青藏高原西北缘时序InSAR对流层延迟改正方法评估.docx
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2022-11-29
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时序合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技术
是测量地表形变的重要手段，可以用来获取大面积缓慢地表形变时变信息，在众多地球科
学研究领域中得到了广泛应用
[1-2]
。然而，时序 InSAR 技术的精度受多种误差因素影响，其
中，大气延迟误差校正是时序 InSAR 技术面临的最大挑战
[3]
。卫星发射的微波信号在穿过
大气介质时，受大气水汽含量、温度和压力等条件的影响会发生不同程度的相位延迟，即
大气延迟效应，通常包括电离层延迟和对流层延迟
[4]
。由于 C 波段波长较短且研究区域位
于中纬度，电离层延迟影响较小
[5]
，本文仅研究对流层延迟。
对流层大气参数（如水汽含量、温度和压力）的时空变化可引起高达几十厘米量级的
InSAR 延迟信号
[6]
，微小尺度的构造运动引起的地表位移可能会被掩盖。已有研究表明，
阿尔金断裂滑动速率自西向东沿断层走向由 15 mm/a 逐渐减小至 1 mm/a
[7]
，绝大部分区
域左旋走滑速率小于 10 mm/a，表示 10 a 间隔的地表位移不足 10 cm，投影到 InSAR 视
线向（line of sight，LOS）则更小，比大气延迟低一个量级
[8]
。
对流层延迟包含垂直分层延迟和湍流混合延迟两部分，大气折射率沿垂直方向的变化
引起垂直分层延迟（本文将大气等效成无数个水平薄层，假设同一层折射率相同），而大
气对流过程会引起湍流混合延迟（大气对流导致大气折射率在不同时刻的空间分布不
同）。目前，国内外很多专家学者对大气对流层延迟改正方法展开研究，所得成果可以分
为 3 类：（1）主要通过叠加、平均或时空滤波等方法去除具有时空随机分布性质的湍流
混合延迟。文献[9]发现相位叠加技术能够有效降低 InSAR 数据的数字高程模型（digital
elevation model，DEM）残差、大气相位及轨道误差的影响。根据大气信号在时间上高
频、空间上低频的特性，时序 InSAR 通过时空滤波即可减少大气延迟的影响
[10]
。（2）利
用气象模型、多光谱观测或与其他外部数据相结合的方法估计对流层延迟。文献[11]利用
动态的气象模型估计和去除大气水汽引起的信号延迟，并与 GPS 的反演结果进行比较，
结果表明两者测量的长波长空间差分结果吻合。搭载在卫星平台的多光谱仪器也可以用于
评估大气对干涉相位的影响，文献[12]验证了中分辨率成像光谱仪（medium resolution
imaging spectrometer，MERIS）数据集校正大气水汽引起相位延迟的能力。此外，文献
[13]利用 MERIS 多光谱数据与中尺度气象模型 MM5 联合估计对流层延迟相位，有效地减
少了大气效应的影响。近年来，欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-
Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的全球中分辨率数值大气再分析产品也被广泛
应用，如文献[14]利用 ECMWF 再分析资料（ECMWF reanalysis，ERA）-Interim（ERA-
I）数据集来估计对流层延迟
[14]
，在后续研究中又利用多种全球大气模型进行验证
[15]
。文献
[16]结合 GPS 观测与高分辨率 ECMWF 资料开发了一种全球覆盖、近实时的通用 InSAR
大气改正在线服务（generic atmospheric correction online service for InSAR，GACOS）
[16]
，目前得到了广泛应用。（3）根据地形与相位间的相关关系进行改正的经验模型改正
法，如线性模型或幂律模型改正。文献[17]通过相位/高程相关分析，对每幅干涉图的对流
层延迟相位进行估计和校正，利用 ERA40 全球大气再分析数据验证了校正结果。文献[18]
提出了一种幂律校正方法，该方法考虑了大气性质的空间变化特性，通过幂律关系描述了
相位延迟随高度的变化。
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