具。 关键词:差分干涉测量;合成孔径雷达;地表形变;相干图;伊朗Bam地震一 实验目的1. 掌握差分干涉测量技术（DInSAR）的基本原理；2. 掌握差分干涉测量技术（DIn
3、SAR）具体实现流程；3. 根据已有数据，学习D-InSAR 的操作，并对结果进行分析。4. 了解和掌握SARscape处理数据的过程；5. 了解SARscape报错的原因和处理办法。二 实验原理2.1 概论合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术是20世纪90年代发展起来的一项空间对地观测新技术，主要应用于地形测绘及地表形变的监测。特别是差分干涉测量(DInSAR)技术应用于地表形变的监测,其精度可以达到厘米级甚至是毫米级。目前DInSAR的应用主要集中在地震同震形变场的监测、火山形变的监测、冰川运动的监测、地面沉降的监测等领域。在国外,DInSAR技术在地震形变监测方面已经有许多成功的应用案
4、例。1989年Gabriel等首次论证了D-InSAR技术可用于探测厘米级的地表形变,利用SeasatL波段SAR数据测量了美国加利福尼亚州东南部的ImperialValley灌溉区的地表形 变;1993年Massonnet等人首先利用ERS-1SAR数据获取了1992年美国Landers地震(M=7.2)的同震形变场,并将测量结果与野外断层滑动测量结果、GPS位移观测结果以及弹性位错模型进行比较,结果相当吻合,研究成果发表在Nature上,引起了国际地震界震惊。此后,D2InSAR在地球表面的形变场探测方面的研究在世界各国普遍地开展起来。 1994年,Zebker等应用D-InSAR方法获得
5、了类似的结果。随后一些学者又利用InSAR技术对日本HyogokenNanbu地震、美国加利福尼亚的Northridge地震、意大利Colfiorito地震、智利Antofa2 gasta地震、日本的Kyushu地震等进行了监测。我国学者在地壳形变与地震上也取得一些成果: 2000年王超等利用星载ERS-1/2SAR雷达数据基于DInSAR技术首次提取了1998年我国张北尚义6.2级地震的同震形变场;2002年单新建等利用D-InSAR技术进一步分析了张北 尚义地震震源破裂的特征;张景发等应用1996年5月到1998年4月间的5景ERS-1/2SAR数据,组成两个差分像对提取了1997年11月
6、9日西藏玛尼里氏7.4级地震的同震形变场。2.2 D-InSAR差分干涉测量的原理雷达干涉测量生成的干涉条纹图的相位贡献主要有五项,可用公式表示为=topography+displacement+atmosphere+flat+noise (1)其中,topography为地形因素贡献的相位;displacement是由地表形变引起的相位;atmosphere是由大气效应产生的 相位;flat是由参考平面引起的相位;noise是由噪声引起的相位。要想获得由地表形变引起的精确的相位displacement,就要消除上面公式右边的其余四项的影响。参考平面引起的相位flat是通过去平地效应消除;噪声
7、引起的相位noise是通过干涉条纹图的滤波加以消除;大气效应产生的相位atmosphere而产生的误差一般都很小,与地震造成的地表形变相比可以不用考虑,或者也可以跟噪声引起的相位一起用滤波的方法去除。要获取地表的形变信息,必须要去除观测区域的地形信息topography。目前主要有三种方法可以去除地形因素的影响527 。一是利用两幅SAR图像,采用其它的DEM数据,基于已有的成像参数模拟干涉条纹图,从而达到去除地形因素的效果,一般称之 为“双轨法”(two2pass);二是利用三幅SAR图像,采用干涉的方法去除地形的影响,一般称之为“三轨 法”(three2pass);三是利用四幅SAR图像,
8、采用干涉的方法去除地形的影响,一般称之为“四轨法”(four2pass)。双轨法是由Massonnet等首先提出的。它是利用试验区地表变化前后的两幅SAR图像生成干涉条纹图,再利用事先获取的DEM数据模拟干涉条纹图,从干涉条纹图中去除地形信息就得到地表的形变信息。这种方法的优点是DEM和满足干涉的两幅SAR图像比较容易获取,缺点是如果选取的DEM精度不高、干涉对的基线过长,DEM的误差会传递到最终的形变结果中,影响监测的精度。另外其数据处理的算法也相对比较复杂。1994年Zebker提出了三轨法,其几何关系如图1所示。它利用三幅SAR图像进行差分干涉测量,生成两幅干涉条纹图,一幅为形变干涉对(
9、de2fo2pair),反映地表形变信息和地形信息,一幅为地形干涉对(topo2pair),反映地形信息。进行平地相 位消除后,分别进行相位解缠,得到f1、 f2,最后利用差分干涉测量的公式计算得到雷达视线方向上的形变量Rd：其中,B、B分别为defo2pair和topo2pair干涉对的垂直基线;f1、f2分别为defo2pair和topo2pair干涉对的解缠相位;为雷达波长。根据上式,为了减少误差的影响,一般地在选取干涉对时要求BB。图2.2-1 三轨差分干涉几在上图中,在A1、A2获取的影像组成defo2pair干涉对,在A1、A3获取的影像组成topo2pair干涉对。三轨法比双轨法
10、的优势在于不需要额外的DEM,但需要同一传感器获取的三幅影像。由于所生成的两个干涉对共用一幅影像,因此在数据处理方面也要简单一些,干涉图之间的配准也相对简单一些。该方法的缺点是相位解缠的好坏将直接影响最终的结果,但在相干性较高的区域可以得到较好的结果。三轨法差分干涉测量特别适合于气候干燥、植被稀少的地区所发生的瞬时形变的监测,如地震、火山喷发等造成的地表形变。2.3 DInSAR 技术流程图2.3-1 DInSAR 技术流程2.3 数据来源数据源：ENVISAT ASAR SLC 数据，IS2 模式，入射角23 度，震前获取的2003 年12 月3日数据；震后47 天2004 年1 月11 日
11、获取的伊朗巴布地区的VV 极化的数据。 覆盖区域为56*40km，含有卫星轨道信息保证精度，研究区的SRTM 数据，25 米分辨率的DEM，作为D-InSAR 过程中的低分辨率的参考DEM。三 实验过程3.1 基线估算这一步获取干涉SAR 像对的基线信息，看干涉像对的基线是否小于临界值和能否取得好的干涉结果，这一步的结果显示在基线估算面板上便直接查看。图3.1-1 基线估算结果3.2 干涉图生成这一步是生成干涉图，输入两景SLC 数据，输出数据是经过配准和多视的两景数据的残差相位图，和主从影像的强度图。对该数据集，距离向为1 方位向为5 的多视，约可得到25 米的地面分辨率。图3.2-1 干涉
12、图生成面板参数设置_int 干涉图是去平后的干涉条纹，输出的结果是将合成位相和残差或相位差（去平后的干涉条纹）做了分离。输入的参考DEM 参照了主影像做了地理编码转换成了斜距投影。干涉图中波形的条纹就是干涉条纹。图3.2-1 去平后的干涉条纹图_int3.3 自适应滤波及相干性生成对上一步去平后的干涉图（_dint）进行Boxcar 滤波，生成滤波后的干涉图和描述位相质量的干涉相干图，值在0-1 之间。图3.3-1 自适应滤波及相干性生成面板参数设置加载相干性系数图，打开Cursor Location/Value 查看像元值，相干性系数分布在0-1，值越大说明该区域的相干性越高，值越小，表明该
13、区域在两个时相上发生了变化。图3.3-1滤波后的干涉图图3.3-2 相干性系数图3.4 相位解缠用区域增长法对差分相位，或去平后的干涉图进行相位解缠，相干性阈值用来避免解缠错误。一般设置为0.15-0.2 来限制区域增长过程中的相位突变，在这里设置0.18 作为阈值。图3.4-1 相位解缠面板参数设置加载解缠后的图像_upha 到波段列表。图3.4-2 解缠后的相位图3.5 轨道精炼和重去平图3.5-1 矢量参数面板设置图3.5-2 SARscape 控制点生成面板图3.5-3 轨道精炼和重去平参数设置图3.5-4 轨道精炼结果文本输出3.6 形变图生成图3.6-1相位形变转换和地理编码面板图
14、3.6-2 地表形变图四 实验结果4.1 实验结果输出图4.1-1 ARCGIS输出结果4.2 结果分析从图中可以清晰的看到,由于地震的影响在地表形成了一个蝴蝶形状的地表沉降场,其中形变主要发生在东边的南北两个花瓣上。由颜色周期变化的不同,我们发现一个花瓣是上升,而另外一个花瓣却是下沉的。南边的花瓣是上升的,北边的花瓣是下沉的,研究结果与公布的其他人员的研究结果基本一致。目前,监测地震灾害主要依赖于GPS技术、甚长基线干涉(VLBI)技术、水准测量、应力测量和张力测量等传统的方法,但这些方法局限于选择性监测一些离散站点,虽然也能生成地表图像和地形数据,但无法提供高空间分辨率的地震形变图。与传统
15、的地震监测方法相比,D2InSAR技术能够提供地震易发地区的高分辨率影像、高分辨率的地形数据和高分辨率的地震同震形变图。地表形变是地震过程的直接表现形式,因此研究人员可以通过地震形变图对地震的各个过程进行深入的究。D2InSAR技术不但可以事后监测地震或火山等造成的危害,还可以通过D2InSAR技术对地震或火山活动地区的地表形变进行不间断地监测,从而可以预报地震发生或火山喷发的大致时间,提前做出预报。与其它测量地震引起地表形变技比,D2In2SAR技术可以实现地表沉降的大面积、低成本、高精度监测,可以快速、准确、实时动态地监测地震等引起的地表形变。更为重要的是它无需人力到地震现场进行野外观测。总之,D2InSAR技术是地表形变测量和地震研究的一个十分强大和有效的工具。随着雷
