《Remote Sensing of Environment》:Sentinel-1 operational DInSAR services for surface displacements monitoring of the Italian territory through the P-SBAS processing chain: a review after 10?years of observations and data processing
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基于P-SBAS处理链的Sentinel-1业务化DInSAR服务,可实时监测意大利地表位移;其服务范围包括全球同震地表位移与地球物理震源反演、位于意大利境内的活火山位移以服务民防,以及卫星地面运动服务系统实施的全国监测。
基于P-SBAS处理链的Sentinel-1业务化DInSAR服务,可实时监测意大利地表位移;其服务范围包括全球同震地表位移与地球物理震源反演、位于意大利境内的活火山位移以服务民防,以及卫星地面运动服务系统实施的全国监测。
经过十年持续观测与数据处理,卫星合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)差分干涉测量(Differential SAR Interferometry,DInSAR)技术已在地表形变高精度监测领域展现出独特优势。基于并行小基线子集(Parallel Small BAseline Subset,P-SBS)处理链,研究人员利用全球免费开放的Sentinel-1(S-1)C波段(波长5.55cm)SAR数据,构建了面向意大利国土的自动化监测服务——包括地震触发型EPOSAR服务、活火山用于监测的动态火山P-SBS监测系统,以及意大利全国地表运动服务(Satellite Ground Motion Service,SGMS)。
意大利地处构造活跃区,火山、山体滑坡及地震等地质灾害频发,对公民人身安全和基础设施构成持续威胁。为满足意大利民事保护部门(ICPD)与环境与能源安全部(MASE)对地表位移系统监测的迫切需求,并充分利用Sentinel-1星座短重访(6或12天)、稳定小轨道管以及无云开放的数据模式等优势,研究人员在原有SBAS自主运算法的基础上,升级了PT-SBAS并行化运算:利用高性能计算(HPC)基础设施(含云环境),处理了IWS模式中大规模独立burst数据,实现时间相干目标相位的提取与位移时序计算。
该处理链运算于两类运行模式:干涉图生成(IFG)和多时相分析(MTA)。前者用于突发事件时单次形变影像提取,如地震破裂原因快速筛查等;后者则基于新数据自动动态追加的待同一研究区域的数据堆,支持长期连续监测;在这流程最终可供位移时间序列和垂直+东西分量分解,后者通过上、降轨两个观测方向的LOS合并获得,并在GNSS外部网络上剔除大规模低频构造信号,保留互有30米像素间距的高频高精度量。
基于该运行框架,研究人员建立了:
(1)EPOSAR服务:由地震震目录自动触发,通过干涉计算地震影响区的共震位移,覆盖130余次地震(Mw≥4.0),范围可达全球。地震在意大利中部2016—2017年序列、2017年Ischia(Mw3.9,深0.8km)和2023年Umbertide事件(Mw4.3)等,在事件经纬点上快速提供标准化形变影像,提升了地震应急能力,也为此后震源速度自动反演提供输入。
(2)意大利火山动态监测:从2015年起对Venera Caldéro、埃特纳火山、斯特龙博利、武尔卡诺、伊斯基亚六期裂缝等6个重点火山每6天更新一次位移序列;加之火山其火山,如武尔卡诺发生频率2021年和2024年两期的隆升达到5厘米与2厘米,且2021年Bron?i持续隆升並反复累积约115 cm,于奥利巴诺隆起区发现非径向低隆升异常。这些资料持续服务于CPC每月火山告警评估。
(3)意大利SGMS:基于17个降轨、19个升轨Track分别进行P-SBS并双星拆分和交叉校验,生成覆盖意大利全境、2016—2025年间每6个月更新一次的垂直—东西向高精度位移图及测量点位时间序列。截至2025年6月,已接入约7679万项测量点(密度约254份/km2,标准差达±5mm),实时识别多种地表过程,如切里尼奥城地下水开采沉降、Larderello地热田、Minerbio地下气库冲震等。
此外,基于SGMS附带,还可生成季节震荡图(Seasonal Oscillation Maps,SOM),对周期性的水仓季节形变(天然气库等)和含水层动态形成高程振幅差异。上述服务已在意大利紧急响应和周期监测中发挥重要作用。
十年间,利用S-1全球开放数据和P-BEBS处理链执行高度自动化、可规模化的监测策略,实现了自然与人为灾害频发背景下,对地面位移的高时率控制。处理链采用多模型大气盐离子(如ERA-5、ETAD产品)和GNSS差分去除相结构干扰误差,验证了测量的标准差(单次位移5mm、速度1mm/年)。这些DInSAR服务其模块化、可扩展性强烈,已支持连续在线发布,符合EPOS/FAIR原则,并可与自动化震源反演引擎协同,为维保基础设施、应急响应(如灾后救援),以及全国范围内的地表灾害风险评估提供客观基准。
当前,新一代L波段任务(NISAR、ROSE-L近地球轨道)和紧凑星座的醇熟部署及具备多轨道、多频段的SAR数据,可提高地面回复率高、增加植被区穿透力并解开大形变的发展方向。此外,基于AI的地表形变自动解释和期向大规模数据延伸趋势已被可预见的增长,P-SBSB处理链条Adaptive和升级路径,已为准时的融入更广范围的多源协同监测框架奠定了坚实基础,在空间对地表灾变风险更精准判读与预警中发挥不可取代缺口。