Page 137 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第9期

第 50 卷第 9 期 武帅莹等：一种基于 GNSS 和机器学习的 InSAR 大气改正方法 1865

delays are robust to surface deformation. Besides, the proposed method is potentially used in the areas with
low spatial density GNSS stations in simulation experiments. This study can provide a reference for InSAR
tropospheric delay spatiotemporal mapping based on GNSS atmospheric data.
Key words： InSAR； tropospheric delay； machine learning； GNSS； weather model； K-means

近 几 十 年 来 ，合 成 孔 径 雷 达 干 涉（interfero⁃ 网络获取高精度天顶对流层总延迟（zenith tropo⁃
metric synthetic aperture radar， InSAR）测量技术 spheric delay， ZTD），通 过 内 插 方 法 将 点 状
已成为地形图绘制 ［1-3］ 及水文 ［4-6］ 、地震 ［7-9］ 、火山活 GNSS 观测值内插至 InSAR 像元尺度，然后进行
动 ［10-11］ 、山体滑坡 ［12-13］ 等与地质构造相关地表形 大气改正。GNSS 数据具有实时、全天候的特点，
变监测 ［14-15］ 的主要手段。随着 Sentinel-1 卫星数 可获取 InSAR 同步大气值，并能够捕捉到对流层
据 全 球 范 围 的 免 费 发 布 以 及 的 NISAR（national 湍流的微小特征，因此该改正方法具有广阔的应
aeronautics and space administration-Indian space 用 前 景 ［50-52］ 。 需 要 注 意 的 是 ，此 类 方 法 受 限 于
research organisation synthetic aperture radar）卫星 GNSS 站点的密度、几何分布及数据内插方法。
发射升空，InSAR 进行大范围、高精度地表形变 例如，在地形起伏较大且站点稀疏地区，由于大
监测的潜力被极大提升 ［16-17］ 。但是，由于电磁波 气在空间上变化快，内插结果可能存在较大的误
信号在传播过程中极易受到对流层大气的影响， 差 ［19，49，53］ 。 为 克 服 单 一 GNSS ZTD 数 据 集 用 于
大气温度、压力和相对湿度的变化造成空气折射 探测对流层大气的局限性，目前，国际上已开展
率的时空变化，使得接收到的 InSAR 信号产生显 联合 GNSS ZTD 数据与其他独立校正数据集的
著的相位延迟 ［18-19］ 。已有研究指出，单幅 SAR 影 研究。文献［48］利用迭代对流层分解方法，基于
像中的大气延迟可高达几十厘米，从而导致真实 高分辨率 ECMWF 气象模型，成功地从 InSAR 观
形变信号被掩盖而无法准确提取 ［20-23］ 。因此，对 测值中分离出分层和湍流相位延迟，并进一步与
于低量级、毫米尺度的地表形变监测，必须有效 GNSS ZTD 数据相结合，实现了对流层延迟校正
去除大气延迟效应，以提高 InSAR 监测结果和后 的优化；文献［19］和文献［54］利用最小二乘配置
续地球物理建模的精度 ［24-27］ 。 软 件 COMDIE（collocation of meteorological data
对流层延迟主要是由地形相关的垂直分层 for interpretation and estimation of tropospheric
延迟和湍流混合部分组成 ［28-30］ 。目前，InSAR 对 pathdelays）将 GNSS ZTD 与 数 值 气 象 模 型 相 结
流层改正的主要手段大致分为三大类：第一类是 合，获取了更高精度的大气改正模型。尽管与气
基于相位时空特性的经验模型改正 ［31-36］ ，优点是 象模型数据融合可优化仅基于 GNSS ZTD 的大
无需借助于任何外部数据，但可能会去除与地形 气改正手段，但由于数学模型较为复杂，计算量
相关的形变信号；第二类改正方法则依赖于气象 大，不便于在大范围内开展。
再分析数据，如天气研究与预报模式和欧洲中期 近 年 来 ，机 器 学 习 作 为 遥 感 领 域 中 的 研 究
天 气 预 报 中 心（European Centre for Medium- 热点，已成功应用于高光谱图像分类和解译、数
Range Weather Forecasting，ECMWF）气 候 再 分 据融合、目标探测、干涉相位解缠及滑坡监测等

析 数 据 集（ECMWF reanalysis-interim，ERA-In⁃ 研 究 ［20，55-58］ ，但 较 少 应 用 于 InSAR 大 气 相 位 改
terim）等 ［37-39］ ，或依赖中等分辨率成像光谱仪数 正。文献［59］在挪威地区首次将 GNSS ZTD 数
据，如中等分辨率成像频谱仪和中分辨率成像光 据 与 InSAR 相 位 相 结 合 ，利 用 机 器 学 习 方 法 成
谱仪 ［40-42］ ，其优点是可提供大范围、较为精确的大 功 获 取 了 区 域 性 高 精 度 大 气 延 迟 模 型 ，极 大 地
气改正值。然而，这些模型数据的时空分辨率较 提高了 InSAR 地表形变监测精度。但文献［59］
低，产品采集时间与 SAR 成像时刻不同步且受云 的 研 究 是 基 于 整 个 挪 威 地 区 ，并 未 充 分 考 虑 广
雨等天气因素的限制。以上两类方法主要用于 域 对 流 层 大 气 的 空 间 变 异 性 ，忽 略 了 分 区 域 处
消除地形相关的分层相位延迟影响，对于具有时 理 的 重 要 性 ，而 基 于 分 区 的 建 模 已 被 证 明 可 优
空随机分布性质的湍流延迟部分，则需要联合堆 化 大 气 延 迟 模 型 ［34］ 。 因 此 ，本 文 对 文 献［59］的
栈 ［43-44］ 或时空滤波方法 ［45-46］ 做进一步处理。第三 方 法 进 行 改 进 ，提 出 一 种 联 合 K-means 分 区 与
类 改 正 方 法 是 基 于 全 球 导 航 定 位 系 统（global 机 器 学 习 的 对 流 层 校 正 新 方 法 ，兼 顾 到 大 气 的
navigation satellite system，GNSS）大 气 延 迟 数 高 空 间 变 异 性 ，从 而 进 一 步 提 高 GNSS ZTD 大
据 ［47-49］ 。主流的研究策略是利用区域 GNSS 观测 气延迟建模精度。选取气候及地形地势复杂的