欧洲地表形变InSAR服务(EGMS)——从梦想到现实的技术路径

文摘   科技   2023-09-05 10:41   北京  

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 ꔷ 编者语(原创)

 ꔷ 技术报告翻译(Satellite Interferometry Data Interpretation and Exploitation Chapter 4 EGMS




编者语










以伟大科学先驱哥白尼命名的全球环境安全监测计划——Copernicus-Europe’s eyes on Earth 展示了欧盟(EU)以构建常态化对地观测体系影响世界的雄心与愿景。支撑这一目标实现的Sentinel-1系列卫星开启了全球中大尺度中长期遥感观测共享服务的新时代,其完全开放与免费的多源遥感数据资源与应用服务是继Landsat系列卫星之后一代新的传奇。为探究全球-洲际-国家-区域-局域多尺度下的资源、环境与灾害问题提供了基础资源,让全球遥感科学技术从业者获益无数。

以Sentinel-1为代表的SAR卫星为开展广域地表形变InSAR技术应用提供了天然的数据保障,改变了过去从“一城一市”到一个图幅,一个地区的InSAR监测模式,极大地拓展了人们观测广域地表多尺度形变场的视角。当前,国家级InSAR地表形变测量应用已成为基本模式,“数据自由,不受限制,广域测量”或许是诸多InSAR技术从业者共同的梦想,这一梦想,正在逐一实现。“EGMS——Mapping ground motion at European Scale: from dream to reality”提供了洲际InSAR应用的范式,其做法、经验以及模式是我国同类工作可参考的样板!

近几年,国内不同机构先后开展了全国地表形变InSAR“一张图”的测量工作,从不同的应用需求和技术路径上获取了一定时间尺度下的地表形变信息,揭示了我国陆域当前不同尺度地表形变的综合分布态势。显然,这些做法是积极且富有成效的!当下,国产SAR卫星有序发展,高分三号SAR星座、陆地探测一号干涉SAR星座以及其他商业SAR卫星正在为遥感对地观测开辟新的赛道。国际上,Sentinel-1C、NISAR、ALOS-4等以InSAR为主要应用功能的雷达卫星即将发射,未来,更为广泛的SAR卫星数据源,更加贴近需求的卫星系统设计为常态化InSAR技术铺平了道路!从地表形变测量到目标的识别发现,以至动态监测,未来是值得期待的!

为深化InSAR技术中国陆域地表形变测量应用,借鉴欧洲的做法无疑是必要的!为此,将EGMS的具体技术实现路径提供给InSAR界,希望对我国陆域InSAR应用目标的科学设计、过程规范和预期实现起到促进作用!

What we have learned from EGMS


1、EGMS是迄今为止全球范围内覆盖面积最广,复杂程度最高,涵盖内容最全的广域InSAR地表形变监测应用服务。EGMS的产生可以追溯至2003年-2013年欧盟(EU)与欧空局(ESA)共同推进的全球环境安全监测计划GMES,该计划自2013年后更名为哥白尼科学计划,EGMS是哥白尼科学计划下Land Monitoring下属的第一个面向泛欧洲提供地表形变观测服务的项目。

2、EGMS的成功得益于Sentinel-1卫星长期稳定的数据获取,为欧洲主要地区提供了时间间隔为6天的连续观测数据,其覆盖时间为2015年2月-2021年12月,此后因Sentinel-1B卫星因电源故障无法继续工作,重复观测间隔改为12天。密集的观测频率为揭示欧洲主要地表形变类型提供了天然优势,特别是针对一些快速地表形变过程的完整测量。

3、EGMS按照成熟的InSAR时序分析技术开展形变信息提取,由TRE、E-geos等四家InSAR技术公司完成关键时序InSAR数据处理,提供三级标准数据产品。在此基础上根据欧洲GNSS永久观测站点对所有burst为基本单元的LOS向形变数据进行基准校正,改正基准偏差和低频形变趋势,将2万多个burst统一于相同时间和空间基准之下,使得地面观测与InSAR测量可直接比较,并在此基础上实现了从LOS向到垂向-水平向的二维形变量估计,极大改善了形变数据的应用条件。这是完整的InSAR数据产品服务!

4、EGMS遵循哥白尼计划倡导的full open and free理念,为欧洲和之外的用户提供了在线数据浏览、分析与下载服务,是从遥感基础数据共享到产品服务共享的典范,这必将进一步巩固ESA在人类对地观测领域开放共享服务的领先地位!从数据处理、综合分析到WebGIS共享,EGMS为InSAR数据多元应用服务提供了一种范式,将是各国开展国家级地表形变InSAR测量应用的样板!

5、EGMS团队坚持一贯严谨的作风,对数据处理过程的严格管理,对数据产品质量的控制,是我国开展同类工作可参考,可借鉴,可学习的典范。我国当前已有多家单位生产了类似的形变数据,但局限于LOS向形变速率,时间尺度上不能与长达7年的EGMS时序形变监测匹敌。中国InSAR同行,我们在算法稳定性、适应能力、精度控制、自动化程度、可视化表达等多个方面还有很长的路要走,不能因粗略的“一张图”而自得!

6、面对看似美好的时序InSAR数据,我们要科学认识其本质和应用定位。作为一种本底(Baseline)数据,EGMS揭示了过去一个时段欧洲地表形变的总体分布态势,最精细处可达20m间距,100m格网,这为广域尺度下形变发现、分类和时域变化研究提供了前所未有的观测值。广域时序更新必然面临着时间延迟的影响,因而EGMS时序InSAR与近实时监测存在天然距离,实践中应认清这一科学定位!

7、面对繁多的InSAR形变测量应用需求,从探测、发现、测量到动态监测,InSAR提供了一种从广域到局部,从长时序到短期形变发现的有效工具。而针对不同类型和特征的地表形变,增强技术系统的场景适应能力是InSAR技术工程化应用的根本。因而,不必追求时序InSAR的花哨,理解应用需求、场景差异与技术边界,是技术研发创新的基本出发点!


后文资料引用并翻译自
https://land.copernicus.eu/pan-european/european-ground-motion-service




4.1 介绍









EGMS(European Ground Motion Service),字面意思为欧洲地表活动服务,实际为欧洲地表形变InSAR监测与应用服务项目,是哥白尼下土地监测(Copernicus Land Monitoring)项目的重要内容,项目由欧洲环境署(EEA)负责实施。从InSAR地表形变监测应用角度而言,EGMS代表了有史以来最大的应用项目,为研究欧洲范围(欧盟主要成员国)内多尺度地表形变(自然/人为作用下产生的地表变形,地表移动/活动等)提供完整覆盖、连续可靠、定期更新的标准化InSAR监测数据与信息。该项目由EGMS专题工作组于2016年定义,于2017年发表EGMS白皮书,阐述了此任务的主要目标任务与主要特点。需要说明的是,在EGMS任务推进的过程中,一些欧洲国家已开展了本国的InSAR地表形变监测应用,如意大利(Costantini et al., 2017)、挪威(Dehls et al., 2019)、德国(Kalia et al., 2017)以及托斯卡纳(意大利)实施的一些地表活动服务项目(参见Raspini et al., 2018)。此外,Lanari等人(2020)在2020年发布了包括整个欧洲大陆范围的先进InSAR处理示范。2019年,由欧洲环境署委托专门工作组对EGMS技术规范进行了详细解释(Larsen et al., 2020)。

图4.1 Sentinel-1 SAR图像的构成,包括三个条带Swath,每个条带下包含9个burst,每个burst的覆盖范围为20×80km

EGMS的关键特征如下:
  • 采用Sentinel-1数据进行处理,获取全分辨率形变数据;
  • 包含升、降轨观测数据,双星联合重访时间为6天,持续至2021年底;自2022年起直至Sentinel-1C发射,为Sentinel-1A星观测,重访周期为12天;
  • 供给约750个图幅,20000个burst;
  • 提供本底(基准)数据产品,其时间跨度为2015年2月到2020年12月。每个图幅平均约260期。因此,未压缩的SAR影像总输入量约为1.5 PB。

 

图4.2 EGMS覆盖范围


  • 后续计划每12个月更新一次本底产品,每年的数据增加量约350TB。

  • 因数据量巨大,EGMS形变数据发布不可避免地存在延时。基准产品于2022年5月发布,延迟大约18个月。

  • 部分地区受季节性积雪影响,形变数据处理仅限于无雪影像。

  • 该服务涵盖的地理范围包括哥白尼参与国家,如奥地利、比利时、保加利亚、克罗地亚、塞浦路斯、捷克、丹麦、爱沙尼亚、芬兰、法国、德国、希腊、匈牙利、爱尔兰、意大利、拉脱维亚、立陶宛、卢森堡、马耳他、荷兰、波兰、葡萄牙、罗马尼亚、斯洛伐克、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、英国、冰岛和挪威等国家。覆盖范围如图4.2所示。

  • EGMS需要较高的计算能力。基准产品和前三个年度的更新产品的生产由ORIGINAL团队(OpeRatIonal Ground Motion INsar ALliance )执行,该团队由四个欧洲公司组成,即e-GEOS(主要承包商)、TRE-Altamira、NORCE、GAF和六个分包商( NHAZCA、Earth Metrics、NGU、PPO.labs、SGO和DLR)。

  • EGMS的地理覆盖范围包括法国的海外部门和地区(DROM)。DROM是指法国的海外部门和地区(D' Partements et Regions d' Outre-Mer),其在法国大都会的地区和部门具有相同的地位。主要包括马约特岛、留尼汪岛、马提尼克岛、瓜达卢佩岛和法属圭亚那。

  • EGMS地表形变数据处理由不同公司分块完成的,各自建立处理流程。“一张图”集成则根据由不同机构处理的产品数据之间的重叠情况,确保处理流程之间的一致性与形变结果的无缝拼接。

  • EGMS服务包括三类产品(数据):基础数据Basic、校正数据Calibrated和正射(从LOS到二维分解)数据Ortho。三种产品间的关系如图4.3所示。

图4.3 EGMS数据产品生产流程图

4.2 EGMS Basic产品









EGMS Basic产品即标准InSAR形变数据产品,包含一组由监测点(MP监测点)构成的时序InSAR处理得到的形变数据集,每个监测点均包含了视线向(LOS)形变序列、地理编码坐标和精度评价等指标参数。Basic产品以Sentinel-1 SAR影像的单个burst为基本覆盖单元,从形变量值上表示了该burst内的相对变化(参考点为该burst内),不代表burst之间的差异变形。

从整个时序InSAR处理流程上,Basic产品也被称为Level 2a产品,因其基于Level 1数据而生成(Level 1数据是原始SAR单视复数据,即Single Look Complex,SLC)。按照处理流程与实际代表的观测量,将Level 2除了2a外,还有2b级(Calibrated),在此基础上生成Level 3(Ortho)数据产品。Basic数据产品是生成其他级别所必需的第一步。相比于Calibrated和Ortho产品的生成,尽管Basic产品是三级产品的基础,但其生产过程对资源要求最多(流程复杂、存储资源多、计算效率高),而后二者仅占耗费总资源的一小部分。

EGMS覆盖的每个位置至少存在一个升轨和一个降轨的Basic产品(还有burst重叠部分)。不同观测几何条件下的形变结果共用相同的参考点,确保多组观测数据的可比性。

生成EGMS Basic产品所需的输入数据包含了给定轨道(relavtive orbit)下整个观测周期内(比如2015年2月-2021年12月)所有可用的Sentinel-1A和1B SAR影像,基本的输入格式为SLC。干涉处理必要的辅助数据包括SLC数据对应的精密轨道数据和DEM数据。EGMS中采用的DEM为Copernicus DEM,分辨率为30m。

InSAR处理一般按照2.3节所述流程进行。需要注意的是,EGMS时序InSAR处理由四个不同的公司完成,每个公司使用的处理流程不尽相同。这些处理流程之间的差异在Ferretti等人的研究中有详细描述。下面以InSAR处理中的两个关键步骤为例,说明这种差异。

第一步是对候选MP的选择。e-GEOS使用的永久散射体对方法,即Persistent Scatterer Pair(Costantini et al., 2008, 2014),同时包含了永久散射体(PS)和分布式散射体(DS)。TRE-Altamira以SAR幅度离散指数为依据选择PS(Ferretti et al., 2000, 2001)候选点,利用相位质量差异选择DS(Ferretti et al., 2011)。NORCE则通过对所有像元进行质量预测试完成测量点预筛选,然后根据相位观测值与拟合多项式以及季节模型的偏差进行最终的MP选择。GAF使用了信噪比和幅度离散指数这两个标准(Ferretti et al., 2000, 2001)完成MP初筛。

第二步是对线性形变和地形残差分量的估计(见第2.3节)。四家公司均未使用纯线性项。e-GEOS采用了与季节分量相关的三阶多项式模型(Costantini et al., 2008),TRE-Altamira和NORCE采用分段线性模型,GAF采用与季节性形变分量相关的线性模型。

如3.12节所述,EGMS的基本目标是确保不同处理流程下形变结果的一致性,在Kotzerke(2021)所述的详细比较分析中得以解决。
4.2.1 Basic产品的特点
Basic产品以单个burst为单位提供,每个burst为一个zip归档文件,由一组MP点及其属性数据构成。升、降轨观测下均具有相同的属性项。Capes和Passera(2022)给出基本产品详细的属性描述(参数、测量单位、含义、示例和数据格式)。

分辨率是Basic产品的关键特性之一,处理过程中要求分辨率尽可能高,保留更多的MP点。对于DS,其分辨率须优于100米(Capes and Passera, 2022)。顾及具体的土地利用覆盖情况,MP密度的预估值如下:在“连续的城市结构”(Corine land cover6 CLC181.1.1)中,MP密度预计超过5000个MP/km2;在“不连续的城市结构”和“工业、商业和交通运输场景”(CLC18 1.1.2和CLC18 1.2)中,MP密度预计超过1000个MP/平方公里;在“植被稀少或无植被的空地”(CLC18 3.3)中,MP密度预计超过100个MP/平方公里。

Basic产品质量规范:对于时间相干大于0.7的MP点,其平均形变速率的标准差(1σ)应优于0.7毫米/年。对于形变量,其标准差(1σ)应优于4毫米。对于地理编码或地理定位,三维(XYH)精度须优于10米。

Basic产品由一组MP点组成,以矢量点的方式表现,由时序InSAR形变解算的栅格数据转换得到。每个MP点采用WGS84地理坐标系,与平面坐标相关联。选取的投影为ETRS89 Lambert方位等面积投影,投影中心位于52°N和10°E。可通过GIS软件进行投影转换。

Basic产品主要面向专业用户,因而不通过EGMS浏览器发布。

如下一节所述,属于给定burst的MP点的变形是指同一个burst的变形。因此,Basic产品主要用于研究和解释局部变形现象。MP密度可能较高,主要集中在城市地区。如果需要可通过GIS功能,调整时间相干性等阈值以减少MP点的数量。
4.2.2 Basic产品的变形参考
在InSAR形变中,通常在空间上选择一个MP(测量点)作为形变的起算点,即参考点,假定该点变形已知(或假定为稳定点),在时间上通常是指整个观测周期内的第一幅SAR影像的获取日期。事实上,这种方法存在两个局限性。首先,参考点的噪声会影响到所有的测量点,导致形变结果的噪声较高。其次,第一幅图像本身的噪声也会被添加到给定时间序列的其他日期中。

为了克服这些限制因素,Basic产品的形变结果参考了Ferretti等人(2021)的方法。

  • 在时间域中,变形是指第一个日期的模拟变形。由如下流程实现:
    ■ 以第一幅影像(见图4.4)为参考计算形变量;
    ■ 通过一个三阶多项式加季节分量对形变序列进行拟合;
    ■ 取拟合模型中与第一个日期相对应的值;
    ■ 从整个变形时间序列中去除该值。

如图4.4所示,第二幅影像对应的变形表现为明显的“跳变”,影响了整个时间序列。这是由于第一幅影像存在噪声。通过上述步骤(图4.4)可以移除这个跳变。该过程对第一幅图像的噪声具有较强的鲁棒性。

  • 在空间域中,MPs(测量点)被称为虚拟点。这个虚拟点代表位于一个burst(观测区域)内稳定区域的所有测量点的平均值

图4.4 EGMS Basic产品的时间基准调整

(原始时间序列(上图,蓝色),因第一期影像中噪声影响在第二期出现跳变。模型如绿色虚线所示。减掉第一期(4.2mm)的模拟值得到最终时间序列(下图)。)

4.3 EGMS Calibrated产品









校准产品是通过外部观测数据将Level 1a独立参考基准的分块数据置于统一空间参考基准下,并进行镶嵌处理生成连续分布的形变数据,达到与地面测量基准的统一。EGMS二级数据产品采用的是GNSS永久基站的数据作为参考,称为Level 2b级产品,依赖于InSAR数据和遍布欧洲的GNSS测站的外部数据。校正后的数据产品是EGMS主要的产品,可满足大多数EGMS用户的需求。

校正的过程是将Basic数据与GNSS数据相融合,利用GNSS观测站点数据将Basic产品的参考点调整至GNSS所采用的空间基准。通过InSAR和GNSS两组观测数据的融合,获得了校准后的形变产品,反映的是相对于地心参考系的“绝对运动”,达到了与地面观测网络在测量基准上的统一,而非Basic产品所提供的“相对运动”的形变。通过使用校准产品,不同burst的MP的形变可以进行量值上的比较。这是与Basic产品相比的优势所在。

图4.5和4.6为Basic产品和校准产品的比较示意。第一种情况时,两种数据之间无显著差异,表明在该区域内,GNSS数据与InSAR测量接近,无显著形变差异。而在图4.6中第二种情况则存在明显的速率场变化。这是由于该地区受到了Fennoscandia冰川后期回弹现象的影响,导致GNSS数据中存在几毫米/年的空间低频形变信号,这个信号在在校准产品中得到了反映。需要注意的是,在这个具体的例子中,对于局部变形分析而言,不包含回弹信号的Basic产品效果更好。


图4.5 校正前后的差异(差异可忽略)
源数据: EGMS Explorer:https://egms.land.copernicus.eu

图4.6 显著差异校正前后
数据源: EGMS Explorer:https://egms.land.copernicus.eu,r European Union 

4.3.1 Calibrated产品的特点

EGMS Calibrated产品是Basic产品和GNSS观测结合的产物,因而在精度、准确性和可靠性等方面的特性与Basic数据和GNSS测站数据相似。因此,EGMS Basic产品的主要特点也适用于校准产品。其主要特点如下:

  • 与Basic变形数据产品相同的时间采样;
  • Calibrated数据产品在“全空间分辨率(20米)”下生成;
  • 为LOS形变数据,不表示地表真实三维变形方向;
  • 校准产品包括两个数据集:一个基于升轨数据,另一个基于降轨InSAR数据;
  • 每个MP点都有其地理坐标(WGS84),以及在ETRS89 Lambert方位等面积投影中的坐标;
  • 对于一些孤立的岛屿和DROM没有可用的GNSS站点的情况,假设平均地面速率为零,Calibrated产品为镶嵌后的Basic产品。

校准产品由一组MP点及其属性组成,其详细定义参见Capes and Passera (2022)。

产品质量规范:平均变形速率的标准差(1σ)应优于0.7 毫米/年,时间相干性应大于0.7。形变结果精度(1σ)应优于8毫米。进行地理编码或地理定位时,三维精度须优于10米

4.3.2 利用GNSS数据进行校准

校准程序需要所有可用的Basic产品和欧洲所有可用的GNSS永久基站同步观测的GNSS数据。其原理是InSAR和GNSS观测数据的融合,实现基准统一,基本假设是两组数据尽管存在局部存在差异,但在连续空间上是对相同变形场的观测。

  • InSAR测量在局部尺度上的点位密度和精准度高,一般范围为几十公里;
  • InSAR提供了空间变形场的相对测量值;
  • GNSS测量在大空间尺度上是精确的;
  • GNSS提供绝对测量,参考于地心坐标系;
  • GNSS观测站的空间密度比InSAR低,分布稀疏,欧洲的站间平均距离为50-60公里


可见,两组数据集具有明显的互补性。校准的目的是通过两组数据间的调整,将其置于相同的空间参考基准下,使得InSAR数据可直接与地面观测数据进行比较,保持InSAR的空间高密度特性。具体步骤参见Larsen等(2021)。

从原理上讲,校准过程包括以下步骤:

  • 融合不同来源的GNSS数据;
  • 基于GNSS数据估计泛欧洲地表形变模型。模型由50公里的三维形变速度网格组成。通过使用最小二乘配置方法(Moritz, 1978)进行估计;
  • 在Basic产品的每个MP对应位置上内插该模型;
  • 针对升轨和降轨观测所得的MP数据,将插值得到的3D分量投影至InSAR观测的LOS向;
  • 用GNSS模型对应的插值/投影结果校正InSAR的低频趋势,将InSAR数据统一到GNSS测量基准框架下。


4.4 EGMS Ortho产品









Ortho产品代表了先进的InSAR产品,是充分利用了升降轨观测几何优势,通过模型反演得到EGMS覆盖区域任何地点的垂直向(上和下)与水平向(东西向)两组分量。每个分量由单独的数据图层表示。考虑到Sentinel-1卫星为极轨轨道,对于南北方向的形变不具有敏感性,因此不对该分量进行计算。

与前两级产品相比,Ortho产品的分辨率大大降低,以100米网格为单位提供。考虑到升轨和降轨观测几何的差异,并非每个100×100米的单元格中均存在相同的MP。因此,在解算的过程中,对给定100m的格网中的MP进行综合,对MP个数高于给定阈值的予以合并,解算二维观测分量。空白的网格单元格表示至少在一种观测几何下存在叠掩或阴影效应的单元格。



图4.7 Ortho产品的覆盖范围。3个网格代表Ortho产品100×100米的网格升降轨观测下(上图)可用的MPs, Ortho产品的最终网格(下图)


图4.8  EGMS Ortho产品。垂向(下沉与抬升)和水平向(东-西)分量



Ortho产品的一个显著的优点是易于解译,无需考虑LOS视线向的InSAR成像几何。尤其适用于研究具有显著水平位移特征的变形现象,例如某些类型的滑坡。另一个优点是Ortho产品继承了Calibrated产品显示绝对运动(位移、变形)的特性。这在整个EGMS覆盖范围内是一致的,因其有共同的参考基准。Ortho产品是由EGMS浏览器优先显示的数据产品。图4.8所示为欧洲大陆尺度上的两个变形速率层。在垂向形变速率图中,主要变形发生在Fennoscandia的冰后回弹区和冰岛形变;在水平东西向形变速率图中,主要变形发生在希腊和爱琴海周边的构造活动和冰岛位移。在GNSS信号较强的区域,局部变形现象可能被大尺度形变所掩盖,增加了解释分析的难度。第六章将讨论如何处理这些区域的校准数据和正射数据。

4.4.1 Ortho产品的特点

EGMS Ortho产品在继承Calibrated产品特点之上,产生了新的特征如下:

  • Ortho产品是在100米间距的格网生成,格网以100×100公里的瓦片组织。由于Ortho集成处理时要求给定格网上同时存在升降轨观测数据集中的至少一个MP,因而格网密度降低;
  • Ortho产品包含两个主要专题层:垂向(沉降与抬升)分量和水平向(东-西)分量;
  • Ortho产品的每一层由位移时间序列和属性组成。属性定义见Capes and Passera(2022);
  • 每个单元格都有关联的地理坐标(WGS84)。

产品质量规范:平均变形速率的标准差(1σ)应该优于0.7毫米/年,时间相干性应大于0.7。对于形变结果,精度(1σ)应该优于8毫米。对于地理编码或地理定位,三维精度须优于10米

需要说明的是,Ortho产品以格网为基础。格网单元的几何属性依赖于所采用投影基准。如果需要进行新的投影,则必须对网格进行重采样,因而存在畸变影响。

4.4.2 变形分量的估计

分量估计过程中需要Calibrated后的升轨和降轨形变数据集作为输入。同时,还需要生成校准产品时用到GNSS的速率模型。该过程涉及以下步骤:

  • 从GNSS速度模型中提取水平南-北向形变分量;
  • 将南-北向分量投影到升轨和降轨成像几何下的LOS向。该过程将所有可用的(升轨降轨以及轨道重叠区观测数据)InSAR测量数据作为观测量。在欧洲南部低纬度地区,通常有一个升轨和一个降轨的数据集。在极高纬度地区,可用的InSAR数据集数量甚至超过6个;
  • 从校准的升、降轨产品中减去南-北向投影分量,得到包含垂向和东西向构成的LOS向形变量;
  • 根据上一步的校准产品,对落在100米格网中的所有MPs的观测值进行平均处理,得到平均速率与平均形变序列。对于DS目标,形变序列以有效区域中心为参考。求平均处理要求每个格网内至少有一个MP,通过求平均,得到代表给定格网单元的形变数据。这一过程分别对升轨和降轨数据进行操作;
  • 将得到的Calibrated产品分解为垂向(沉降-抬升)分量和水平向(东-西)分量。在此假设南北水平方向上的位移为零(已通过GNSS南北向分量去除),并使用平均产品来处理在升轨和降轨观测几何下的具有平均测量点的单元格。具体的分解方法可参考Ferretti et al. (2021)。


4.5 EGMS数据产品验证









EGMS通过内部质量控制程序对三级产品生产过程的产品质量进行监控。生产团队通过在每个处理阶段进行自动质量检查监督生产,并提供中间质量报告。此外,EGMS还设立了独立的验证活动,以确认EGMS产品符合规范,符合预期的应用和使用范围。验证活动独立于数据生产,通过使用以前未用于数据生产目的的辅助数据集对InSAR结果和辅助文件进行验证。

EGMS的验证主要涉及三个方面,即:产品的完整性和一致性、产品的准确性、产品的可用性。验证对于最终用户来说非常重要,因为它表明EGMS可以捕捉到哪些现象,并且可以在哪些应用领域中使用。

验证活动的清单如下,按从相近程度排列如下:

1.点密度检查;

2.与其他国家的地表形变监测结果进行对比,如德国的(Kalia et al., 2017)或挪威的(Dehls et al., 2019)服务;

3.与记录在册的地表形变现象、事件、损害或人类活动的数据进行比较;

4.与辅助的地质信息进行一致性检查,包括形变区域的地质、岩性、岩土、地质力学、水文地质和地貌数据;

5.与GNSS数据进行对比;

6.与现场监测数据进行对比,包括地面或单个建筑物的移动变形监测,或地下水位测量数据;

7.与同步观测的角反射器的位置、高度和位移数据进行对比检验。

目前,EGMS的验证活动仍在进行中。验证结果将发布在EGMS的主登录页面上。

4.6 EGMS的适用性









本节对EGMS(见表4.1)产品的适用性进行讨论,这里不提供详实案例。事实上,这里所阐述的InSAR的主要特点和局限性在其他任何应用中都适用。如,一个关键的局限性是EGMS产品的发布相对于实际变形的发生具有一定的延迟。表4.1突出了与给定应用相关的主要优势和局限性。

EGMS主要局限性之一是提供的是具有一定时间延迟的变形监测数据,因而无法用于实时监测正在发生的变形现象。补充EGMS数据的方法有以下两种:

第一种方法是使用新的或更新的Sentinel-1数据对感兴趣的现象进行监测。利用现有数据,可以每12天对成像几何条件下(LOS向)的观测数据进行更新。随着Sentinel-1C未来上线,将会实现每6天更新一次。

第二种方法是使用高分辨率的X波段数据,如TerraSAR-X、TanDEM-X、PAZ和CosmoSkyMed等卫星SAR影像。这些数据可在两个方面对EGMS数据予以补充。

首先是MP密度。图4.9显示了Sentinel-1与高分辨率InSAR数据在同一区域的MP密度对比结果。可以明显看到,Sentinel-1提供了556个MP,而Cosmo-SkyMed提供了3217个MP,高分辨率数据在MP密度方面具有明显的优势。其次,通过商业编程定制高分辨率数据,可以实现更为精细的连续监测。


表4.1 EGMS产品的适用性,此处考虑InSAR的主要应用领域。


在"适用性"列中,B代表Basic,C代表Calibrated,O代表Ortho product。在同一列中,绿色表示适宜,黄色表示可能适宜,橙色表示部分适宜,红色表示不适宜。

图4.9 城市区域Sentinel-1与高分辨率的Cosmo-SkyMed结果对比

4.7 EGMS在线服务









EGMS Explorer10是在线发布EGMS产品的主要工具。提供两项主要功能:

(1)交互式WebGIS:允许用户可视化和执行一些基本的数据分析操作。WebGIS不需要用户注册;

(2)搜索和下载EGMS产品的界面:这种模式提供注册用户访问和服务。

Larsen et al. (2022)给出了EGMS Explorer10细节功能的介绍。

4.7.1 如何使用EGMS WebGIS?

WebGIS仅用于可视化Calibrated产品和Ortho产品。Basic产品只能通过下载选项进行访问。

  • EGMS浏览器:

图4.10展示了EGMS Explorer的外观。

其主体部分,在中心,包括地图查看器。

其他关键元素为数据菜单和工具栏(见下文描述),坐标框,显示地图查看器中点击位置(默认WGS84配合加高)的位置,以及调整变形速度值的颜色栏。

  • 数据菜单:

数据菜单框如图4.11所示。包括InSAR产品要显示的背景层(正射影像、地形图、地表覆盖图)。除法国本土外InSAR数据( DROM )外,还包括两个主要的数据集:校正产品和正射产品。

  • 工具栏:

工具栏如图4.12所示。从左到右,包括选项(1)搜索一个位置,该位置同时使用地名和WGS84地理坐标;(2)激活帮助按钮;(3)从网络地图服务或网络地图瓦片服务中添加外部图层;(4 )显示方框,调整色条;(5)从视角设置光线方向(3D模式);(6)显示用户在地图上的位置;(7)生成到当前地图视图的链接;(8)2D视图与3D视图之间的切换;(9)绘制多边形,用于计算平均InSAR时间序列。

  • 2D和3D视图:

地图查看器可以以2D或3D两种模式显示数据。后一种模式对山区的可视化和分析特别有帮助。如图4.13所示。

  • 校准数据的显示:

校准后的数据可以用从西向东(见图4.14)递增的数字标识的数据条带显示。注意,这种编号并不遵循Sentinel-1数据的原始轨道编号。

  • Ortho数据的显示:

Ortho产品的显示比Calibrated产品简单。由于其分辨率的降低,目前仅有两幅图可供显示垂直升降和水平东西向(见图4.8)。

  • 时间序列:

对EGMS产品进行分析的一个关键要素是变形时间序列。这里给出几个典型时间序列案例,详细描述参见Larsen et al. (2022) 


图4.10  EGMS浏览器:数据菜单( 1 )、工具栏( 2 )、颜色栏框( 3 )、坐标框( 4 )

图4.11  EGMS浏览器工具栏

图4.12  EGMS Explorer数据菜单框

图4.13  正射产品三维立体图示例

图4.14  校准数据的轨迹编号

4.7.2 如何下载EGMS产品?
EGMS Explorer提供了搜索和下载EGMS产品的接口,按照通用GIS软件或其他空间分析工具可处理使用的格式提供。用户可以通过工具栏(见图4.12)进行下载操作。在工具栏的右边,第二个底部按钮可用于激活地理搜索模式。地理搜索模式通过绘制多边形来定义感兴趣区。一旦多边形被定义,可搜索与之相关的Basic、Calibrated和Ortho类型的产品并进行下载。

Basic和Calibrated产品可通过对数据中的burst进行下载。而Ortho产品可以通过下载影像瓦片来获取。例如,图4.15(右图)展示了与给定感兴趣区域(左图)相对应的burst。图4.16展示了用于下载数据的窗口,窗口中显示了burst的数据。图4.17展示了更高级的选项,可直接下载与搜索半径内选定的burst对应的链接。这些链接可以用于自动下载所选的burst或影像瓦片。

以上是关于使用EGMS Explorer进行搜索和下载EGMS产品的一些说明。


图4.15  基础数据下载示例:巴塞罗那市区的感兴趣区(左),对应的一组burst(右)

图4.16窗口数据下载。在这种情况下基础数据,以burst为单元下载

图4.17  窗口下载数据。本案例涉及基础数据,绿色圆圈表示将所有burst一起下载




4.8 EGMS产品发布









EGMS是哥白尼科学计划第一个面向泛欧洲提供卫星干涉数据产品的服务项目,遵照哥白尼计划全面开放、免费的原则提供数据产品,涉及用户包括科学界、行业部门,以及普通欧洲公民。EGMS的成功不仅对项目的长期持续性具有重要意义,而且对于增加干涉数据的使用,推动整个欧洲用户对InSAR形变产品的接纳也具有重要意义。一个成功的数据产品服务需要能覆盖大量且范围广泛的潜在用户,并被不同层次和群体所接纳,理解和积极应用,包括用于科学、公共和个人服务。EGMS的成功将引发一些列下游产业,推动行业进一步的产品开发,并催生个性化定制服务。

为此,EGMS数据需要具备可查找性、可获取性、可使用性和可理解性。前三个方面已在前两节中介绍。本节中讨论最后一个方面。EGMS必须是可追溯的,并提供面向新用户和高级用户的关键文档。

EGMS的关键文档可通过下方链接获得:

https://land.copernicus.eu/pan-european/european-ground-motion-service(Fig. 4.18)

该链接下提供的信息包括:

  • EGMS的基本信息;
  • 如何获取数据;
  • EGMS的关键文档集:例如:算法理论基础文档;产品用户手册;终端用户操作界面手册;产品描述文档;质量保证与控制报告;最终用户需求;GNSS校准报告;EGMS Factsheet;
  • 背景与概念;
  • 关于EGMS的科学论文;
  • 关于EGMS的新闻文章;
  • 与过去事件相关的信息。

感兴趣的用户可定期访问该网站,下载更新的EGMS文档,并了解最新的EGMS相关活动。


图4.18 EGMS登陆页面,提供了EGMS相关的关键信息



参考文献









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 撰  文 | 葛大庆

 翻  译 | 文   艺
 编  辑 | 陈扬洋

 校  稿 | 张   丽



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