1、雷達差分干涉技術(D-InSAR)
由于InSAR算法的缺陷,再其算法的基礎上上將平地相位、地形相位、噪聲相位、大氣相位去除,即可得到地表形變相位,這樣的雷達干涉技術被稱為雷達差分干涉技術(D-InSAR),目前該項技術可用于探測厘米級的地表形變。其幾何關系見圖3,根據其幾何關系可以推導出地表真實三維形變在雷達視線方向(line-of-sight,LOS)的投影關系式:
式中,Δr 為所要求解的地面目標點的LOS向形變信息;λ為雷達波長。
除了地形因素外,時空失相干、大氣、軌道等也是影響D-InSAR技術的形變監測精度的主要因素。衛星硬件的不斷發展,重返周期越來越短會導致微小形變與噪聲之間的混疊,空間分辨率越來越高也會導致噪聲更加復雜,這些都對常規D-InSAR的形變監測提出更高的挑戰。此外,D-InSAR算法得到的地表形變在雷達視線LOS向的投影,通過角度才能換算到地表的變形量。在進行角度換算時通常假定水平方向上無形變,然而很多情況下這一假定并不能完全滿足,因而就會造成數據解釋出現問題。
2、PS-InSAR方法
鑒于D-InSAR算法的缺陷,意大利雷達遙感專家Alessandro Ferretti于1999年提出了PS-InSAR方法。其基本思想是:第一,利用覆蓋同一研究區的多景單視SAR影像,選取其中一景SAR影像作為主影像,其余SAR影像分別與主影像配準,依據時間序列上的幅度和(或)相位信息的穩定性選取永久散射體(Persisttent Scatterer, PS)目標;第二,經過干涉和去地形處理,得到基于永久散射體目標的差分干涉相位,并對相鄰的永久散射體目標的差分干涉相位進行再次差分;第三,根據兩次差分后的干涉相位中各個相位成分的不同特性,采用構建形變相位模型和時空濾波或方式估計形變
和地形殘余信息。
PS-InSAR技術不是針對SAR 影像中的所有像元進行數據處理,而是選取在時間上散射特性相對穩定、回波信號較強的PS點作為觀測對象。這些PS點通常包括人工建筑物、燈塔、裸露的巖石以及人工布設的角反射器等。PS點的準確選取可以確保即便在干涉對的時間或空間基線很長的條件下(甚至達到臨界基線),PS點依然呈現出較好的相干性和穩定性。PS-InSAR技術已在多個城市的高分
辨率地面沉降監測中得到廣泛應用,特別是城市重點基礎設施的高分辨率形變監測。通過對比同期的水準和GPS測量數據,證實了PS-InSAR技術具有較高的可靠性,其精度可以到mm級。
然而PS-InSAR方法也存在自身的缺陷,主要表現在兩個方面:第一,其通常要求覆蓋同一區域的SAR影像數目較多(通常要求大于25景),便于保證模型解算的可靠性。其次,PS-InSAR技術由于是基于大量PS點的迭代回歸或網平差計算,運算效率不高,因此不適合大范圍地區高分辨率的地面沉降監測。
3、SBAS-InSAR方法
SBAS-InSAR方法克服了PS-InSAR因選取一幅影像作為公共主影像而引起的部分干涉圖相干性較差的不足,同時降低了對SAR數據的需求量,提高了運算效率。SBAS-InSAR方法多時相InSAR 技術(multi-temporal InSAR,MT- InSAR)的一種形變監測的算法,其原理如下:首先對覆蓋某個地區的不同時間段的多景SAR影像計算時間空間基線,選擇恰當的時空基線閾值選取干涉對;然后對選取的干涉對進行差分干涉處理并進行相位解纏;最后根據自由組合的干涉圖形成子集的情況,對所有干涉圖組成相位方程采用最小二乘法或者
SVD方法進行形變參數的估計。在實際處理中會采用時空濾波的方法去除大氣延遲的影像分離出非線性形變,估算的低頻形變與此非線性形變的總和即為整個研究區的形變信息。
為了提高高質量相干點的密度、減弱誤差的影像、改善形變參數估計結果的精度,國內外學者提出了一些將PS-InSAR和 SBAS-InSAR方法的優點融合的算法,已經有很多成功的案例。
4、DS-InSAR方法
DS-InSAR方法中經典的算法是TRE-ALTAMIRA公司意大利雷達遙感專家Alessandro Ferretti于2010年提出SqueeSAR算法,該算法于2011年首次正式發表在文獻中。SqueeSAR™是TRE-ALTAMIRA公司的獨有的專利技術,可測量大范圍內毫米級精度的位移速率和每個測量點的位移。SqueeSAR的技術要點是:①通過同質點選取算法增強時序InSAR協方差矩陣的估計精度,并同時輔助PS與DS目標的分離;②通過相位優化算法從協方差矩陣中恢復時序SAR影像的相位。在第1個步驟中,其前提條件是相同SAR影像質地的像素具有相同相位中心,因此在時序統計推斷的框架下,選取具有相同SAR統計分布的像素參與平均不僅可以提升相位信噪比,還能保留圖像的空間分辨率。
5、MAI方法
MAI技術的提出旨在獲取地表方位向的形變信息,由于方位向和LOS向相互垂直,因此為DS-InSAR的監測結果起到很好的補充作用,進而獲取地表三維形變信息。
MAI的技術原理主要是通過方位向公共頻譜濾波技術重新確定SAR數據的零多普勒中心,進而將一景SAR影像重新劃分為前視與后視兩景影像。通過對主影像和從影像的前視與后視影像分別進行影像配準、多視處理、生成干涉圖、去平地相位、去地形相位以及濾波處理得到前視干涉圖與后視干涉圖,再對前視與后視干涉圖進行差分處理后,即可得到MAI干涉圖,其包含的即為方位向形變相位。