环境遥感外文翻译资料

 2022-04-08 23:03:24

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环境遥感

前言：

文章历史

2013年5月8日收到

修订版于2013年10月17日收到

2013年10月19日接收

2013年11月20日在线提供

关键词：

雷达

干涉

多年冻土

地形

移位

伊卡鲁伊机场

北极

摘要：

差分干涉合成孔径雷达（D-InSAR）的使用作为冻土地区地面位移信息的来源正在迅速获得广泛接受。然而，信息的准确性目前尚不完善。本文使用一堆D-InSAR数据来绘制季节性地面离散度数据，安置在加拿大巴芬岛伊卡鲁伊机场。 D-InSAR的准确性和信息内容产品用各种地面实况数据进行评估。 D-InSAR导出的季节性地面位移模式与表层地质单元吻合良好，反映了沉积物的解冻沉降特征;他们还确定了冰楔和冰冻裂缝等特征附近的局部位移模式。在干燥的地区。然而在低洼湿润地区，受到饱和和泛滥的影响，D-InSAR堆叠显着低估了这种沉降情况，只能检测到3.7cm的8.5cm厚的测量结果。高相位梯度和间歇性淹没表面的相干性差使得保存难度很大可靠的相位测量。来自电磁测量的信息表明，某些表面位移与地下条件（b6米深度）有关，可能与存在和相关的条件有关水在活动层中的移动以及在较小程度上的冻土内的未冻结水含量。

  1. 介绍

差分干涉合成孔径雷达（D-InSAR）测量重复SAR采集之间的相位转换在地球表面。这些相移可以转换成地面位移的确定，以及地面位移的时间分离，用于确定地面位移速率的采样（Gabriel，戈尔茨坦和Zebker，1989）用于探测地球表面的运动和量化地球物理。

在高纬度地区，永久冻土通常位于地形的下面。在0°C或更低的温度下研磨霜冻两次或更多次后，永久冻土由活动层覆盖季节性冻结和融化。在永久冻土环境中与季节相关的表面高程变化很小升起和沉降覆盖的活动层，长期永冻土退化或由于当地条件或生长而增长气候变化。这种表面运动通常以厘米为单位分几个月和几年的时间段在D-InSAR可以检测到的范围内。

传统的D-InSAR方法检测每个相移像素在雷达场景中，并产生大覆盖空间数据，但它易受数据丢失和不准确的影响。雷达时数据丢失回声由于空间或时间因素而解相关（Zebker＆Villasenor，1992）。空间因素主要与传感器几何相关，尝试并通过选择小型基底线。时间因素与期间的目标变化有关表面电介质条件的变化。表面介电条件可以通过植被生长或运动或改变水分来改变条件。在永冻土环境中，融雪或湿雪可以成为解相关的重要来源（Wang＆Li，1999）。程度雷达回波相关性是通过测量来表示的一致性完全相关和0完全去相关。

即使在保持一致性的情况下，相移也可能不准确来自引起相位解缠误差的不稳定相位信号，并从大气干扰。出现不稳定的相位信号经历大变形梯度的区域比可以大的区域大这些区域显示为相位噪声，无法正确显示解开。大气干扰是由两者之间的差异引起的SAR对流层水汽含量的收购（Goldstein，1995）或电离层中的电子密度（Gray，Mattar，Sofko，2000）。由于不同的模式，导致相移不准确。这些模式通常可以确定和有问题的场景或对丢弃。大气中可以通过使用一堆InSAR采集来最小化干扰。堆叠方法使用多个重复的InSAR数据集来创建许多干涉图在同一地区。这些干涉图可以总结为使得诸如大气干扰的随机噪声是不重要的，可以提炼出积累的趋势（Lyons＆Sandwell，2003）。多年冻土地区的地表移动通常很缓慢趋势（超过几个月）和堆叠有助于将噪音降至最低提取这种缓慢的趋势。

Liu，Zhang和Wahr（2010）使用了一堆ERS1 / 2采集在1992年至2000年期间确定季节性沉降和年代际沉降在阿拉斯加北坡。他们检测到夏季次级每个解冻季节b4厘米的倾斜率，并指出不同的取代 - 泛滥平原与苔原地区的比率。 Liu，Schaefer，Zhang，＆Wahr（2012）继续使用D-InSAR沉降测量作为输入数据。其他永久冻土环境研究也采用了D-InSAR堆栈方法探测地面位移模式取得了一些成功（Short，Brisco，＆Murnaghan，2012; Short等人，2011;斯特罗齐，格罗斯，Streletskiy，2012），证实可以保持一致性在大型永久冻土地区，在多年的传感器周期内，这一点不同的地形单元表现出不同的解冻解决方案 - 燕鸥。使用地面测量进行定量验证，然而仍然稀疏。

用D-InSAR的另一种方法，持久散射体InSAR（PS-InSAR）已经被开发出来。 PS-InSAR仅使用雷达场景中的目标它可以在很长一段时间内恢复稳定的相位信号（Ferretti，Prati，＆Rocca，2000）。持久目标通常是人造结构，但也可能是基石。 PS-InSAR覆盖永久冻土环境已经产生了一些好的结果，确定了季节性周期（Alasset，Poncos，Singhroy，＆Couture，2008; Fortier，LeBlanc，Falorni和Therrien，2012）和长期的融化沉降（Fortier等，2012）。虽然per-持续的散射体可以产生高质量的结果，空间覆盖率是有限，特别是在偏远地区，人为目标很少存在和安装角反射器是昂贵的。研究正在进行中采用混合方法来识别分布散射体（通常是自然的目标）随时间产生相对稳定的相位信号;这些覆盖面，例如Hooper（2008）和Ferretti等人（2011年）。陈，林，李，Chen和Zhou（2012）对西藏人均收入采用了这种方法，在中国的mafrost高原。他们能够发现季节性的不合理情况，放置趋势和人为造成的长期沉降铁路压实。与原位调平确保产生0.5-4mm量级的精确度（Chen等人，2012），但数据覆盖率仍然受到点分布限制。为了规划新的基础设施，地面位移要比稀疏，甚至是聚集的点要好需要。

迄今为止的结果对于InSAR方法的推导非常有前途多年冻土环境中的地面位移。 PS-InSAR验证表明准确信息的可能性非常高（Chen，2012），但空间覆盖范围有限。 D-InSAR测量结果的单独验证是稀疏的。天然的地形是比人造点目标更复杂，并且相互作用具有高度可变地面的雷达波尚未完成完全理解。这项工作的目的是定量评估季节性地面位移的D-InSAR测量永久冻土地形，使用原位解冻管测量和其他地面实况数据来源。 Iqaluit机场在持续冻土以加拿大努纳武特地区为研究地点。

  1. 研究现场

伊卡鲁伊是一个人口相对较大的北极社区。它位于巴芬东南部的头部岛（63°45#39;N和68°33#39;W），位置见图1。 它位于内部连续多年冻土（Heginbottom，Dubreuil，＆Harker，1995）。1971-2000年的平均月空气温度范围为7.7°C ，年平均值为-9.8°C（环境加拿大，2012）。多年冻土温度约为-5°C在10米深处，自然层的活动层厚度为1.5米地面和2.5米的机场基础设施（LeBlanc等，2013）。研究表明活动层在机场内的一些地方可能会更厚，可能是3米或更高。

伊卡鲁伊是努纳武特的领土首都，它的机场形成了加拿大东部北极的主要交通枢纽。飞机场建于平坦的地形上，周围是山丘和岩石平原前寒武纪盾牌（St-Onge，Jackson，＆Henderson，2006）本地海拔范围从15到125米苔原植被低除暴露的基岩外作物，见图2a中的照片。对于主要植被地区是柳树和荒地，草地广阔，树篱广阔苔藓，取决于湿度条件（Short＆Jacobs，1982）。在机场的西南方向是西尔维亚格林内尔领土公园。 公园毗邻机场的区域是低洼的，潮湿，湿润，并用棉花草和莎草植被，请参阅图2b中的照片。

机场有地形稳定问题的历史和一直详细研究。 当地的地表地质测绘工作已经开展比例为1：8000，电阻率和电阻率沿跑道进行了电磁测量，围裙和其中一条滑行道来调查当地定居点的原因，（LeBlanc，Short，Oldenborger，Mathon-Dufour和Allard，2012，LeBlanc等，2013）。

  1. 数据

RADARSAT-2是2007年12月发射的C波段SAR卫星。SAR波长为5.6厘米，重复轨道为24天并提供各种采集模式。聚光灯模式-1米辨率和HH极化用于伊卡鲁伊。 SAR图像可以在图1中看到。

处理使用高分辨率数字高程模型（DEM）去除由于地形造成的相移。 伊卡鲁伊有一个从立体光学数据导出的1米DEM 8月19日，DEM使用（GPS）数据于2009年7月初收集。使用至尊双频GPS接收器，三个基站（确保在丘陵地带的无线电视线通信）和精确点定位后处理，确定平面精度为b40厘米。垂直精度为72％b 50厘米和93％b 1米（Budkewitsch等，2009）。

收集低感应数量的电磁数据2012年7月24日至8月4日，方式和滑行道A使用Geonics EM31地面电导率仪（麦克尼尔，1980），见图3. EM31仪器诱发电子电流在浅层地下租赁并测量相关部分的强度，以及磁场。磁场强度是一个函数地面的电导率（例如Fitterman＆Labson，2005）。EM31的深度响应是非线性的，发送综合价值;对于所采用的配置（垂直磁 - 大约在地面以上1米高度处的网状偶极子）累积测量信号强度的50％来自顶部地球3米，距离最高6米约70％。鉴于地面的异质性，被测量的数量被称为“表观电导率”并代表电导率可以产生相同测量的均匀地面，与观察到的相同的仪器配置。

但是，在大多数近地表沉积环境中，这取决于孔隙流体的量和连通性以及孔隙流体中携带电荷离子的迁移率。永久冻结有一个由于水的冻结大大减少所以具有强烈的电子签名这导致电导率的显着降低（King，Zimmerman，＆Corwin，1988）。相反，地区的解冻地面在永久冻土地带内将具有较高的电导率。尽管冻土通常具有电阻性，但也是可观的粘土含量或盐水孔隙水可导致电导率升高，活力增加孔隙流体传导率和冻结点深度 - 锡安（罗斯，布拉汉姆，哈里斯和克里斯蒂安森，2007年）。点测量沿测线连续取得的视电导率可以内插以产生视电导率图。电导率图可以用来解释某些组合物质类型以及冻土或未冻结状态下的孔隙水无论哪里至少有8个点位于50米范围内。

2010年夏季安装了两个解冻管来测量升沉和地表沉降（图4）。解冻管由一个外部PVC管，垂直锚固在永久冻土中，内部为透明装满去离子水的塑料观察管（Nixon＆Taylor，Innertubeis使用最大的活跃层数而附加的划线器记录起重和结算当套筒上下移动时会刮擦外部PVC管金属烤架搁在地面上。一个解冻管（T1）是位于机场跑道附近的排水良好的冰川堆积物中。第二个解冻管（T2）位于领土公园，排水不良的海洋沉积物。沉降测量在星期一或非常接近星期一的时候手动录制立交桥。解冻管标记的读取精确度为1毫米。然而，实际上，搁在地上的烤架可能会倾斜观察到管的一侧上的标记不同于标记相反侧le;5毫米。解冻管测量的准确性因此被认为是plusmn;5毫米。

土壤湿度是影响雷达穿透性的一个因素波到地下，并因此可能影响D-InSAR测量流离失所现象（Nolan＆Fatland，2003）。土壤湿度5厘米在表面以下，测量仪表与一个6厘米的探针在解冻管位置相同时间作为解决方案的读数。

  1. 方法

D-InSAR处理使用进行处理软件（Werner，Wegmuuml;ller，Strozzi和Wiesmann，

2000）。因为2012年的数据是已经建立的扩展InSAR协议栈中，共同注册的主场景。这个场景有非常清晰的特征，没有冰和使用范围谱生成共注册干涉图滤波和方位角共用频带滤波。原始的SAR像素距离为1.3米，方位角为0.4米，看起来被应用来减少相位噪声并导致干扰与1.8times;1.6米的地面范围像素。高分辨率DEM用于去除地形阶段并创建差异干涉图。自适应滤波适用于平滑差分阶段相位展开使用完成最小成本流量相位展开算法。基岩选择假定稳定的区域作为相位参考点，所有阶段展开从这一点开始。残余相位斜率由于不准确的轨道数据和不正确的基准线估计使用Rosen的基线细化方法进行校正，以及地面控制点取自DEM。这些处理的更详细的讨论可以在文章中找到步骤。

使用简单的时间序列来生成D-InSAR结果连续干涉图和叠加方法。对于时间序列分析选择的未解缠干涉图的差分相位连续对从SAR视线转换为垂直使用公式。垂直位移被认为是广泛适用于相对平坦的伊卡鲁伊特机场，并且是与解冻管测量进行比较是必要的。

在堆叠方法中，可以使用所有优质干涉图在夏季使用的数据集内，请参见表1中的列表。质量通过目测和干涉图来判断广泛的特征图典型地仅在24天分离但中等时有用到晚夏干涉图可用于72天分离。 一个在堆叠之前，由于未展开的干涉图中的相干性损失，少量的插值（4像素半径）被用于填充空穴。计算弧度位移的堆积夏季比率每个像素根据公式。

夏季阶段的比例仍然在SAR的视线方向，和也转换为垂直位移以与解冻进行比较管数据使用。理论基础，例如Samsonov，Tiampo，Rundle和Li（2007）等等先进的统计方法。对于强大的统计分析而言不够大。我们因此在简单实用的基础上对错误进行一般估计办法。我们在基岩区域内划定了11个小型控制多边形假定它们是稳定的。这些控制多边形都在其中2公里的机场重心区域（见图1）基岩控制区域接近位移测量，提供了一些保证剩余的大气或轨道存在于感兴趣的数据中的错误将被合理地表示位移信号在堆叠的D-InSAR产品和每个时间序列数据对。这个控制多边形方法提供了对位置误差（噪声）的一般估计，结果，但它不能捕获到期错误的空间变化地形类型和地形一致性水平。

因为我们的数据集包含的场景相对较少有些用于两个或多个干涉图，我们需要考虑累积误差的可能性，特别是在时间序列分析。作为一种令人满意的方法来估计一阶错误大气噪声和残余基线不准确，但要注意的是，如果场景用于两个干涉图并具有残余微分相位错误，例如

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