引用格式：肖儒雅, 王迅, 孫靜怡, 李濤, 田馨, 何秀鳳. 國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星差分干涉測(cè)量地表形變監(jiān)測(cè)比較[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào) ( 信息科學(xué)版), 2025, 50(8): 1517-1526. (XIAO Ruya, WANG Xun, SUN Jingyi, LI Tao, TIAN Xin, HE Xiufeng. Comparisons of Differential Interferometry of Chinese SAR Satellites in Ground Deformation Monitoring[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2025, 50(8): 1517-1526. )

DOI:10.13203/j.whugis20240468

摘要

隨著國(guó)家乃至洲際尺度的地表形變監(jiān)測(cè)在全球范圍內(nèi)的陸續(xù)開(kāi)展，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室研究邁向更為廣闊的應(yīng)用實(shí)踐。中國(guó)首組民用干涉合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）衛(wèi)星陸探一號(hào)開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)SAR數(shù)據(jù)干涉應(yīng)用元年，宏圖一號(hào)星座、涪城一號(hào)等商業(yè)SAR小衛(wèi)星系統(tǒng)也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)。然而，與國(guó)際成熟的SAR衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)相比，中國(guó)在數(shù)據(jù)產(chǎn)品及業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面仍存在一定差距。為驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星地表形變測(cè)量效果，利用陸探一號(hào)、涪城一號(hào)、宏圖一號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)江蘇省徐州市沛縣張雙樓煤礦礦區(qū)開(kāi)展形變監(jiān)測(cè)。以歐洲空間局Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為參考，從干涉相干性、相位閉合誤差以及形變速率一致性等方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星均監(jiān)測(cè)到礦區(qū)內(nèi)的兩個(gè)漏斗狀沉降區(qū)，雖然各組結(jié)果中形變區(qū)面積和形變速率極值存在差異，但整體形變速率監(jiān)測(cè)結(jié)果之間具有較高的一致性；利用多幾何InSAR觀測(cè)獲取了礦區(qū)水平和垂直方向的地表形變信息。3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星均具備優(yōu)秀的形變測(cè)量能力，多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合應(yīng)用前景廣闊。

論文內(nèi)容

本文選取同時(shí)期覆蓋中國(guó)江蘇省徐州市沛縣張雙樓煤礦礦區(qū)的陸探一號(hào)、涪城一號(hào)、宏圖一號(hào)3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用差分InSAR方法獲取礦區(qū)及其周邊地區(qū)地表形變情況；以Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理結(jié)果為參考，從干涉相干性、相位閉合誤差以及形變速率結(jié)果等方面對(duì)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行比較分析；利用多幾何InSAR觀測(cè)分解模型獲取了張雙樓礦區(qū)水平和垂直方向地表形變情況，探究多源干涉SAR衛(wèi)星組合在礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景。

1　SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)與處理方法

1.1　干涉SAR衛(wèi)星參數(shù)

本文處理的3組國(guó)產(chǎn)干涉SAR衛(wèi)星與歐洲空間局Sentinel-1衛(wèi)星參數(shù)對(duì)比如表1所示。Sentinel-1衛(wèi)星主要采用大幅寬的逐行掃描（terrain observation with progressive scan，TOPS）模式成像，3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星均采用較小幅寬的條帶模式成像，具有更高的成像分辨率，滿(mǎn)足精細(xì)化形變監(jiān)測(cè)的需求。

表1　干涉SAR衛(wèi)星參數(shù)對(duì)比

本文所采用的Sentinel-1與國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星影像覆蓋范圍及研究區(qū)地形概況如圖1所示，江蘇沛縣張雙樓煤礦礦區(qū)位于影像重疊區(qū)域內(nèi)。Sentinel-1衛(wèi)星的TOPS成像模式以中等空間分辨率獲得了較大的幅寬，陸探一號(hào)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的條帶模式1能夠兼顧對(duì)地觀測(cè)的空間分辨率和影像覆蓋范圍。

圖1　衛(wèi)星影像覆蓋范圍及研究區(qū)地形概況（省界數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心）

1.2　國(guó)產(chǎn)SAR差分干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理

本文所使用的SAR衛(wèi)星影像獲取時(shí)間如表2所示。圖2展示了4組SAR衛(wèi)星在同一區(qū)域、相近時(shí)期的后向散射強(qiáng)度影像對(duì)比結(jié)果。相較于Sentinel-1，3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)因其高空間分辨率具有更優(yōu)的細(xì)節(jié)解析能力，且工作在不同的微波波段，因而后向散射特征各異，可互為補(bǔ)充。

表2　4組SAR衛(wèi)星影像成像時(shí)間

圖2　4組衛(wèi)星張雙樓礦區(qū)SAR強(qiáng)度影像對(duì)比

2　國(guó)產(chǎn)SAR干涉測(cè)量地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1　干涉相干性比較

選取同一季節(jié)（冬季）沛縣張雙樓煤礦礦區(qū)的InSAR干涉相干性結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖3。4幅干涉圖的時(shí)間基線(xiàn)分別為36 d（Sentinel-1）、28 d（陸探一號(hào)）、33 d（涪城一號(hào)）和30 d（宏圖一號(hào)），進(jìn)行相干性計(jì)算時(shí)，選用同樣大小的計(jì)算窗口（7×7）。陸探一號(hào)因其雷達(dá)波長(zhǎng)更長(zhǎng)（L波段），顯示出最佳的相干性；X波段的宏圖一號(hào)受去相干噪聲影響最為顯著；處于C波段的Sentinel-1和涪城一號(hào)相干性表現(xiàn)居中。

圖3　4組SAR衛(wèi)星張雙樓礦區(qū)干涉相干性結(jié)果

統(tǒng)計(jì)4組衛(wèi)星干涉相干性區(qū)間分布情況，如圖4（a）所示。陸探一號(hào)和涪城一號(hào)的相干性峰值位于（0.9，1］區(qū)間內(nèi)，Sentinel-1相干性峰值位于（0.8，0.9］區(qū)間，而宏圖一號(hào)在（0.2，0.9］區(qū)間內(nèi)分布均勻，峰值出現(xiàn)在（0.3，0.4］區(qū)間內(nèi)。以0.4為相干性閾值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，陸探一號(hào)干涉圖上超過(guò)95%的像素具有較好的相干性，而宏圖一號(hào)衛(wèi)星占比最低，約為64%。4組衛(wèi)星得到的干涉圖相干性的箱線(xiàn)圖如圖4（b）所示，箱體中部的橫線(xiàn)表征4組衛(wèi)星相干性結(jié)果的中位數(shù)，分別為0.53（宏圖一號(hào)）、0.63（Sentinel-1）、0.82（涪城一號(hào)）和0.96（陸探一號(hào)），陸探一號(hào)衛(wèi)星干涉結(jié)果的相干性整體上高于其他衛(wèi)星。矩形箱體的上下緣分別代表上下四分位數(shù)，二者圍成的箱體涵蓋了相干性統(tǒng)計(jì)分布在25%~75%范圍內(nèi)的像素，陸探一號(hào)衛(wèi)星結(jié)果箱體上下緣間距最小，分布最集中；箱線(xiàn)結(jié)構(gòu)兩端的短橫線(xiàn)分別表示剔除異常值之后的最大、最小值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，陸探一號(hào)衛(wèi)星的相干性最小值結(jié)果也高于其他各組衛(wèi)星。相較于Sentinel-1衛(wèi)星，擁有更高空間分辨率的涪城一號(hào)衛(wèi)星影像的相干性結(jié)果的中位數(shù)更高，整體分布也更加集中。

圖4　4組SAR衛(wèi)星張雙樓礦區(qū)干涉相干性分布情況

2.2　相位閉合誤差比較

對(duì)4組衛(wèi)星獲得的SAR影像分別進(jìn)行差分干涉處理，生成的干涉圖構(gòu)成時(shí)間上的閉合環(huán)路，計(jì)算張雙樓煤礦研究區(qū)相位閉合誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，如表3所示。閉合誤差的標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明SAR衛(wèi)星相位干涉結(jié)果質(zhì)量越高。考慮到干涉圖多視及濾波處理對(duì)相位閉合誤差的影響，除中分辨率Sentinel-1衛(wèi)星（多視比5∶1）外，其他3組高分辨國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星影像干涉處理多視比均為2∶2。

表3　張雙樓礦區(qū)干涉相位閉合誤差標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)表

2.3　地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

利用差分InSAR獲取研究區(qū)地表形變，根據(jù)線(xiàn)性擬合獲取礦區(qū)的月平均形變速率，4組SAR衛(wèi)星監(jiān)測(cè)得到的衛(wèi)星LOS向地表形變速率結(jié)果如圖5所示。4組干涉結(jié)果相位解纏時(shí)相干性掩膜閾值設(shè)置為0.4。由于L波段波長(zhǎng)較長(zhǎng)，水體區(qū)域可能存在相干性大于0.4而未被掩膜的情況，因此導(dǎo)致圖5（b）中存在少量解纏誤差。該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)典型漏斗狀沉降區(qū)，地理位置與張雙樓煤礦礦區(qū)一致，地下采礦活動(dòng)是該區(qū)域地面沉降的主要原因。

圖5　張雙樓礦區(qū)InSAR地表形變速率結(jié)果

由表4可知，相較而言，形變區(qū)Ⅰ的面積和最大速率均大于形變區(qū)Ⅱ。雖然各組衛(wèi)星獲得的礦區(qū)沉降區(qū)面積存在差異，但在每組衛(wèi)星結(jié)果內(nèi)，形變區(qū)Ⅰ的面積均是形變區(qū)Ⅱ面積的1.1~1.2倍。陸探一號(hào)結(jié)果的局部形變速率極大值最大，在形變區(qū)Ⅰ和Ⅱ分別達(dá)到了-142 mm/月和-100 mm/月，宏圖一號(hào)結(jié)果最小，分別為-100 mm/月和-74 mm/月。由圖6可知，4組衛(wèi)星監(jiān)測(cè)得到的形變速率中位數(shù)較為接近，分別為-18 mm/月（Sentinel-1）、-25 mm/月（陸探一號(hào)）、-23 mm/月（涪城一號(hào)）和-24 mm/月（宏圖一號(hào)）。

表4　4組SAR衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果形變速率及沉降區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表

圖6　4組SAR衛(wèi)星張雙樓礦區(qū)地表形變速率箱線(xiàn)圖

統(tǒng)計(jì)4組地表形變速率監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，如圖7所示。

圖7　4組SAR衛(wèi)星張雙樓礦區(qū)地表形變速率相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

3　多源SAR衛(wèi)星地表形變分解

利用最小二乘方法提取礦區(qū)地表二維形變信息，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，張雙樓礦區(qū)的形變區(qū)Ⅰ、Ⅱ均以垂直沉降為主，最大沉降速率分別為-120 mm/月和-85 mm/月。兩個(gè)形變區(qū)的邊緣均存在水平方向位移，表現(xiàn)為西側(cè)向東、東側(cè)向西的趨勢(shì)，形變區(qū)Ⅰ和形變區(qū)Ⅱ的最大水平位移速率分別為36 mm/月、-39 mm/月和28 mm/月、-22 mm/月（東向位移為正）?？梢?jiàn)，國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星為礦區(qū)地表形變精細(xì)刻畫(huà)提供了數(shù)據(jù)保障。

圖8　張雙樓礦區(qū)地表垂直、東西方向InSAR形變結(jié)果

結(jié)語(yǔ)

本文以歐洲空間局Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為參考，從干涉相干性、相位閉合誤差及形變速率一致性等方面對(duì)陸探一號(hào)、涪城一號(hào)、宏圖一號(hào)3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星地表形變差分InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。分析表明，3組國(guó)產(chǎn)干涉SAR衛(wèi)星具有良好的形變測(cè)量能力，具體表現(xiàn)在：

1） L波段的陸探一號(hào)衛(wèi)星干涉測(cè)量結(jié)果相干性最好，X波段的宏圖一號(hào)受去相干噪聲影響顯著，C波段的涪城一號(hào)相干性表現(xiàn)居中；陸探一號(hào)干涉圖中超過(guò)95%像素的相干性大于0.40，這一比例在涪城一號(hào)和宏圖一號(hào)上分別為85%和64%，三者相干性中位數(shù)分別為0.96、0.82和0.53。

2） 干涉相位閉合誤差的標(biāo)準(zhǔn)差表征SAR干涉結(jié)果質(zhì)量，3組衛(wèi)星干涉相位閉合誤差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.78 rad（陸探一號(hào)）、1.49 rad（涪城一號(hào)）和3.49 rad（宏圖一號(hào)）。由相位閉合誤差標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)對(duì)比分析得到的結(jié)論與干涉相干性對(duì)

比結(jié)果一致。

3） 3組國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星均監(jiān)測(cè)到張雙樓煤礦礦區(qū)2024年1月的兩個(gè)漏斗狀沉降區(qū)。雖各組衛(wèi)星獲得的礦區(qū)沉降區(qū)面積和區(qū)域形變極值之間存在差異，但監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的一致性較高，陸探一號(hào)與宏圖一號(hào)之間的相關(guān)性0.45在所有組合中相較最低，推測(cè)是由其波長(zhǎng)差異導(dǎo)致的。

4） 利用多源衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星LOS向形變測(cè)量結(jié)果進(jìn)行垂直、水平方向的二維分解，獲得張雙樓煤礦兩個(gè)形變區(qū)的形變情況。兩個(gè)變形區(qū)均以垂直沉降為主，最大沉降速率分別為-120 mm/月和-85 mm/月，變形區(qū)邊緣均存在水平方向位移，表現(xiàn)為西側(cè)向東、東側(cè)向西的趨勢(shì)。國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星為礦區(qū)地表形變精細(xì)刻畫(huà)提供了數(shù)據(jù)保障。

除上述衛(wèi)星外，其他國(guó)產(chǎn)干涉SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，如高分三號(hào)業(yè)務(wù)星、“神啟號(hào)”等天儀系列衛(wèi)星以及“水利一號(hào)”等航天宏圖“女?huà)z星座”，也展現(xiàn)出了顯著的干涉測(cè)量應(yīng)用潛力。未來(lái)，高分辨率國(guó)產(chǎn)干涉SAR衛(wèi)星將在全球測(cè)圖、廣域地表形變監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施安全管控、三維形變精細(xì)刻畫(huà)等領(lǐng)域凸顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著影像數(shù)據(jù)的持續(xù)積累和產(chǎn)品業(yè)務(wù)化服務(wù)的不斷深化，國(guó)產(chǎn)SAR衛(wèi)星將成為構(gòu)建自主可控的天基觀測(cè)體系的關(guān)鍵力量，有效提升中國(guó)在地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)水平與應(yīng)用能力。

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