影像大地测量与灾害动力学是遥感科学与技术、大地测量学与灾害动力学的交叉与融合。近年来，世界各国相继发射了具备大范围、精细化、多功能的对地观测遥感卫星。诸多在轨卫星利用可见光、红外和微波波段等信号对地球表面进行连续不断的观测，积累了传统大地测量手段无法企及的覆盖地下、浅地表和大气层的海量多源数据，极大地推动了地球动力学尤其是灾害动力学的发展，涌现了大量创新型应用场景。为系统掌握影像大地测量与灾害动力学的定义内涵、技术方法、发展现状与未来趋势，《影像大地测量与灾害动力学》罗列目前常用的卫星遥感对地观测数据源，介绍卫星影像、大地测量、灾害动力学*新数据处理理论与方法，研究灾害动力学涉及的地球形态确定、构造动力学过程及其演化规律等关键问题。

**章绪论
　　1.1概述
　　随着对地观测遥感卫星的快速增多，多源影像为大地测量和地球动力学提供了海量数据支持，促进了灾害动力学理论和体系的成熟，衍生出了影像大地测量与灾害动力学。影像大地测量与灾害动力学通过对影像数据的处理，进行灾害的识别、监测预警和机理反演，以期达到防灾减灾的目的。其中，机理反演可以加深人们对灾害发生规律的了解，为灾害预警和防控等提供数据资料。在灾害救援过程中，高分辨率的遥感影像可为救援路线的快速制订提供支持，确保被困人员在*短的时间内到达安全区域。灾后损毁评估中，不仅可以通过遥感手段获取损毁信息，避免大量的人工调查，而且可以对生态环境恢复进行实时监测，有序推进灾后恢复重建。对上述任务而言，对地观测技术无疑是对传统观测手段强有力的补充。我们相信，影像大地测量与灾害动力学在我国将具有更加广阔的应用前景，在科研领域中也将会引起更多学者的广泛关注。
　　1.2影像大地测量与灾害动力学的研究现状
　　Imageodesy这一术语*次出现是在1993年（Crippen et al.，1993），由国际大地测量学与地球物理学联合会（International Union of Geodesy and Geophysics，IUGG）在1995年*次给出初步定义，即认为Imageodesy是一种绘制两个卫星影像之间发生亚像素地表位移的方法（Crippen et al.，1995）。1998年，我国摄影测量学之父王之卓给出了Imageodesy更具体的定义，即利用合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）和合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）对地面观测即可称为影像大地测量学（王之卓，1998）。2002年，陈俊勇院士在为廖明生教授和林珲教授所著的《雷达干涉测量：原理与信号处理基础》一书作序时也认为，InSAR技术的应用是空间大地测量学的一个重要领域，其获取高时空分辨率地表形变信息的特点衍生了Imageodesy的提法（廖明生等，2003）。2010年，德国宇航中心Eineder等（2010）*次使用Imaging Geodesy这一术语表述了基于高分辨率SAR影像提取厘米级绝对定位精度的技术。2014年，作者*次使用影像大地测量学（Imaging Geodesy）作为教授职位名称，并在英国纽卡斯尔大学组建
　　了Imaging Geodesy研究团队。2015年，休斯敦大学的Carter教授等进一步拓展了Imaging Geodesy的技术范畴，认为机载激光雷达（light detection and ranging，LiDAR）已然成为Imaging Geodesy的重要技术手段（Carter et al.，2015）。近年来，随着SAR、光学遥感和LiDAR等对地观测成像技术的迅速发展（张勤等，2017），ImagingGeodesy已成为大地测量、遥感科学、数字摄影测量、计算机视觉等学科相互交叉融合的重要研究方向。
　　20世纪60年代至90年代初，SAR影像来源相对较少、图像处理技术相对不成熟，影像大地测量学处于起步萌芽阶段。20世纪90年代至21世纪初，对地观测数据处理理论日趋成熟，创新技术层出不穷，影像大地测量学处于飞跃发展阶段。21世纪初至10年代，成像卫星种类和数量逐渐增多，为多角度多层次观测地球形状、环境及其变化提供数据支撑，影像大地测量学处于深度创新阶段。21世纪10年代至今，对地观测成像技术突飞猛进，其应用朝着广域、精细化、多维监测发展，影像大地测量学处于全面应用阶段。
　　SAR、光学遥感和LiDAR作为影像大地测量与灾害动力学的关键技术，其基本理论、数据处理流程已较为成熟，在地震、火山、滑坡、地面沉降和地裂缝等研究领域取得了显著的成果。Rogers等（1969）*次将干涉测量技术应用到雷达上，成功获取金星和月球表面的高程信息。20世纪70年代，数字计算机技术的发展促进了SAR技术的应用。Graham（1974）*次将雷达干涉测量技术应用到机载雷达上，利用振幅条纹和光学处理技术获取了地表地形。Zebker等（1986）*次采用数字信号处理技术将机载系统实验得到的两幅复数影像直接形成干涉。ERS-1/2的Tandem计划获取了对地形数据有利的高相干性干涉图，时间间隔为Id。Gabriel等（1989）*次提出差分合成孔径雷达干涉测量（differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR）技术，实现了地面髙程和形变信号的分离，并使用海洋卫星（Seasat）观测获得了美国加利福尼亚州大面积农田厘米级精度的地表形变数据。
　　进入20世纪90年代后，一些成熟的科研卫星陆续发射升空，极大地促进了影像大地测量与灾害动力学的快速发展，数据处理关键技术也在该阶段取得重大突破。Crippen（1992）提出利用光学影像偏移量来获取地表形变数据，并成功应用于1989年美国洛马普列塔（Loma Prieta）地震的水平位移场。Massonnet等（1993）将InSAR技术*次应用于厘米级地表形变场观测，主要是利用间隔数月的ERS-1/2SAR影像测量美国兰德斯（Landers）地震的同震形变场。Goldstein等（1993）*次采用InSAR技术获取南极洲Rutford冰流的速度场，通过对相隔几天的两幅SAR影像的雷达信号进行相位比较，得到相对地面运动的干涉图。Massonnet等（1995）*次将InSAR技术用于火山形变探测，通过多期ERS-1影像探测到了意大利埃特纳（Etna）火山喷发前的膨胀过程。Fruneau等（1996）将法国阿尔卑斯地区的滑坡体作为研究对象，*次证实D-InSAR技术确定中等滑移速度（cm/d级别）滑坡体运移场的能力。Hanssen等（1999）*次将InSAR技术用于高分辨率水汽分布估计，证实了雷达观测技术用于大气动力学的可行性。Alsdorf等（2000）*次将InSAR技术用于亚马孙洪泛平原水位变化监测。美国奋进号航天飞机雷达地形测绘任务（shuttle radar topography mission，SRTM）于2000年2月开展，发射了“奋进号”航天飞机，其搭载的SAR传感器在11d获取了覆盖全球陆地表面80%以上的地形数据，并在三年后发布了可靠的数字高程模型（digital elevation model，DEM）产品，从而使两轨干涉法成为主流，也在一定程度上促进了时序技术的发展。为了削弱大气延迟等误差的影响，提髙干涉影像的信噪比，Sandwell等（1998）提出了干涉图堆叠（stacking）技术。其核心思想是通过对InSAR技术所获取的一段时间内的解缠相位进行加权平均，进而估计大区域的平均形变速率场。Wright等（2001）成功将堆叠技术应用到土耳其北安纳托利亚断裂的震间形变测量中。永久散射体合成孔径雷达干涉测量（persistent scatterer-InSAR，PS-InSAR）技术于1999年提出，有效解决了D-InSAR技术中时间、空间去相关和大气效应等限制测量精度的问题。小基线集合成孔径雷达干涉测量（small baseline subset-InSAR，SBAS-InSAR）技术于2002年提出，是一种基于多主影像且只利用时空基线较短的干涉对来提取地表形变信息的InSAR时间序列方法。PS-InSAR和SBAS-InSAR技术基本奠定了InSAR时间序列分析方法的两大派系，此后涌现的所有时序InSAR方法几乎都是对这两种技术的优化和改进。
　　进入21世纪后，多极化、多角度、多模式成像的卫星陆续升空，影像大地测量与灾害动力学向深度创新阶段迈进。Fomaro等（2003）提出了基于高分辨率SAR影像的SAR层析成像（SAR tomography，TomoSAR）技术，并利用欧洲遥感卫星（European Remote Sensing Satellite，ERS）星载SAR数据进行了数据处理试验，证明了利用星载SAR数据进行层析SAR三维成像的可行性。层析SAR技术弥补了传统InSAR技术在髙程向上分辨能力缺失的不足，真正实现了距离向-方位向_高程向的三维成像，为后续的研究和实际应用奠定了基础。Bechor等（2006）*次提出的多孔径干涉测量（multiple aperture interferometry，MAI）技术采用单干涉像对就可以获得雷达视线方向和方位向形变量，可实现高精度和高效率的方位向形变量提取。随后，Jung等（2009）对该方法进行了改进，减少了平地效应和地形相位对结果的影响，加强了数据的相关性。Hooper等（2007）提出了一套PS-InSAR数据处理算法，该算法无须事先给出形变模型且利用三维时空解缠技术来获取目标形变的时序信息，适用于火山、板块运动区等无人类活动区域的地表形变监测。Ferretti等（2011）*次提出了第二代永久散射体技术SuqeeSAR，该技术联合处理永久散射体（permanent scatterer，PS）和分布式散射体（distributionscatterer，DS），适合非城市区域的形变观测。InSAR技术在提取地表形变时会受到大气延迟的影响，进而掩盖真实的地表形变信号，影响提取形变结果的精度。为了克服大气延迟的影响，这一时期出现了利用全球定位系统（global positioning system，GPS）（Li et al.，2006；Onn et al.，2006）、GPS/MODIS（Li et al.，2005）、MODIS/MERIS？（Li et al.，2009）等外部观测数据的多种大气改正模型。Westoby等（2012）使用倾斜摄影测量方法运动恢复结构（structure-from-motion，SfM）构建了高分辨率DEM并对模型质量进行了定量评估，这是SfM在地学科学领域的一个成功应用。在这个阶段，InSAR技术的应用场景逐步拓宽，Nof等（2013）和Hong等（2010）分别利用InSAR技术完成天坑和湿地水位线变化监测。
　　进入21世纪10年代中期，对地观测成像技术突飞猛进，影像大地测量与灾害动力学进入全面应用阶段。2017年，全国*个通用型InSAR大气改正在线服务（generic atmospheric correction online service for InSAR，GACOS）（http://www.gacos.net）发布，已成为国际主流InSAR大气误差改正科研服务型系统。GACOS系统结合了全球导航卫星系统（global Navigation satellite system，GNSS）获取的大气可降水量（precipitable water vapor，PWV）数据和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）数据，可以免费近实时提供全球任何地区的天顶对流层延迟（zenithtropospheric delay，ZTD）改正影像，能够更好地改正InSAR干涉图大气误差。2018年，张祖勋院士提出了基于面向对象的摄影测量理念的贴近摄影测量。贴近摄影测量利用旋翼无人机贴近摄影获取超高分辨率影像，可高度还原地表和物体的精细结构，被广泛应用于文物保护和地质灾害与桥梁监测等。2020年，英国地震、火山和构造观测与建模中心（Centre for the Observation and Modelling of Earthquakes，Volcanoes and Tectonics，COMET）提出LiCSAR自动化处理平台，免费提供处理好的Sentinel-1的解缠图和干涉图数据，处理着重于监测构造和火山活动。同年，

目录
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 影像大地测量与灾害动力学的研究现状 1
1.3 影像大地测量与灾害动力学和其他学科的关系4
参考文献 5
第2章 影像大地测量与灾害动力学的定义与内涵 8
2.1 概述 8
2.2 大地测量学的定义与内涵9
2.2.1 定义9
2.2.2 内涵10
2.3 遥感学的定义与内涵 11
2.3.1 定义 11
2.3.2 内涵12
2.4 影像大地测量学的定义与内涵15
2.4.1 定义15
2.4.2 内涵15
2.5 灾害动力学的定义与内涵19
2.5.1 定义19
2.5.2 内涵21
2.6 影像大地测量与灾害动力学的定义与内涵 24
2.6.1 定义24
2.6.2 内涵25
参考文献 26
第3章 影像大地测量与灾害动力学的数据采集 30
3.1 概述 30
3.1.1 电磁辐射与电磁波谱30
3.1.2 地物的反射特性32
3.2 微波遥感成像原理与数据采集方法 33
3.2.1 微波遥感成像基础33
3.2.2 微波遥感成像模式40
3.2.3 常用数据采集平台43
3.3 光学遥感成像理论及数据采集方法 50
3.3.1 光学遥感成像基础50
3.3.2 光学遥感成像模式53
3.3.3 常用数据采集平台56
3.4 LiDAR成像理论及数据采集方法 62
3.4.1 LiDAR成像原理62
3.4.2 LiDAR成像模式64
3.4.3 常用数据采集平台66
参考文献 73
第4章 影像大地测量与灾害动力学主要研究内容 75
4.1 概述 75
4.2 空间大气环境观测理论与技术75
4.2.1 电离层75
4.2.2 对流层82
4.2.3 温度88
4.2.4 大气成分91
4.3 地表物质迁移观测理论与技术94
4.3.1 DEM94
4.3.2 地表形变观测 100
4.3.3 土壤湿度监测 103
4.3.4 地表覆盖及动态变化 105
4.4 地球内部物理结构与动力学反演 108
4.4.1 地震观测及动力学反演 108
4.4.2 火山探测及动力学反演 113
参考文献 114
第5章 影像大地测量与灾害动力学综合应用 122
5.1 概述 122
5.2 地震观测及应用122
5.2.1 地震地表破裂带获取 123
5.2.2 地震灾害应用 127
5.3 火山观测及应用152
5.4 滑坡观测及应用161
5.4.1 滑坡观测及风险评估 161
5.4.2 滑坡灾害应用 167
5.5 地面沉降观测及应用 187
5.5.1 地面沉降观测 187
5.5.2 地面沉降灾害应用 189
5.6 地裂缝观测及应用 199
5.6.1 地裂缝观测 199
5.6.2 地裂缝灾害应用 200
参考文献 208
第6章 影像大地测量与灾害动力学的发展趋势 225
6.1 概述 225
6.2 影像大地测量与灾害动力学的国家需求 225
6.2.1 基础理论研究的需求 226
6.2.2 大型工程建设的需求 226
6.2.3 防灾减灾救灾的需求 229
6.3 影像大地测量与灾害动力学的瓶颈 233
6.3.1 亟待解决的关键科学问题 233
6.3.2 亟待突破的关键技术瓶颈 233
6.4 影像大地测量与灾害动力学前沿 236
6.4.1 研究目标236
6.4.2 前沿热点研究内容 239
6.4.3 发展趋势240
参考文献 241