哨兵1号的对流层湿延迟变化提取与分析_郭秋英.pdf

第 11 卷 第 2 期 导航定位学报 Vol.11，No.2 2023 年 4 月 Journal of Navigation and Positioning Apr.，2023 引文格式：郭秋英,黄守凯,李德伟,等.哨兵 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析J.导航定位学报,2023,11(2):203-210.（GUO Qiuying,HUANG Shoukai,LI Dewei,et al.Tropospheric zenith wet delay variation extraction and analysis by Sentinel-1J.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(2):203-210.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230224.哨兵 1 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析 郭秋英1，黄守凯1,3，李德伟1，赵 耀1，张立国2，张海平2，李国伟2（1.山东建筑大学 测绘地理信息学院，济南 250101；2.山东省国土测绘院，济南 250102；3.中国测绘科学研究院 北京房山人卫激光国家野外科学观测研究站，北京 100036）摘要：为了进一步提高大气水汽反演的精度和可靠性，提出一种利用星载干涉合成孔径雷达（InSAR）提取对流层天顶湿延迟（ZWD，简称对流层湿延迟）的方法：以 2020 年 1 月至 2020 年 3 月覆盖济南及周边地区的哨兵 1 号卫星（Sentinel-1）数据为基础，采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代全球气候的大气再分析资料（ERA5）计算对流层干延迟分量；再利用双线性插值方法统一干延迟分量与 Sentinel-1 的分辨率；然后通过差分数据处理实现 InSAR干涉图相位中对流层湿延迟分量的提取。实验结果表明，Sentinel-1 数据可以在较高的空间分辨率内有效提取对流层湿延迟；InSAR 技术与北斗卫星导航系统（BDS）技术探测的天顶方向对流层湿延迟变化趋势一致，且对流层湿延迟含量逐渐升高；2 种探测手段的对流层湿延迟结果平均偏差为 4.459.03 mm，最小偏差可达 0.3 mm，二者相关系数为 0.79。利用 InSAR 技术结合 Sentinel-1 等数据可以提取高精度、空间连续对流层湿延迟，可为大范围、空间连续的大气水汽反演提供数据支撑。关键词：星载干涉合成孔径雷达（InSAR）；哨兵 1 号；对流层湿延迟（ZWD）；北斗卫星导航系统（BDS）；气象再分析资料 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)02-0203-08 Tropospheric zenith wet delay variation extraction and analysis by Sentinel-1 1 GUO Qiuying1,HUANG Shoukai1,3,LI Dewei1,ZHAO Yao1,ZHANG Liguo2,ZHANG Haiping2,LI Guowei2（1.School of Surveying and Geo-informatics,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping,Jinan 250102,China;3.Beijing Fangshan Satellite Laser Ranging National Observation and Research Station,Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100036,China）Abstract：In order to further improve the the accuracy and reliability of precipitable water vapor inversion,the paper proposed an extraction method of tropospheric zenith wet delay(ZWD)by using spaceborne interferomtric synthetic aperture radar(InSAR):based on the Sentinel-1 satellite data in the Jinan and surrounding areas from 2020-01 to 2020-03,the fifth major global reanalysis(ERA5)of the European Center for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF)was used to calculate the tropospheric dry delay component;and bilinear interpolation methods was used to unify the resolution of the tropospheric dry delay component with Sentinel-1;then the extraction of tropospheric wet delay component in InSAR interferogram phase was realized by differential data processing.Experimental result showed that Sentinel-1 data could effectively extract 收稿日期：2022-03-21 基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2021QD155，ZR2020QD049，ZR2017MD029，ZR202103020231）；大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金项目（SKLGD2021-5-5）。第一作者简介：郭秋英（1970），女，山东金乡人，博士，教授，研究方向为 GNSS 精密定位数据处理、北斗/GNSS 气象学。通信作者简介：黄守凯（1998），男，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向为北斗/GNSS 气象学、GNSS/遥感/InSAR 数据融合与数据处理等。204 导航定位学报 2023 年 4 月 tropospheric zenith wet delays at higher spatial resolution,the variation trend of the tropospheric wet delay in the zenith direction detected by InSAR technology could be consistent with that by Beidou navigation satellite system(BDS)technology,and the content of tropospheric wet delay would increase gradually;moreover,the average deviation of the two detection methods of tropospheric zenith wet delay would be 4.459.03 mm,the minimum deviation 0.3 mm,and the correlation coefficients of them 0.79.In general,InSAR technology combined with Sentinel-1 data could help extract high precision,spatially continuous tropospheric zenith wet delay,and provide data support for large-scale,spatially continuous precipitable water vapor inversion.Keywords:spaceborne interferomtric synthetic aperture radar(InSAR);Sentinel-1;tropospheric zenith wet delay(ZWD);BeiDou navigation satellite system(BDS);atmospheric reanalysis 0 引言 对流层天顶湿延迟（zenith wet delay，ZWD），简 称 对 流 层 湿 延 迟，是 反 演 大 气 可 降 水 量（precipitable water vapor，PWV）的重要参数，其受对流层水汽变化的影响，难以用具体的经验模型描述；因此进行对流层湿延迟提取与分析是对流层水汽变化研究的关键问题1。并且掌握与水汽相关的对流层湿延迟变化，对气象信息预报与预警、灾害天气防范等领域具有重要意义2-3。无线电探空技术可以获取大气中湿度、温度等气象要素，能够以较高的垂直分辨率获取高精度的 PWV，但无线电探空站分布稀疏，每天只释放2 次，时空分辨率较低，难以对中小尺度水汽变化进 行 有 效 监 测。全 球 卫 星 导 航 系 统（global navigation satellite system，GNSS）通过接收卫星信号反演 PWV，能够全天候、高精度探测大气水汽信息，但地面 GNSS 测站分布稀疏，难以探测小区域内大气水汽的变化4。水汽辐射计接收微波信号计算 PWV，时间分辨率较高，但在有云层遮挡和雨雪等恶劣天气条件下观测会产生明显的观测误差。光学气象卫星通过卫星传感器上的近红外水蒸气通道，例如中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MORIS）能够以较高的空间分辨率获取 PWV，但只能获取白天的水汽信息，在云层遮挡条件下观测精度降低5。星 载 干 涉 合 成 孔 径 雷 达（interferomtric synthetic aperture radar，InSAR）测量方法具有高精度、高空间分辨率、全天时、不受云层遮挡和雨雪等气象条件影响等优点，在地表形变监测、灾害探测等领域取得了广泛应用6-7。尤其 2014 年以来，哨兵 1 号（Sentinel-1）卫星采取开放的数据分发策略，为探测大气水汽和气象学的研究提供重要支持8。Sentinel-1 宽幅工作模式下测绘带宽可达 250 km，空间分辨率 5 m20 m，重访周期为6 d，在特定区域，不同轨道的卫星重访周期可缩短为 1 d。雷达信号穿过对流层时，信号发生了折射，产生对流层延迟。对流层延迟分为对流层湿延迟和对流层天顶干延迟（zenith hydrostatic delay，ZHD）（简称对流层干延迟）。ZWD 通过水汽转换系数转换为PWV，由于InSAR干涉图是2幅InSAR影像对应像素干涉相位相减的结果，因此 InSAR提取的 ZWD 是相对值9。目前，国内外学者针对 InSAR 干涉图中对流层延迟相位进行校正，获取高精度的地表信息以及地表形变信息等方面进行了大量研究10-11。然而，将对流层延迟相位看作“信号”进行 PWV的反演，从而开展 InSAR 气象学研究的工作相对不足。文献12提出 InSAR 气象学的概念，初步研究了InSAR 反演大气水汽的方法，为 InSAR 气象学推广 奠 定 了 基 础。文 献 13利 用 欧 洲 环 境 卫 星（European environmental satellite，Envisat）提供的 8 景 InSAR 数据提取对流层延迟，减去从气象再分析资料中提取干延迟相位，得到了美国洛杉矶地区高精度的对流层湿延迟信息，但部分干涉图时间基线时间基线较长，InSAR 干涉图中可能会残留地表形变相位。文献14利用 Envisat 提供的18 景 InSAR 数据提取了德州市、沧州市周围地区对流层延迟相位，计算大气水汽含量，但忽略了对流层干延迟相位对 InSAR 干涉图造成的误差。文献15采取时间序列 InSAR 的处理方法提取对流层湿延迟，其假设大气延迟在时间上不相关，获取了成像时刻的大气水汽信息，但利用时间序列InSAR 方法需要大量的数据，会产生庞大的数据计算工作，制约了大气水汽反演的研究效率。综上所述，本文利用第五代全球气候的大气再分析资料（the fifth major global reanalysis，ERA5）计算对流层干延迟，采用双线性插值方法统一了对流层干延迟与 Sentinel-1 数据分辨率，选择时间基线不大于 24 d 的 InSAR 干涉图提取 2020 年 1 月 第 2 期 郭秋英，等.哨兵 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析 205 至 2020 年 3 月济南及周边地区对流层湿延迟，在统一 ERA5 与加米特（GAMIT）软件中干延迟计算模型的基础上，利用北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）反演的对流层湿延迟数据进行对比验证，分析 2 种探测手段对流层湿延迟结果之间的关系，以期为城市级别空间连续的对流层水汽分布特征研究提供参考。1 InSAR 提取对流层湿延迟原理 ZHD 是地表气压的函数，约占对流层总延迟的 90%且变化非常平缓，在 50 km50 km 范围内的变化可以忽略不计，但是在大于 100 km100 km的区域和高程起伏较大的区域，地表气压发生变化，会导致 ZHD 有几厘米的误差，因此不能简单忽略 ZHD 的影响16。ZWD 占对流层总延迟的 10%左右。虽然 ZWD 占对流层总延迟比重较小，但其随时间变化快且区域性较强，因此，干涉图中 ZWD占主导地位。2 幅 InSAR 影像对应像素相减生成干涉相位图，干涉相位图中包括 5 种误差相位，且误差相位都是相对值，用公式表示为 topodefoorbatmn=+（1）式中：topo为地形相位；defo为地表形变相位；orb为轨道误差相位；atm为对流层延迟相位；n为噪声相位。对于地形相位，利用数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据予以去除；对于地表形变相位，选择时间基线较短的干涉对，可以忽略地表形变；对于轨道误差相位，通过精密轨道星历减弱其影响，剩余即为对流层延迟相位（忽略噪声相位的影响）。对流层干延迟相位和对流层湿延迟相位的计算公式如下：dhyd()=costtkRPPg-610410（2）refwet2=cos()dZZeekkzTT-+623410（3）式中：hyd为对流层干延迟相位；wet为对流层湿延迟相位；为雷达波长；为雷达信号入射角；k1、k2、k3为与折射有关的物理量；dR为干分量气体常数；g 为重力加速度；tP为成像日期靠后的地表气压；tP0为成像日期靠前的地表气压；e 为水汽分压；T为绝对温度；Z为地表高度；refZ为参考高程，认为超过此高度则表示大气状态稳定。气象再分析资料提供高精度地表气压数据，用于计算hyd17。将地表气压数据带入式（2），计算出格网点的hyd。对流层延迟相位减去hyd即可得到wet。以上获得的wet是雷达视线方向并且单位为弧度，将其转换为天顶方向的对流层湿延迟相对值的计算公式为 wetcos=-4Z（4）式中Z为天顶方向对流层湿延迟相对值。2 研究区与数据集 本文选择位于中纬度的济南市以及周边地区为研究对象，该研究区域位于 35N38N、114E119E，如图 1 所示。该地区北临渤海，大气水汽含量丰富，四季变化分明，地形起伏较大，海拔高程为 01.5 km，适合利用 InSAR 提取对流层湿延迟。同时该区域内有多个山东省连续运行参考站（continuously operating reference stations，CORS），利于验证 InSAR 提取Z的精度。图 1 研究区概况 本 文 选 取 欧 洲 航 天 局（European Space Agency，ESA）发布的 2020 年覆盖济南及其周边地区的 Sentinel-1 卫星的 C 波段升轨数据，该区域位于中纬度地区，受电离层效应影响可忽略不计，数据的覆盖范围约 250 km170 km，采取干涉幅宽模式（interferometric wide swath，IW），入射角为 38.92。ERA5 全球气象再分析资料同化气象站数据、卫星遥感等多源观测数据，提供多种均匀网格化数据18。本文选取 2020 年覆盖研究区域 ERA5 气象再分析资料中的地表气压数据，其空间分辨率为 0.10.1（经度纬度），时间分辨率为 1 h。206 导航定位学报 2023 年 4 月 山东省国土测绘院 CORS 站提供 CQRS、DEZH、GQML、JYRS、KYRS、PYRS、SDLL、SHRS、YAXI、ZQRS 10 个测站的 BDS 卫星观测数据，CORS 测站空间分布情况如图 1 所示。3 实验结果分析 通过地面 CORS 站接收处理 BDS 卫星发射的信号，可以高精度、高时间分辨率地获取 ZWD，可以利用山东省内多个连续运行的 CORS 站数据解算的Z验证 InSAR 提取的Z精度。3.1 InSAR 提取Z结果 基于 Sentinel-1 卫星影像，采用可视化遥感图像处理平台（environment for visualizing images，ENVI）进行干涉处理，利用 ESA 提供的精密轨道星历去除轨道误差相位影响，利用 30 m 分辨率的美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）航天飞机雷达地图测图计划（shuttle radar topography mission，SRTM）DEM 数据去除地形相位的影响，对干涉图进行多视处理，提高雷达信号的信噪比；然后干涉图进行滤波处理，对滤波后的干涉图进行相位解缠得到对流层延迟相位；再减去所用的 ERA5 气象再分析资料计算hyd，获得wet，最后根据式（4）将wet转换为Z。表 1 所示为 InSAR 数据干涉图基本信息。表 1 干涉图基本信息 干涉图序号主影像日期 辅影像日期 时间基线/d 1 2020-01-05 2020-01-17 12 2 2020-01-17 2020-01-29 12 3 2020-02-22 2020-03-17 24 4 2020-03-05 2020-03-29 24 对 Sentinel-1 卫星影像进行配准、干涉、滤波、解缠等步骤，去除干涉图中与对流层延迟无关的相位，视线方向上的对流层延迟相位如图 2 所示。图 2 中存在明显的对流层延迟现象，白色区域与黑色区域是对流层延迟现象较为明显的地区。图 2 InSAR 提取干涉图的对流层延迟相位空间分布 第 2 期 郭秋英，等.哨兵 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析 207 ERA5 提供逐小时的地表气压数据，选择最靠近 Sentinel-1 数据成像时刻的地表气压数据，该时刻为世界协调时（coordinated universal time，UTC）10:00。对hyd计算过程为：1）将地表气压数据依照干涉图日期相减得到地表气压相对值数据；2）把计算的地表气压相对值带入式（2）计算hyd；3）利用双线性插值法将hyd插值到干涉图对流层延迟相位的每一个 Sentinel-1 数据的像素上。图 3 所示为视线方向上的hyd。图 3 ERA5 气象再分析资料计算hyd 空间分布 从图 3 可知，图 3（c）的hyd明显高于其他 3 幅图。2020-02-22 当天 ERA5 发布的地表气压数据中该区域高压达到了1 030 hPa，低压为970 hPa；而在 2021-03-17 当天该地区高压为 1 013 hPa，低压为 956 hPa：在此成像时刻，该地区地表气压差值相比于其他 3 幅图的地表气压差值相差较大，因此hyd较大。InSAR 提取wet时方向为雷达视线方向，BDS观测数据提取的是天顶方向的对流层湿延迟结果，需要将 InSAR 提取的视线方向wet转换为天顶方向Z。Z计算过程为：1）利用对流层延迟相位减去hyd，得到视线方向上的wet；2）根据式（4）将视线方向上的wet转换为天顶方向的Z。图 4 所示为 InSAR 提取 4 幅干涉图Z的空间分布。图 4 中，白色区域与黑色区域表示Z较大区域：白色区域表明成像日期靠后的 InSAR 图像的Z含量要大于成像日期靠前的 InSAR 影像的Z含 量；黑 色 区 域 表 明 成 像 日 期 靠 后 的InSAR 图像的Z含量要小于成像日期靠前的InSAR 影像的Z含量。图 4（a）中，Z由北部向南部逐渐降低；图 4（b）中，Z由东南部向西北部逐渐降低；图 4（c）中，部分地区Z变化较小且变化没有明显的规律性，但利用 InSAR技术能够监测这种细微的变化；图 4（d）中，西部部分区域的Z较大的区域被Z含量较低的区域包围，利用 InSAR 技术不仅能监测大区域空间连续的Z变化，同时可以监测小区域范围内的Z变化情况。208 导航定位学报 2023 年 4 月 图 4 InSAR 提取干涉图Z 的空间分布 3.2 InSARZ 与 BDSZ 对比与分析 为了验证 InSAR 提取Z的可行性，利用 4 个国际 GNSS 服务组织（International GNSS Service，IGS）测站与覆盖研究区域的 10 个山东省 CORS 站解算 BDS 观测数据，采用 GAMIT10.72 软件，设置其采样间隔为 30 s，卫星截止高度角为 10，选择最靠近 Sentinel-1 数据成像时刻 UTC 10:13。采用GAMIT10.72 软件计算对流层湿延迟的原理同样是利用对流层延迟减去对流层干延迟。GAMIT10.72软件利用萨斯塔莫伊宁（Saastamoinen）模型计算对流层干延迟。为了去除 ERA5 气象再分析资料与GAMIT10.72 软件中 2 种不同模型反演的hyd对Z的影响，将hyd计算统一按照式（2）进行。InSAR 提取Z结果对比如图 5 所示。第 2 期 郭秋英，等.哨兵 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析 209 图 5 4 幅 InSAR 干涉图提取的Z 与山东省 CORS 测站Z 对比 图 5 给出了 10 个 CORS 测站 BDS 与 InSAR提取的Z对比结果，4幅干涉图 InSAR提取 CORS测站的Z平均值分别为1.55、1.29、16.89、19.66 mm，BDS 反演的Z平均值分别为1.66、1.22 15.91、19.69 mm，2 种探测Z手段监测的Z变化趋势一致，且Z含量逐渐升高。这可能是由于 2020 年 1 月2020 年 3 月研究区域正处于冬季转变为春季的时期，大气中水汽含量增加，因此Z含量升高。表 2 InSAR Z 与 BDS Z 偏差对比 mm 干涉图序号 最大偏差 最小偏差 平均偏差 1 12.4 0.3 4.45 2 25.6 1.0 9.03 3 8.7 0.1 4.21 4 15.5 2.1 7.19 由表 2 可知：4 幅干涉图 InSARZ与 BDSZ平均偏差分别为 4.45、9.03、4.21、7.19 mm，平均偏差均较小；4 幅干涉图中Z最大偏差出现在干涉图 2 的 DEZH 测站，偏差达到了 25.6 mm，可能是由 InSAR 数据处理引入外部 DEM 数据，精密轨道数据去除误差时残留的误差相位引起的，其他测站的Z偏差均较小。因此 InSAR 技术可以用于本研究区域Z的反演。图 6 所示为 4 幅干涉图中 InSAR Z与 BDSZ相关性对比。从图 6 可知，剔除干涉图中偏差较大的测站（干涉图 2 中 DEZH 测站），InSAR Z与 BDSZ二者相关系数 r 为 0.79，具有较好的相关性。对 图 6 4 幅 InSAR 干涉图提取的Z 与山东省 CORS测站Z 的相关性比较 比 2 种探测Z手段的结果，BDS 反演Z的稳定性要高于 InSAR 提取的结果；利用 InSAR 技术提取Z还需要进一步研究分析。4 结束语 本文结合 Sentinel-1 数据和 ERA5 气象再分析资料，利用 InSAR 技术提取了 2020 年 1 月2020 年 3 月济南及周边地区高精度、高空间分辨率的对流层湿延迟结果，并利用研究区域内 10 个 CORS站的 BDS 观测数据进行了验证，得出以下结论：1）利用 ERA5 气象再分析资料计算与水汽无关的hyd，在统一 InSAR 与 GAMIT 软件中干延迟计算模型的基础上，对比分析 InSAR Z与 BDSZ，2 种探测手段对流层湿延迟结果相符合，利用InSAR 技术结合 Sentinel-1 数据探测对流层湿延迟取得较好的效果。2）InSAR 技术提取对流层湿延迟结果可以同时反映大区域与局部区域对流层湿延迟空间分布 210 导航定位学报 2023 年 4 月 特征，其中 Sentinel-1 数据分辨率达到 5 m20 m，即使在很小的空间范围内，也可以提供高精度、空间连续的对流层湿延迟信息。3）4 幅 InSAR 干涉图提取 CORS 站Z平均值为1.5519.66 mm，BDS 反演Z的平均值为1.6619.69 mm，2 种探测手段Z变化趋势一致，且Z含量逐渐升高，这可能与济南及周边地区正处于冬季向春季过渡阶段有关。4）以统一hyd计算模型后 BDS 反演的对流层湿延迟结果作为参考值，4 幅干涉图 InSAR Z与BDS Z的平均偏差为 4.45 9.03 mm，平均偏差较小，二者相关系数为 0.79，InSAR Z与 BDSZ有较好的相关性，利用 InSAR 技术提取对流层湿延迟适用于济南及周边地区。研究结果表明，利用 InSAR 技术结合 Sentinel-1数据、ERA5 气象再分析资料等数据可以高精度、高空间分辨率地提取对流层湿延迟，为 PWV 反演提供重要支撑。参考文献 1 BEVIS M,BUSINGER S,HERRING T A,et al.GPS meteorology:remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning systemJ.Journal of Geophysical Research,1992,97(14):15787-15801.2 李建国,毛节泰,李成才,等.使用全球定位系统遥感水汽分布原理和中国东部地区加权“平均温度”的回归分析J.气象学报,1999,57(3):28-37.3 徐铭泽,郭秋英,侯建辉,等.济南地区加权平均温度模型建立及精度分析J.导航定位学报,2021,9(5):142-151.4 赵庆志.地基 GNSS 水汽反演关键技术研究及其应用D.武汉:武汉大学,2017.5 宋小刚,李德仁,单新建,等.基于 GPS 和 MODIS 的 ENVISAT ASAR 数据干涉测量中大气改正方法研究J.地球物理学报,2009,52(6):1457-1464.6 MASSONNET D,FEIGK K L.Rader interferometry and its application to changes in the earths surfaceJ.Reviews of Geophysics,1998,36(4):441-500.7 李振洪,宋闯,余琛,等.卫星雷达遥感在滑坡灾害探测和监测中的应用:挑战与对策J.武汉大学学报(信息科学版),2019,44(7):967-979.8 MATEUS P,MIRANDA P,NICO G,et al.Assimilating InSAR maps of water vapor to improve heavy rainfall forecasts:a case study with two successive stormsJ.Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2018,123(7):3341-3355.9 DING X L,LI Z W,ZHU J 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