现代变形监测技术的发展与展望

3.2.2 D-InSAR在形变监测应用方面存在的问题

D-InSAR监测技术具有全天候、无接触、低成本等特点，可以在大面积范围内（100km×100km）监测地面的微小形变，不需要测量人员进入灾害地区，而且D-InSAR一幅图像就可以提供控制空间分辨率达5m×20m的1万平方公里的地表形变数据，具有其它大地测量方法所不能比拟的优势。

但InSAR数据质量要受到多种因素的影响，SAR卫星轨道误差、大气层延迟误差、系统热噪声引起的热失相关、多普勒质心引起的失相关、空间基线过长或过短引起的基线失相关、地面散射引起的失相关、两次飞行不平行引起的旋转失相关、两次飞行期间气候和地面等环境因素发生变化引起的时间失相关以及数据处理过程引起的噪声等多种因素影响，造成了InSAR技术应用中的许多实际困难，而且精度也受到一定的限制^[24]。另外，InSAR卫星具有固有的运行周期，不能满足时间域上的高分辨率，不适合高动态的形变监测。

为了解决时间长，干涉相干大大降低的问题，在卫星方面采用多个卫星串行方式。欧空局的ERS-1和ERS-2两颗卫星构成串行星对，对同一地面访问时间差一天，使得两次取得的SAR数据之间的相干性得到一定的保障，ERS-1卫星2000年停止工作后，2002年，欧洲空间局发射了ENVISAT卫星，ERS-2/ENVISAT星也构成串行星对。

20世纪90年代后期，随着小卫星技术的发展，利用编队卫星技术进行干涉测量成为星载InSAR发展的趋势，典型的方案有法国的干涉车轮（Cartwheel）和德国的Tandem-X任务。法国的干涉车轮方案由3颗SAR接收小卫星和一个主卫星组成，3颗小卫星飞行在主卫星之前或之后约100公里，主卫星发射雷达脉冲信号，3颗小卫星编队飞行的同时进行接收，来保证干涉测量。德国的Tandem-X任务，TerraSAR-X雷达卫星计划2006年10月发射，TanDEM-X雷达卫星计划于2009年发射，两颗卫星即可独立工作，又可构成串行星对，构成一个高精度雷达干涉测量系统^[30]。我国将于2007年发射由2颗光学小卫星和1颗合成孔径雷达小卫星组成的“2＋1”环境与灾害监测预报小卫星星座，并计划进一步实现由4颗光学小卫星和4颗合成孔径雷达小卫星组成的“4＋4”星座。

在地面方面，为解决工作区域的相干性较弱问题，在预先设定的监测点上设置具有高精度坐标的人工角反射器，适当安装角反射器，当SAR成像时将会强烈反射过来的电磁波，在影像出现明显的特征点。或者找到类似于角反射器的永久性散射体(Permanent Scatters)，PS是对电磁波具有强反射特点，且其几何形状和物理特性在很长时间内不会明显变化的地物，以人工地物居多，也可能是自然地物，比如裸露的岩石、高楼、灯塔等^[36]。利用GPS精确测定PS的三维坐标，便于准确地确定其在影响坐标系和地理坐标系中的位置，可以校正由InSAR数据得到的DEM和变形分布图。我国从2004年4月启动的中欧“龙”计划，主要开展的一项重要工作就是永久散射体（PS）技术^[31]。采用该技术进行地表形变监测的研究，首个试验区为上海，长江流域的新滩和万州两个不稳定地区，采用角反射器后D-INSAR的监测精度可达１毫米。数据处理工作主要由欧洲合作方完成，武汉大学方面也初步具备了PS技术的数据处理能力。ASAR数据在上海、天津等实验区也进行提取DEM和沉降监测的实验，并完成了相应的软件环境建设。

D-InSAR作为最重要的对地观测监测技术，监测范围大且属于面监测，将会逐步成为大区域地面形变监测的重要手段。

3.3 LIDAR技术的应用

飞机搭载型简称为机载型，飞机以小型飞机或直升机搭载为主。机载的激光扫描测量，一般与GPS、陀螺、惯性测量系统(IMU)、大面阵数码相机(DC)结合，可以在很短时间内获取适合GIS使用标准的大范围的、详细的、三维地形数据。在精度上，Z方向的精度优于XY方向，最好可达10-15cm，最差0.5m，XY方向上的精度为15cm-1m。机载型的三维激光扫描系统测量范围大，速度快，但精度较差，构成价格昂贵，在我国推广还有相当难度。

山西亚太数字遥感新技术有限公司，利用从国外引进的空中激光扫描系统(LIDAR)，于2005年3月2日在太原地区进行空中试飞，成功地获取了激光扫描数据和相应的图像数据，这在国内尚属首次，此次飞行获取的数据准确、完整，为用航空摄影测量成大比例尺的线划图和相应图件成为现实^[32]。

4.基于GIS的监测数据分析系统

随着GIS技术的发展，GIS已不单是简单的地图工具，它通过科学的手段将现实空间世界转化为数学模型，通过这些数学模型的分析计算并结合各专业知识进行创造性分析来解决问题。基于GIS的变形分析与预报专家系统，开始成为热门的研究。利用GIS工具进行变形分析的关键，要在GIS系统中解决四维时空的问题^[40]，利用GIS进行变形分析主要利用统计方法分析变形与各影响因素之间的关系，利用GIS的叠加功能等得到变形灾害图，结合基于GIS数据库的力学模型，进行变形的分析与预报。GIS就是将与变形有关的众多的内因和外因，所有数据都抽象为GIS的向量层或者栅格数据层，然后利用力学参数模型进行灾害评估和分析。

另外，GIS可以把大坝、滑坡体及其周围地区的地形、地貌、地物、变形测量点等信息放置到电子地形图上。通过图形与属性数据库的连接和多期变形测量结果趋势性计算与变形趋势图的制作，建立可视化的变形测量查询、分析、管理信息系统，将更加有利于变形测量分析与管理。基于Web-GIS平台开发实时监测预报系统，可以实现全国范围内灾害信息的发布与查询。

5.结论

随着计算机技术、无线电通讯技术、空间技术及地球科学的迅速发展，RTS、GPS、RS、内观传感器及GIS技术已从各自独立发展进人相互集成融合的阶段。在大范围的地质灾害监测方面，逐渐形成大时间尺度以遥感（RS）为主，配合中长距离的GPS监测，小时间尺度的监测主要以实时自动监测手段为主。形成从天上到地面，从面到点的立体监测网络，技术集成为分析和研究各种灾变信息之间的相互关系提供技术支撑。

因此，现代工程变形监测技术，综合体现在数据获取的高精度、自动化，监测设备多层次的集优化，变形数据分析的专业化、信息化，监测信息共享的网络化。

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