第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
地表形变普遍存在于现今人类日常生活的环境和空间中，无论是自然灾害（例如，地震、自然山体滑坡等），还是人为造成的地质灾害（例如，地下水的开采、城市基础建设等），都给人类社会的发展带来了巨大的经济损失，这些不可逆的地表形变已经逐渐成为了人类生活中不可忽视的环境和地质问题[1]。在《2011 年-2020 年全国地面沉降防治规划》中，明确指出了我国当前地质灾害情况，其中江苏、北京、上海等全国将近 50 个城市出现了严重的地面沉降灾害[2-3]。2020 年 3 月 30 日，中国地质调查环境监测院发布了《2019 年全国地质灾害通报》，报告表明 2019 年我国共发生 6 千多起地质灾害，造成的经济损失高达27.7 亿元[4]。
在地表形变监测技术发展的过程中，全球定位系统（GobalPositioningSystem，GPS）和实地水准测量是两种最为常用的形变监测方法[5-6]。现有的水准测量技术受到人力、物力和财力的多重限制，通常监测布点少，布设线路稀疏，监测周期较长，时间分辨率和空间分辨率都很低，已经远远无法满足当前现代工业防灾减灾的需求。而全球定位系统同样也因为其昂贵的地面监测设备，难以提高监测点的数量，来自美国的 SCIGN 监测网和来自日本的 GEONET 监测网，二者是世界上最密集的 GPS 监测网，也只能达到 10km 的空间分辨率[7-8]。
近些年来，越来越多的星载合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)系统发射升空，星载合成孔径雷达干涉测量（InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR）技术也得到了进一步地发展。其中，重复轨道差分干涉测量(DifferentialInSAR，D-InSAR)技术是在 InSAR 技术基础上发展而来的一种新型空间大地形变测量方法，该技术监测范围广、监测时间不受限制，即使在恶劣的天气情况下仍能对地表进行形变监测，且监测精度能够达到毫米级[9-13]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 InSAR 技术监测地表一维形变研究现状
InSAR 技术诞生于二十世纪六十年代，1969 年，Roger 等人利用 InSAR 技术对来自金星和月球的回波信号进行干涉处理，成功提取了金星和月球的表面高程信息[14]。1985 年，Graham 等人利用 InSAR 技术对机载雷达数据进行处理，首次提取到地球表面的高程信息[15]。在 InSAR 技术发展的早期，机载雷达是其进行地形测绘的主要数据来源，机载雷达飞行轨道通常极其不稳定，这一特点极大地阻碍了 InSAR 技术的发展。1978 年，一颗名叫 SEASAT 的卫星被美国人成功送到天上，该星载雷达提供的数据使 InSAR 技术的发展步入了一个新的阶段。1988 年，Goldstein 等人利用 SEASAT 数据成功提取了死亡谷 Cottonball 的地形信息[16]。2000 年，美国另一架航天飞机成功投放了一颗搭载有 C/X 波段 SAR 雷达系统的卫星，该卫星的主要目的是进行全球地形的绘制工作，其获取的数字高程模型覆盖了全球 80%的地表区域。在之后的研究中，InSAR 技术在测绘领域中得到了快速地发展。
1989 年，Gabriel 等人对来自美国 SEASAT 卫星提供的 SAR 影像进行干涉处理，成功获取了美国加州 Imperial Vally 农田区域的地表形变信息，证实了合成孔径雷达差分干涉测量技术监测地表形变的精度能够达到亚厘米级[17]。1993年，Massonnet 等人采集了欧空局对地观测遥感 ERS-1 卫星的一对 SAR 影像数据，利用 D-InSAR 技术成功获取了 1992 年发生在美国南部的 Mw7.3 级 Landers地震的同震位移场，随后将监测得到的形变结果与同时期的实地 GPS 数据进行对比，结果显示 D-InSAR 的精度能够优于 3cm[18]。二十一世纪初，D-InSAR 技术的相关研究在国内开始起步。2001 年，丁晓利等人利用 D-InSAR 技术处理了覆盖香港赤腊角机场的 2 景 ERS-2 SAR 影像，得到了该地区将近一年时间的沉降场，最后将形变结果与水准监测结果进行比对，发现监测精度高于 0.01m[19]。2010 年，胡波等人为了研究青藏高原冻土形变规律，利用 D-InSAR 技术对覆盖青藏铁路拉萨段的 Palsar 数据进行处理，获取了两个相近时段的地表形变结果，发现监测结果的形变规律与冻土冻胀融沉规律十分吻合，证实了 D-InSAR 技术在大范围冻土形变监测领域具有良好的适用性[20]。
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第二章 InSAR 基础理论与技术研究
2.1 InSAR 技术基本原理
SAR 是一种采用侧视成像方式的主动微波遥感系统。在雷达系统发展的早期阶段，它的主要目的是为了满足军事侦察的需求，并在第二次世界大战中得到首次应用。一开始雷达系统并不具备成像的能力，仅能获取目标的距离信息和移动方向信息。真实孔径雷达（RealApertureRadar，RAR）是第一种具备侧面成像功能的雷达系统，其雷达天线越长，接收到的地面信息越多，但天线尺寸的大小严重限制了本身的成像分辨率。因此，SAR 应运而生。
虽然 SAR 是在 RAR 基础上发展而来的一种雷达系统，但是两者的成像原理具有较大的差异。雷达系统的成像原理和 SAR 系统的成像原理如图 2-1 所示。RAR 前后两次发射波束，第一次波束照射的区域与第二次波束照射的区域并不相同，即RAR 通过波束进行单次成像。SAR 前后两次发射的波束覆盖同一区域，主要是利用两次波束发射时间前后雷达与目标之间的相对位移，得到相干信号的变化。
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2.2 D-InSAR 技术基本原理
最初的 D-InSAR 技术是在 InSAR 技术的基础上发展而来，当 SAR 传感器再一次到达同一位置时，其获取的影像所在地区的几何位置出现变化，那么该地区地表出现相应的形变变化。通过对同一轨道不同时相的两景 SAR 影像差分干涉处理来获取地表形变信息，该技术被称为 D-InSAR 技术。在地表形变监测领域中，常规的差分干涉测量方法有以下三种：二轨法、三轨法和四轨法，接下来对这三种方法分别予以介绍。
2.2.1 二轨法
1993 年，Massonnett 等人提出了二轨差分干涉测量模型，利用该方法成功获取了美国加州兰德斯地震的形变场[18]。目前二轨法是使用最多、最为简单的一种差分干涉处理方法[41]。
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第三章 基于 InSAR 技术的视线向形变场提取 ........................21
3.1 研究区域和数据概况....................21
3.1.1 研究区域概况....................21
3.1.2 数据概况.......................22
第四章 基于观测时间配准的升降轨 InSAR 数据二维形变场解算 ......................33
4.1 一维视线向形变的局限性.........................33
4.2 InSAR 二维形变解算原理 ...................................33
4.3 升降轨 InSAR 数据观测时间配准 .............................35
第五章 结论与展望..........................45
5.1 总结..............................45
5.2 展望.......................46
第四章 基于观测时间配准的升降轨 InSAR 数据二维形变场解算
4.1 一维视线向形变的局限性
D-InSAR 技术和时间序列 InSAR 技术提取的是地表一维形变信息，它仅仅代表了传感器成像方向上的真实空间位移，即视线方向上的投影。由于现有在轨SAR 卫星的飞行轨道一般为近极地轨道，且多为右侧视成像，这种观测方式导致了 D-InSAR 技术在垂直向、东西向和南北向的形变监测敏感度存在差异[54-56]。因此一维视线向形变场并不能完全反应地表的真实形变状态，即存在视线向模糊的问题。
传统 InSAR 技术监测地表一维形变，存在视线向模糊的问题。为了解决该问题，基于 InSAR 技术可以提取地表的二维形变场或三维形变场。在地表长时间缓慢形变的地区，InSAR技术提取地表三维形变场不仅需要大量的升降轨SAR影像，同时也需要外部的 GPS 数据作为辅助。在 SAR 影像数据和 GPS 数据都缺少的地区，往往很难实现地表的三维形变监测。然而，仅需要联合升降轨一维形变场就能得到地表二维形变场。
在利用 D-InSAR 和 SBAS-InSAR 技术获取升降轨一维形变场之后，针对一维形变场存在的视线向模糊问题，本章在已获取的升降轨视线向一维形变场的基础上，提出了一种基于升降轨观测时间配准的地表二维形变监测方法。在 InSAR二维形变解算原理的基础上，利用数据插值技术实现了升降轨观测时间的配准，通过联合时间配准后的两个一维形变量，获取研究区域的二维形变场，并对结果展开分析。
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第五章 结论与展望
5.1 总结
为了克服传统 InSAR 在地表监测方面存在的视线向模糊的问题，本文首先利用 D-InSAR 技术获取了降轨视线向的一维形变场，同时利用 SBAS-InSAR 技术获取了升轨视线向的一维形变场，对 InSAR 技术的局限性进行了分析；然后，采用数据插值技术，对升降轨 InSAR 观测时间进行了配准，通过联合时间配准后的两个一维形变场，解算得到更准确的垂直和水平东西向地表二维形变场。最后，对得到的地表二维形变场进行验证与分析，证实了本文所提方法的有效性。本研究的主要研究内容总结如下：
（1）InSAR 技术基本原理。本研究介绍了 InSAR 技术、D-InSAR 技术和时间序列 InSAR 技术在地表状况监测领域的发展和应用，并对国内外 InSAR 监测地表二维形变、三维形变研究概况进行了阐述，反映出 InSAR 技术在地表形变监测中巨大的应用潜力。
（2）InSAR 技术提取视线向形变场。采用 D-InSAR 技术获取了研究区降轨视线向一维形变场，同时采用 SBAS-InSAR 技术获取了研究区升轨视线向时间序列一维累积形变场，为下一步二维形变场的解算打下基础。
（3）基于观测时间配准的升降轨 InSAR 数据解算二维形变场。根据卫星飞行方向与地面之间的几何关系，联合前述章节已得到的升降轨视线向形变场，解算得到地表垂直和东西方向的二维形变场。由于不同轨道视线向形变场之间存在时间不一致的问题，采用立方插值法，对升降轨的 InSAR 观测时间进行配准。联合时间配准后的升降轨视线向形变场，得到更准确的二维形变场。该结果与相关部门公布测量信息基本吻合，证实了所提方法的有效性。
参考文献（略）