博士学位论文

星载SAR干涉测量技术及其在南极冰貌地形研究中的应用

研究生姓名： 　周春霞

指导教师： 　　鄂栋臣 教授 　廖明生 教授　 葛林林 博士

学科专业名称： 固体地球物理

研究方向： 　　星载合成孔径雷达干涉测量

　　　　　　　　　　　　　摘　要

　　南极大陆常年被冰雪所覆盖，气候严寒，其四周又被浩瀚的大洋所包围，远离其它各大陆，因此，长期以来人类难以接近。直到20世纪50年代，南极洲完整的轮廓才出现在世界地图上。清晰认识了南极洲轮廓，更让人好奇的是轮廓里的世界。随着科技进步，特别是空间对地观测技术的发展，南极已经越来越清晰地呈现在我们面前。1997年，随着加拿大RADARSAT-1卫星上的合成孔径雷达天线转向左视，填补了南极洲高纬度区域的空白并得到了整个南极大陆的高分辨率地图。

　　南极与全球气候、生态环境以及人类社会未来发展等一系列重大问题密切相关。对南极的探索并不能完全离开亲临冰原，但如果只凭人类的足迹去一点一滴地揭开它的奥秘是不科学的。空间对地观测技术为人类探测南极冰盖及冰盖下的大陆，发现其资源，认知其机理打开了新的局面，为人类更深刻地认识南极提供了更广阔的途径。

　　合成孔径雷达干涉测量作为一种极具潜力的空间对地观测技术，在近10年来得到迅速发展，也成为国际上的研究热点。其优势在于全天候、全天时工作，不受云雾干扰，并能一次大面积成像。对于南极地区，则能不分极昼极夜正常工作，一方面对人类难以到达的区域进行大规模、大面积的地形测量，更重要的是差分干涉测量能监测厘米甚至毫米级的形变，为监测南极冰盖、冰架、冰川的变化，探求整个南极的动态变化提供了途径，为研究极地与全球的关系提供了线索。

　　本文研究目的主要有两点：其一，为我国极地科学考察提供技术支持，探索新途径。其二，为我国极地环境科学研究做出积极的贡献。在中国第16次南极科学考察1999/2000度夏期间，大地测量人员冒着极大的生命危险，历时一个月，成功地完成了Grove山核心区的野外测量任务，并于2001年4月绘制成图。但是在南极内陆这种自然条件极端恶劣的情况下，传统的测量方法并不是获取南极DEM及地图的最有效途径。因此结合中国南极科学考察，一方面对InSAR技术本身不断探索，另一方面探讨将此技术更好地应用到南极研究中。本文主要研究内容包括：

（1）利用InSAR生成东南极Grove山数字高程模型

　　利用ERS-1/2 tandem星载SAR数据，在综合分析实测DEM的等高线走向、冰川运动趋势及冰貌地形、在正确选择高程参考点的前提下，成功获取东南极Grove山地区的数字高程模型。基于和野外实测资料的比较分析，论证了InSAR-DEM具有较高的准确性，证明了InSAR用于南极制图的可行性。同时揭示了地面坡度对干涉相位的影响不可忽视，如果高程变化太快，干涉条纹产生重叠，会导致严重的失相关，从而无法对高程进行准确推算。

（2）InSAR-DEM的滤波

　　考虑到今后地图制图和等高线绘制，研究了InSAR DEM的滤波方法。通过对均值、中值及二项式系数滤波方法的深入比较分析，研究发现了二项式系数这种无相位畸变、简单易行的滤波方法。

（3）外部DEM在干涉测量和差分干涉测量中的应用

　　详细分析了外部DEM在干涉测量及差分干涉测量应用中的实质和异同，并论证了外部DEM在利用干涉测量生成DEM过程中作用，其主要贡献在于降低解缠难度，特别是对于陡坡地段有明显的效果，使地形剖面线走势从偏离甚远改善至和真实地形一致。同时基于所用的SAR数据对，深入分析了短基线抗误差干扰能力差带来的影响，说明了在选择数据时遵循最优基线原则的重要性。

（4）利用差分干涉测量监测地表沉降

　　在差分干涉测量中，从理论上加以证明和分析并指出了外部DEM应用于差分干涉测量中的精度问题，对外部DEM的精度要求和空间基线及要检测的形变量的大小有关。并在实践中利用1弧秒分辨率外部DEM成功获得地表沉降量，也进一步证明了D-InSAR技术是监测地表沉降的有效手段，它能提供面信息量是传统的测量方法所不能比拟的优点。

（5）分析南极地区现有最优的RAMP/DEM

　　通过对南极地区现有最优的RAMP/DEM和实测数据及InSAR DEM的比较分析，表明RAMP/DEM的精度满足不了监测微小形变的要求，从而建议现阶段南极内陆地区差分干涉应用主要以3-pass，4-pass为主。今后若有高精度外部DEM的支持，则可以采用2-pass方法。

（6）基于相干性的蓝冰信息提取及冰流向线和冰裂隙的识别

　　利用Grove山地区相干性的特殊分布，成功提取蓝冰分布信息，并分析蓝冰和陨石的关系；同时在相干图里识别冰流向线，为分析冰川运动趋势、更合理地比较分析InSAR-DEM和GPS-DEM提供了线索；冰裂隙的识别为野外考察的安全提供了基础保障。

（7）卫星姿态误差对干涉测量相干性的影响

　　AR数据是开展研究的基础。由SAR影像数据的相干性差引出了ERS-2陀螺仪问题，提出基于相干性的SAR干涉测量影像质量分析，探讨2000年后ERS-2卫星姿态问题引起的多普勒中心频率偏差，为用户对ERS-2的数据选择提供新的参考。