3.5基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)
基礎(chǔ)設(shè)施，如高速公路、高速鐵路、發(fā)電設(shè)施、碼頭等，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的鏈條。受區(qū)域不合理的人類(lèi)工程活動(dòng)等因素的影響，基礎(chǔ)設(shè)施周邊出現(xiàn)嚴(yán)重的地表形變，影響基礎(chǔ)設(shè)施的地基穩(wěn)定性，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)造成潛在的安全威脅。因此，監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施地表形變，對(duì)于保障基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定安全運(yùn)營(yíng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。MT-InSAR技術(shù)能夠快速提供高精度、高空間分辨率以及大范圍空間連續(xù)覆蓋的地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，為基礎(chǔ)設(shè)施地表形變監(jiān)測(cè)提供更全面有效的手段[68]。
近年來(lái)，隨著SAR衛(wèi)星的不斷發(fā)展，SAR影像的空間分辨率不斷提高，最高達(dá)到0.25m，極大地提高了InSAR技術(shù)的精細(xì)化形變監(jiān)測(cè)能力[69]，使得InSAR技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施的形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用不斷擴(kuò)寬。盡管InSAR在基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)中取得了較好的應(yīng)用效果，但是InSAR在實(shí)際應(yīng)用中仍存在挑戰(zhàn)。由于受最小天線面積的限制，傳統(tǒng)SAR傳感器無(wú)法在滿(mǎn)足影像分辨率和幅寬的同時(shí)提高，因而難以實(shí)現(xiàn)超大范圍高分辨率基礎(chǔ)設(shè)施的形變監(jiān)測(cè)，例如我國(guó)京廣高鐵線路(上千千米長(zhǎng)度)。
3.6冰川運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)
由于微波能穿透一定深度的冰/雪面，InSAR觀測(cè)可以不受冰雪表面光學(xué)對(duì)比度/紋理的制約。此外，冰川區(qū)經(jīng)常被云層覆蓋，而微波卻可以穿透云層。因此，在冰川動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面InSAR相對(duì)其他手段有巨大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，InSAR技術(shù)在冰川的應(yīng)用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面；①利用InSAR相干性提取冰川邊界。由于形變和融化等影響，冰面相干性普遍要低于非冰面，快速流動(dòng)冰面普遍要低于緩慢流動(dòng)冰面，因此根據(jù)相干性分布可以提取冰川邊界以及入海冰川的陸上部分[70]。②利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)冰川流速。1993年Goldstein等首次利用D-InSAR技術(shù)獲取了南極Rutford冰川的流速。隨后，D-InSAR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于格陵蘭島[66]、南極[71]、斯瓦爾巴特群島[72]等區(qū)域的冰川流速監(jiān)測(cè)中。然而在中低緯度區(qū)域，受冰面InSAR相干性低的限制，相關(guān)的研究?jī)H局限于部分流速較為緩慢的冰川，例如珠峰地區(qū)Khumbu冰川和Kangshung冰川[73]，唐古拉山冬克瑪?shù)妆╗70]。由于測(cè)量的是一維形變，單軌道D-InSAR很難反映冰川真實(shí)流速信息。針對(duì)這一問(wèn)題，基于冰面平行于河床流動(dòng)的假設(shè)和升降軌數(shù)據(jù)融合，文獻(xiàn)[74]采用D-InSAR技術(shù)估計(jì)格陵蘭島的Storstrømmen冰川的三維流速。很明顯，這種三維流速解算并不是嚴(yán)格的。于是文獻(xiàn)[75]通過(guò)4個(gè)Radarsat影像干涉來(lái)重建埃爾斯米爾島北部HenriettaNesmith冰川的真三維流速。但這種基于多角度的嚴(yán)格三維觀測(cè)需要有足夠的數(shù)據(jù)支撐，在中低緯度區(qū)域很難滿(mǎn)足。雖然采用MAI技術(shù)基于單個(gè)SAR影像對(duì)可以同時(shí)獲取冰川在雷達(dá)視線向和方位向的流度，但事實(shí)上MAI技術(shù)對(duì)影像的相干性要求更高。因此，一般情況下的冰川三維流速監(jiān)測(cè)須聯(lián)合D-InSAR、MAI、Offset-tracking等多種SAR技術(shù)[40]，而如何給各個(gè)觀測(cè)值合理定權(quán)則具有一定的挑戰(zhàn)性。③利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)冰川的厚度變化。2000年基于單軌雙天線InSAR技術(shù)獲取的SRTMDEM因其精度穩(wěn)定被廣泛采納為冰川厚度變化監(jiān)測(cè)中的歷史或最新高程數(shù)據(jù)來(lái)源[76]。然而其他SAR衛(wèi)星任務(wù)多為常規(guī)重復(fù)軌道單天線模式，InSAR技術(shù)因?yàn)槭艿酱髿夂捅ㄐ巫兊扔绊懞茈y準(zhǔn)確獲取冰川高程。純InSAR技術(shù)成功監(jiān)測(cè)冰川厚度變化的案例集中出現(xiàn)在TanDEM-X數(shù)據(jù)公開(kāi)后(2013年)。TerraSAR-X和姊妹星TanDEM-X組成的雙基站星座可以獲取幾乎不受大氣變化和冰面形變影響的干涉對(duì)。自2013以來(lái)，利用TanDEM-X雙基站干涉對(duì)與SRTMDEM來(lái)獲取冰川厚度變化的研究在南極洲[77]、格陵蘭島[78]、高亞洲[79]等地區(qū)陸續(xù)開(kāi)展，極大地豐富了社會(huì)對(duì)山岳冰川響應(yīng)全球氣候變化的認(rèn)知。
3.7凍土過(guò)程監(jiān)測(cè)
近年來(lái)，在全球氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)的干擾下，全球多年凍土均發(fā)生了不同程度的退化，引起了水土流失、草場(chǎng)退化和環(huán)境變化，對(duì)寒區(qū)的重點(diǎn)工程和設(shè)施的安全造成了威脅。大范圍高精度高分辨率的對(duì)多年凍土區(qū)的進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)和活動(dòng)層厚度變化監(jiān)測(cè)，對(duì)寒區(qū)安全平穩(wěn)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的科學(xué)意義。
InSAR為多年凍土區(qū)形變監(jiān)測(cè)方法和活動(dòng)層厚度的監(jiān)測(cè)提供了一種全新的、非常有效的測(cè)量方法。文獻(xiàn)[80]采用D-InSAR探測(cè)加拿大北部地區(qū)的凍土區(qū)地表變形，開(kāi)創(chuàng)了InSAR技術(shù)在凍土區(qū)形變監(jiān)測(cè)方面的先河。隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展，PS-InSAR、SBAS-InSAR技術(shù)也相繼被用于監(jiān)測(cè)凍土區(qū)地表形變。但由于凍土區(qū)地表形變復(fù)雜，文獻(xiàn)[81、83]分別提出了并采用考慮凍土融化時(shí)發(fā)生沉降累積時(shí)間的形變觀測(cè)模型、三次冪函數(shù)形變模型、周期性模型、顧及氣候因子影響的形變模型用于監(jiān)測(cè)不同凍土區(qū)的地表形變，取得了比較可靠的結(jié)果。利用InSAR技術(shù)獲取凍土活動(dòng)層厚度的研究仍處于探討階段。文獻(xiàn)[82]根據(jù)水質(zhì)量守恒，建立形變-活動(dòng)層厚度反演模型，反演了美國(guó)阿拉斯加州北部靠近普拉德霍灣的多年凍土活動(dòng)層厚度。文獻(xiàn)[24]考慮凍土的熱物理性質(zhì)，提出了基于InSAR形變結(jié)果與土壤一維熱傳導(dǎo)模型的活動(dòng)層厚度反演方法，得到了青藏高原當(dāng)雄凍土區(qū)平均活動(dòng)層厚度。文獻(xiàn)[86]采用Liu等提出活動(dòng)層厚度反演方法估計(jì)了青藏高原腹地地區(qū)活動(dòng)層厚度及其變化速率，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。
InSAR技術(shù)在凍土研究中具有廣泛的應(yīng)用潛力。如何利用InSAR監(jiān)測(cè)凍土活動(dòng)層物理參數(shù)，如凍結(jié)融化深度、活動(dòng)層厚度、凍土上限等，仍是一個(gè)棘手的問(wèn)題，仍是未來(lái)該技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。
3.8滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)
早期用于滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)主要是ERS-1/2的串行數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)的D-InSAR技術(shù)取得了一系列有益的結(jié)果。但是由于滑坡所處環(huán)境一般比較復(fù)雜，如地形起伏嚴(yán)重、植被覆蓋較為茂密、部分滑坡滑動(dòng)快速等，使得InSAR觀測(cè)滑坡較為困難。為了解決這些問(wèn)題，MT-InSAR技術(shù)逐漸被運(yùn)用到了滑坡形變的監(jiān)測(cè)中。
首次PS-InSAR技術(shù)的成功試驗(yàn)是文獻(xiàn)[13—14]在2000年對(duì)意大利Ancona地區(qū)開(kāi)展的滑坡監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[87]嘗試將SBAS-InSAR方法用于意大利Maratea山谷的滑坡監(jiān)測(cè)，形變測(cè)量精度也得到了實(shí)地EDM和GPS觀測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證。文獻(xiàn)[88]利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)美國(guó)Berkley地區(qū)的滑坡展開(kāi)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明該滑坡形變歷史進(jìn)程與厄爾尼諾現(xiàn)象存在明顯的相關(guān)性，該成果發(fā)表于國(guó)際著名的雜志《Science》上。隨后，諸多學(xué)者利用或結(jié)合PS-InSAR和SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)了國(guó)內(nèi)外諸多滑坡。在此期間，歐空局發(fā)起了MUSCL和SLAM項(xiàng)目，得到了一系列令人振奮的成果。我國(guó)科技部與歐空局的合作項(xiàng)目——“龍計(jì)劃”，三峽庫(kù)區(qū)重點(diǎn)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝了角反射器，對(duì)我國(guó)三峽地區(qū)的滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。
然而，由于已有的MT-InSAR技術(shù)基本都是基于地面沉降監(jiān)測(cè)發(fā)展而來(lái)，對(duì)于滑坡監(jiān)測(cè)而言無(wú)法達(dá)到其最佳性能。此外，地形起伏引起的幾何畸變和植被覆蓋導(dǎo)致的低相干仍然是InSAR滑坡監(jiān)測(cè)的主要難題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法得到有效的監(jiān)測(cè)結(jié)果。
