InSAR 技术与方法

我们采用全套卫星雷达干涉测量（InSAR）技术来测量地面形变。每种方法适用于不同的运动模式，从毫米级的缓慢沉降到米级的快速位移，我们会根据场地和需要解答的问题选择合适的方法或方法组合。

下面介绍的方法涵盖常规差分干涉测量、用于大位移的散斑（像素）偏移量跟踪、以 PSI、SBAS 和多维 MSBAS 构建的形变时间序列，以及支撑这一切的卫星雷达数据——从 1990 年代初的历史档案到今天的 Sentinel-1 和高分辨率商业传感器。这些方法是我们地面变形监测服务的基础——从油藏与注入形变到边坡与沉降制图——已在国家尺度上应用，从大型 Sentinel-1 存档构建大范围变形镶嵌图，并为每个测得的速率报告标准误差。

差分 InSAR（DInSAR）比较不同时间获取的两幅雷达影像的相位，以绘制两次采集之间发生的地面运动。单幅干涉图即可在厘米至毫米级灵敏度上揭示整个场景的形变模式。它是这里其他所有方法的基础，非常适合绘制单次事件，如地震、突发沉降或火山抬升。

DInSAR 测量沿卫星视线方向的运动，并依赖相位解缠，而相位解缠仅在小至中等形变时才可靠。在两次过境之间地表保持相干之处，它能提供这些技术中最高的精度。

当运动过大或过快，导致相位无法可靠解缠时，我们改为跟踪影像特征在各次采集之间的位移。像素偏移量跟踪在距离向和方位向两个方向上测量运动，能够跟踪米级的位移，例如快速移动的滑坡、冰川，或活动矿区上方的地面——在这些情形下常规干涉测量会失去相干性。

由于散斑偏移量跟踪不需要相位解缠，它能捕捉 DInSAR 无法获得的运动，包括沿卫星飞行（方位）方向的运动。其精度低于 DInSAR，并取决于雷达数据的空间分辨率，因此两者常常配合使用。

形变时间序列将一叠单次雷达测量转化为地面上每个点如何移动的连续历史。它不是单一的前后对比，而是将数十至数百次采集联合反演，估计相邻日期之间的形变速率，再累加为每个像素的累积位移记录。结果不仅是地面移动了多少，还包括运动如何演变——在何处加速、减缓或反向。

由于真实雷达数据只是部分相干，反演过程经过正则化处理，并采用逐像素的质量（rank）检验剔除可靠测量过少的点，因此时间序列只在可信之处报告运动。时间采样可以调整，例如调整为年度或季节速率，以扩大空间覆盖、缩短处理时间或使季节性信号更清晰。PSI、SBAS 和 MSBAS 都是基于这一原理构建的时间序列方法。

PSI 在一长叠雷达影像中追踪一组稳定、强反射的点，例如建筑物、岩石露头和基础设施。通过分离出这些永久散射体，它在单个目标上达到很高的精度，非常适合长年监测构筑物、城市沉降和基础设施。

SBAS 从在时间和空间上间隔较小的影像对之间形成的众多干涉图构建形变时间序列。这在自然、非城市地形上保持了相干性，并生成空间连续的运动图，非常适合大范围沉降、滑坡和缓慢的区域形变。

MSBAS 结合来自两条或更多卫星轨道（通常是升轨和降轨）的形变测量，并可将 DInSAR 干涉图与散斑偏移量（距离向和方位向）数据一同使用。由于每条轨道和每个测量方向对地面的观测各不相同，将它们联合反演能够恢复运动的实际方向，而不仅是沿单一视线方向的运动。根据可用的观测几何数量和输入数据类型，MSBAS 生成一维、二维、三维或四维形变时间序列，并可选地受地表地形约束。

将观测几何相近的重叠数据集合并为一条沿雷达视线方向、密集采样的一维时间序列。这提高了对地面的测量频率，并将记录进一步向前延伸。

结合升轨和降轨数据，将运动分解为垂直和东西向水平分量。它假设南北向运动可忽略——这对许多沉降和抬升场景是很好的近似——是用于地下水、采矿和火山形变最广泛采用的形式。

当在升轨和降轨数据之外加入方位偏移量测量时，MSBAS 可解算完整的三维位移场——北向、东向和垂直向——而无需假设任何方向为零。这给出了地表实际运动方式的完整、无约束的图像。

一种受地形约束的三维解，假设地表平行于地形运动，利用数字高程模型来关联各分量。它能从较少的观测几何恢复完整的三维运动，非常适合缓慢移动的深层滑坡和冰川流动，因为其中物质沿地表移动。

一种相关的约束解，其中假设水平运动沿取自高程模型的下坡坡向方向。与平行于地表的形式一样，它通过用局部坡度约束流动方向，从有限数据中为深层滑坡解算三维位移。

解算北向、东向和两个独立的垂直子分量，将两个叠加的垂直过程分离开来，例如长期趋势与季节性或瞬态信号，并将结果在时间上延伸。这一四维记录展示了完整位移场的各个部分在监测期内如何演变。

每一项成果都取决于其背后的雷达数据。我们跨越全套民用合成孔径雷达（SAR）卫星开展工作，将深厚的历史记录与最新的高频次、高分辨率传感器结合起来。

适用于干涉测量的星载 SAR 可追溯到 1990 年代初，包括 ERS-1 与 ERS-2、Envisat、JERS-1 和 ALOS PALSAR。这一档案使我们能够重建某项目开始之前数年乃至数十年发生的地面运动，并为从未布设过仪器的场地建立历史基线——这往往是理解一处边坡、含水层或矿区长期行为的唯一途径。

当前大多数监测使用 Sentinel-1，即欧洲哥白尼计划的 C 波段任务，它每隔几天成像大范围区域，且公开免费获取——是大范围监测的主力。对于精细细节，我们使用来自德国 TerraSAR-X 和意大利 COSMO-SkyMed 的 X 波段，它们可将单个构筑物分辨至约一米，我们还借助来自日本 ALOS-2 的 L 波段，为每个场地选择 C 波段、X 波段或 L 波段以及所需的升轨和降轨几何。像 ALOS-2 这样的更长波长 L 波段，在较短波长会失相干的植被上仍能保持相干性，这在森林和北方地形上具有重要意义。

覆盖范围、分辨率与成本之间存在权衡。Sentinel-1 免费、覆盖大范围、中等分辨率；诸如 TerraSAR-X 这样的商业高分辨率传感器能分辨单个构筑物上的精细细节，但价格昂贵且覆盖范围较小。我们的标准策略是先用免费的 Sentinel-1 数据筛查整个场地、建立历史基线并定位地面运动之处，然后仅在需要更精细细节或精度的地方才委托采购更高分辨率的商业数据。

处理这些大型雷达数据栈计算量巨大：需要逐像素反演数百幅影像，因此我们的软件经过并行化，可在多节点计算集群上运行。正是这一点使得对整个场地进行大范围、多年监测切实可行。

在实践中，我们常常组合使用这几种技术：用 PSI 或 SBAS 时间序列获取长期趋势，在运动较大之处用偏移量跟踪，并用 MSBAS 通过融合多颗卫星来解算方向。合适的组合取决于运动的速度和尺度、地表覆盖，以及结果的使用方式。我们的处理方法立足于发表在国际遥感期刊上、经同行评审的研究。

什么是 InSAR？

InSAR（干涉合成孔径雷达）通过比较重复获取的卫星雷达影像的相位，从太空测量地面运动，以毫米至厘米级精度绘制大范围形变，地面无需任何仪器。

DInSAR 和偏移量跟踪有什么区别？

DInSAR 通过比较雷达相位非常精确地测量小至中等的运动，但需要相位解缠。像素（散斑）偏移量跟踪通过跟踪图像特征、无需解缠来测量大得多、快得多的运动（米级位移），但精度较低。MSBAS 可将两者结合。

PSI 和 SBAS 有什么区别？

PSI 以很高的精度跟踪一组稳定的强反射点，在建成区效果最佳；而 SBAS 生成空间连续的图像，并在自然地表上保持相干性。许多项目会同时使用两者。

相比标准 InSAR，MSBAS 有何增益？

单幅雷达影像只能测量沿卫星视线方向的运动。MSBAS 结合多种观测几何来恢复垂直、东西和南北向运动，并可在时间上延伸为四维记录。

你们使用哪些卫星？

我们主要使用 Sentinel-1（免费且每隔几天覆盖大范围），并在需要精细细节时配合 TerraSAR-X 等高分辨率商业传感器。我们还利用可追溯到 1990 年代的历史 SAR 档案（ERS、Envisat、JERS、ALOS）来重建过去的运动。

你们能测量过去发生的形变吗？

可以。卫星雷达档案可追溯到 1990 年代初，因此我们通常能够重建某场地过去数年甚至数十年的地面运动，即使该处从未安装过任何仪器。