探讨InSAR技术在自然灾害生态环境监测方面的应用和进展

探讨 InSAR技术在自然灾害生态环境监测方面的应用和进展

杨永霞

江西省九龙地质建设工程院 337000

摘要：本文主要介绍了InSAR技术及其在灾害预警中的应用，另外还介绍了其升级版PSInSAR技术，包括自然灾害生态环境中的基本原理、处理方法和技术工作流程和优势。有效针对城市地区的地表变形和沉降监测、火山和地震监测、冰川运动、矿山和油田非法采矿事件的研究和预防具有非常高的应用潜力。同时利用卫星，还可以获取大规模全天候动态监测数据，全球定位系统为InSAR提供高精度、高时间分辨率的可靠数据。

关键词：InSAR；自然灾害监测；生态监测；应用进展

InSAR在数字高程模型、洋流、水文、林业、沿海地区、地面沉降、火山地震活动和极地研究等方面有许多应用。该技术可以在全球范围内获取大面积高精度、快速准确的数字高程模型，尤其是针对一些传统测量方法无法实现的偏远地区。

1. InSAR技术的基本测量原理

合成孔径雷达干扰的物理机制来源于“杨氏双缝干涉实验”。电磁波或光波通过两条狭缝以不同的传播距离到达接收屏上的同一位置，使两路光波产生一定的相位差，造成相位重叠或抵消，出现明暗条纹。InSAR是基于这一原理发展起来的新技术，在观测中，干涉实验的两条缝与两颗相邻城市卫星的轨道空间位置相同，光波成为雷达电磁波，地表类似于接收屏幕。在数据处理中，通过对沿卫星重复轨道获得的两幅SAR图像中对应像素的相位值进行分析，可以得到相位差图，一般称为干涉相位图。干扰相位是参考椭球、地形起伏、大气和地面异常等因素的实现。将InSAR技术应用于地表变形监测时，常用的地表信号提取方法主要有2轨配合外DEM法、3轨法和4轨法。其中，双轨配合外部DEM方法应用最为广泛，主要利用变换周期内的两幅SAR图像和对应区域的外部DEM完成微分干涉处理，使用跨越变形周期的两幅SAR图像进行干涉，去除椭球相位，然后在图像干涉域范围内对外部DEM配准进行采样，并根据干涉基线和外部计算该信息，通过从DEM高程信息干扰相位中减去地形相位信息，最终得到包含变形信号的干扰相位。

2. InSAR技术在自然灾害警示方面的应用

InSAR技术在地震方面的机理理论研究中得到了很好的应用。该技术通过获取地震位移和震后变形，研究地表位移，结合变形模型模拟结果，能够分析变形场，计算震源参数，分析地震发生机制，解释地震演化过程等。

利用InSAR技术，可以通过研究火山的沉降抬升，分析火山运动规律来预测火山喷发。近年来，利用该技术分析火山喷发的例子越来越多，包括意大利的Ena火山、夏威夷的檀香山、阿拉斯加的活火山等。

在我国地质灾害严重的地区，InSAR技术在其中也起到了关键的监测作用。例如，早期的滑坡监测主要基于雷达卫星数据的差分干扰处理方法，该方法起到一定的效果。后相关人士采用InSAR技术对三峡地区的滑坡进行监测，在秭归区域利用高分辨率TerraSAR-X数据进行滑坡监测。研究结果表明，利用高分辨率SAR图像幅度和差分干涉相位信息可以成功检测滑坡的时间、位置和变形，证实了高分辨InSAR的重要优势。同时，利用时序InSAR对滑坡体的缓慢变形进行监测，为滑坡预警提供重要根据。TerraSAR-X数据的幅度和相位信息可用于定位滑坡位置、时间和变形量。滑坡变形监测已有多种成熟可靠的方法，但由于特殊的地形条件，现有方法难以实现大面积、高密度、连续变形监测。但是，InSAR技术的使用很好地克服了这些障碍，实现了全天候连续监测。

3. PSInSAR在自然灾害生态环境中的应用

与InSAR技术相比，PSInSAR技术具有更多的信息含量和更高密度的可选参考点，因此可以处理10年以上跨度的相关图像，可以有效消除大气相位的影响，获得单个点的高度和运动变化。从经济层面上讲，该技术无需长期地面观测场地、设备和人力，测量精度是长期野外观测的数据不相上下。

图1

地面沉降是许多城市，特别是沿海城市，面临着的突出地质灾害，随着人口和经济的发展，这一问题逐渐突显。

图1为通过PSInSAR技术获取的上海市的地表沉降图。

通过在安装人工角反射器并结合自然PS点，我们可以不断增加观测点密度以及研究区的SAR图像，通过PS点处理，计算出该区域活动断层的地壳应变位移、年平均应变位移、运动速度等定量数据。结合全球定位系统数据，计算断层和垂向的位移应变和滑移方向。通过在时间轴上矢量叠加两个方向的位移和应变变量，可以得到三维动态位移场、速度场和局部表面应变场。另外还可设立地震前微观变形的设施。对地震期间的潜力和震后变形反冲等地表变形研究提供大量相关数据。

GPS和PSInSAR的有效结合也使研究更加广泛。例如该系统可获取汶川地震三维应变场、时间序列以及变化特征等越来越多的信息源。同时，可以根据基底裂缝的时间流逝来分析方向轨迹和滑动速率。

沉降是许多城市特别是沿海城市面临严重地质灾害的问题，并且随着人口和经济的发展日益严重。我国目前的非法开采导致地面塌陷的发生率逐年增加，如果将该项技术技术应用到开采监测中，可以有效减少非法开采事故的发生。确保矿区和油田安全。

结束语：随着InSAR技术的发展，其越来越多地被用于监测自然灾害和生态环境。 尤其是山区等地质环境碎片化，地质活动频繁化，气候条件复杂多变等未知因素，严重威胁当地居民生命财产安全和社会可持续发展。因此，预防和减少灾害发生最有效的方法是尽早发现、识别和确定隐患等级，为综合治理或搬迁提供进一步的监测预警、决策信息等技术性支持。

参考文献：

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