面对今日InSAR技术广泛应用、SAR卫星体制技术不断创新的局面，不得不承认，欧洲的科学家和工程师对此作出了巨大贡献。
对于研究InSAR技术本身的广大中国从业者而言，更为广泛的是通过诸如POLIMI、IREA、Tu-Delft、DLR等专业研究团队的论文论著而直接受益，或借助TRE、E-geos、ALTAMIRA等从事InSAR技术应用的公司和机构了解商业模式，或通过Fringe、IGARSS、PoliInSAR、龙计划等专题研讨会交流学习。这些都是显性的，而在其背后的则是欧空局（ESA）、欧洲环境局（EEA）以及成员国的地质调查局等政府部门的科学决策与专项投入，从而引导这一“让人质疑，略有争议”又极具价值的技术不断进步，培养更为广泛的研究和应用群体。
这一发展过程好似新生命的成长，有磨砺，有积累，有进步，有革新！时至今日，相关机构以更加稳健和可靠的能力支持地球科学研究。这里，就不得不提到的是Terrafirma计划及其形成的从技术研究到应用服务的发展模式。
一、Terrafirma计划介绍
Terrafirma是欧空局（ESA）支持的全球环境监测计划（GMES，Global Monitoring for Environment and Security）下属的十个项目之一，该项目旨在利用近二十年来发展起来的雷达卫星（ERS、ENVISAT以及后续的Sentinel-1系列卫星）和雷达干涉测量（InSAR）技术进行地表移动及其灾害的调查与监测，为灾害早期识别、风险评估和防灾减灾提供技术和数据支持。
图1 Terrfairma计划网站主页（http://www.terrafirma.eu.com）
Terrfairma计划网站主页英文介绍
Welcome to the home of Terrafirma, an ESA GMES project that aims to provide essential support in the process of risk assessment and mitigation by using the latest technology to measure terrain motion from satellite radar data. The ESA GMES project provides this support to a wide range of entities including: civil protection agencies, disaster management organisations and costal, rail and motorway authorities.
Maite Garcia, Terrafirma Project Coordinator
Terrafirma项目由欧盟下辖的各国地质调查与管理部门组织地学、灾害、遥感等领域的专业人员实施，利用从上世纪90年代初（即1991年ERS-1卫星发射）以来的雷达数据和InSAR技术产品（多种尺度的地表形变调查与监测资料）为欧盟及其他近27个国家提供灾害性地表形变及其危险评估服务。该项目突破了以往防灾减灾主要依靠地质灾害管理部门的限制，服务对象包括政府性民防机构、海岸管理、水资源、铁路公路及交通主管部门等。
图2 PSI技术介绍
Terrafirma项目的核心手段为星载InSAR技术，调查与监测对象为多尺度地表形变及灾害。根据地表形变产生的主要因素分为三个主题。
1. 构造地质专题
主要面向地震、活动断裂、大地构造活动等开展InSAR调查监测与灾害分析；
2. 海岸带专题
主要面向沿海低凹地区地面下沉与城市防洪减灾；
3. 水文地质专题
针对地下水开发利用引发的地面沉降，山体滑坡及矿山（固体或液体）开采沉陷的大范围监测制图。
计划始于2003年，目前已进入第四阶段，成为欧空局主导的Copernicus计划下陆地监测服务（Copernicus Land Monitoring Service）计划。前三个阶段的时间节点分别为2003—2005年，2005—2009年，2009—2013年。各种阶段的工作重点分别为：
（1）围绕Terrafirma计划总体目标，构建InSAR技术界与应用部门间的联系，向产业界推广InSAR监测技术及产品；
（2）在欧盟27个成员国内开展Terrafirma监测数据处理与资料服务，通过不同类型的应用试验和示范应用，更为广泛的推进星载InSAR这一遥感监测技术的认知度；
（3）围绕确定的三个主题开展监测服务与应用，构建产业界与InSAR技术界的紧密联系，形成常态化监测应用模式和专业群体。
截至2013年已圆满完成第三阶段的工作，进入第四阶段后，主要利用ESA新一代中等分辨率，中大尺度雷达卫星Sentinel-1A/B，继续围绕三个专题开展地表形变与地质灾害服务。
截至2014年已开展并完成了长期提供Terrafirma产品及在线服务的技术保障工作，由Altermira TRE（由Altermira公司与TRE合并，构建形成的全球领先的InSAR技术公司）、GAMMA以及其他InSAR机构提供PSI监测数据产品，并与德国宇航中心（DLR）合作承担Terrafirma 中PSI产品的验证工作。
图3 参与该计划的相关机构
图4 组织模式与任务分工
二、地表形变与地质灾害监测
自然界以不同的时空尺度和变化频率处于运动之中，移动和变形就是在这种运动的表现之一。
地表及其各种附着物的变形是自然过程或人类活动的基本结果，当这种移动变形趋于显著且超过一定阈值时，不可避免地会引起建筑物、构筑物等或基础设施的破坏，故而称之为灾害性地表形变。
广义上，地表形变的形式多样，种类繁多，按照其对人类生命生活产生的直接和间接威胁定义，威胁大的属于灾害性的，没有威胁的则属于自然性的，现象级的。
从地质角度而言，灾害性地表形变与受灾区地质条件相关，不同地质条件下发生的程度不同。一般而言，城市和农村因其地质结构的差异和地理环境的不同，发生灾害的类型不同，相应的治理措施目前多集中于城市地区，以最大程度的保护生命财产安全，改善人居环境为首要目标。
大规模的地面破坏前往往伴有小幅度的地表移动，对微小缓慢地表移动变形的提前监测是减轻或避免灾害产生的基础工作。许多地表形变具有区域性，如地下水开发利用引发的地面沉降，可延伸至数百甚至数万平方公里，造成巨大的财产破坏和经济损失。从灾害防治的工作流程而言，地表形变的调查监测属基础性工作，过去，我们依靠地面布点的方式解决大范围的测量，用“以点带面”来解决全局性问题。
InSAR技术的发展为区域性的调查监测提供了有力的手段，不仅具有厘米级甚至毫米级的精度，更可以20米甚至更高的空间分辨率实现数百甚至数万平方公里范围的近似同步监测，这是一种革命性的进步，是空间对地观测技术赋予了传统测量手段以新的观测方式。
地表形变的形式多样，可在任意方向发生不同程度的移动，一般按照三维形态表现为向上（隆升）、向下（沉降）和侧向（滑移）的一种或者多种组合，其变动幅度从毫米级到公里级，其时间频率则从秒级别到年，甚至数年不等。
表1 . 人为引起的地表移动
地表移动变形的类型产生原因变形强度
地表或地下开挖老采空区、矿井及硐室、坑道、断层活动等引发的沉降与坍塌等毫米级到十米级
废弃物处理填埋引发的不均匀或超限沉降毫米级到米级
工程建设工程地基的不均匀或超限沉降，各种地表开挖，隧道等地下开挖区上方的沉降毫米级到厘米级
表2. 地质灾害引起的地表移动
灾害类型运动强度
土体的膨胀与压缩收缩毫米级到厘米级
大规模移动变形（滑坡、泥石流、崩塌过程中的滑动、流动、冒落、倒塌和倾斜）厘米级到百米级
岩溶塌陷厘米级到数十米级
土体湿陷毫米级到厘米级
地震厘米级到百米级
上述为Terrafirma项目所关注的地表形变类型及其定义，非全部地质灾害所包含的。
三、Terrafirma的成果产品
Terrafirma提供两种类型的成果产品：即高级地表移动制图（Advanced Terrain Motion Mapping，ATM）产品和高级地表移动模拟（Advanced Terrain Motion Modelling ，ATM）产品，二者在集成利用外部数据的程度上有所差别，前者提供PSI（Permanent Scatterer Interferometry，即永久散射体干涉测量，属InSAR时间序列方法之一）地表形变监测成果和地表形变的地学解释分析成果，后者则集成利用前者成果进行地表移动变形的建模。
PSI干涉测量时序分析技术从时效性上分为历史状况调查和现状监测。历史状况调查主要基于ESA接收的ERS-1/2（1991年以来）和ENVISAT（2002年以来）存档数据，利用PSI技术生成地表形变速率和时间序列成果产品。现状监测则依赖于当前运行的雷达卫星及数据编程预订情况，目前欧空局雷达卫星Sentinel-1A/B是该项任务的主要数据源。
图5 从观测到模拟，以究其理
图6 Terrafirma计划三个研究专题的划分
图7 Terrafirma不同推进阶段的研究区分布
图8 第一阶段的PSI调查监测产品（2002—2005）
图9 第二阶段的PSI调查监测产品（2006—2009）
图10 第三阶段的PSI调查监测产品（2009—2014）
1. 水文地质专题
该专题的基本目标是为城市、山区和基础设施的地质灾害调查防治工作提供水文地质相关服务。主要针对城市和山区地表移动，将地下水过度开采及恢复、矿山开采、地表及地下工程建设、边坡失稳等地表移动（形变）的成因与水文地质要素相关联，开展多类型多尺度地质灾害综合调查研究。在Terrafirma第3阶段中在欧洲设立13个实验区，包含3项专题。
（1）地下水管理
此专题主要针对地下水开采与地面沉降之间的内在联系，通过PSI时序分析技术，综合利用欧空局ERS-1/2和ENVISAT等雷达卫星数据，生成地面沉降监测成果（1992年以来的平均沉降速率和沉降的时间序列），通过对沉降历史状况调查与现状监测，分析地面沉降的成因与机理，为欧洲大部分地区地下水管理提供地理信息服务。
实施过程中利用GIS将PSI测量的地面沉降数据与其他辅助数据，包括地形数据、星载光学遥感影像、航空遥感影像、土地利用图件、地质和构造图等进行集成，可视化分析区域地质环境与地表形变之间的关系。同时，将地面测量（水准、GPS、分层标、基岩标等）数据与PSI测量结果进行比较分析。
（2）矿山地表形变调查
对矿山地表形变调查包含已关停矿山和生产矿山两方面内容。已关停的废弃矿山对环境造成严重威胁，其结果表现在岩土与沉积物污染、水及大气污染、地表活动（矿区开采沉陷和岩溶塌陷）等。
图11 从PSI形变监测产品到地学解释与模拟
图12 Terrafirama矿区监测产品
生产中的矿山存在的主要地表形变为矿山开采沉陷，是指地下采矿引起岩层移动和地表沉陷的现象和过程。通常表现为大范围的岩层与地表连续移动变形和非连续破坏(开裂、冒落等)，造成地表建筑物(如房屋、铁路、桥梁、高速公路等)的损坏。同时，由于多种地质作用，如褶皱、断层、开裂、火成岩侵入、陷落柱等产生大量的不连续面，大量陷落柱集中引发大范围塌陷，进而作用于地质构造结产生更为深远的影响和更为严重的灾害。
Terrafirma计划可为受开采沉陷影响工矿区的区域规划和城市布局提供基础数据与服务，以评估矿区沉陷的历史状况和发展趋势。通过GIS制图综合分析解释采矿塌陷与地质构造的内在关联，评估局部出现的陷落柱与大范围地表沉陷发展间的关系。
A. 采矿区编目Mining Inventory (MNI)
利用历史存档SAR数据为处于生产期或已停产废弃的采矿区提供地表移动调查信息和服务。
B. 采矿区监测Mining Monitoring (MNM)
利用编程SAR数据为重点矿区提供近实时地表移动监测数据。
（3）山区形变监测
该服务主要针对山区的滑坡和边坡失稳区开展InSAR调查。在第3阶段，Terrafirma提供InSAR数据处理产品，在滑坡编目（LSI）的基础上提供详细的地质解释产品。
A. 滑坡编目产品Landslide Inventory Product (LSI)
在GIS环境下将PSI处理得到的地表移动数据，即PS点（形变速率和累积变形量），叠加在已有滑坡灾害分布数据上，评估滑坡活动与PS测量值在空间分布和滑动量值上的相似性和差异性。
当PSI形变测量数据与滑坡编目记录的调查信息在滑坡边界及活动特征一致时，对滑坡体上的PS点进行两个时段的平均速率计算，分别为整个监测时段和监测的前2年，作为新的字段增加到滑坡编目属性表中。如果PSI数据与滑坡编目信息间存在差异，利用多时相航空摄影数据或光学卫星图像进行分析，对可能的原因进行分析解释。主要考虑滑坡表面移动与地形因素（陡坎、鼓包、台阶等）及滑坡上植被覆盖及其变化情况等。
图13 从PSI形变数据到滑坡编目
图14 PSI技术支撑下的重点滑坡长期监测
B. 滑坡监测产品（Landslide Monitoring Product LSM）
利用PSI对边坡地表运动进行长期监测以揭示滑坡特定的活动特征。从应用实践上，PSI监测技术适用于微小缓慢滑坡的时空演变过程监测及其对建成区影响的评估（每年几个厘米），通过对地面目标移动的精确测量反映滑坡变形，从测量意义上，不需在滑坡上布设观测点，也不需现场测量。在获取PSI测量结果后，将其与其他辅助数据，如航空影像、地形和地貌图等集成于GIS环境下，以准确分析地表移动场的空间分布状况。此外，利用地面监测网，如倾斜仪、伸缩计、水准测量等监测结果对PSI测量的位移数据进行比较检验，以综合评价多种数据的差异。
2. 地质构造专题（Tectonics theme）
该专题侧重利用PSI监测产品揭示活动断层（断裂）变形特征，辅助确定断层的边界，开展城市岩土体易损性评价，为地震灾害与城市损害评估提供基础信息。
（1）地壳块体边界（Crustal block boundaries）
利用PSI长时序变形监测数据所揭示的地表形变差异程度、分布格局以及地质构造分布状况等进行不同地壳块体的划分，通过GIS专题图层和数据库提供分发服务，包含三个方向。
A. 断层调查（Major and local fault investigation）
对主要断层走向和正交方向活动量的InSAR监测有助于对断层走滑速率的测量和闭锁深度的估计。利用全分辨率的PSI产品分析大尺度上的地表移动可探测由地震所激活的局部活动断层和大型地震引发的进一步的地表形变效应。在此过程中，综合利用实地测量数据（如GPS测量、光学水准、地质测绘地震形变场）对PSI数据进行交叉检验，以增强分析结果的有效性和可靠性。数据输出则是面向GIS和提供给最终用户地理信息矢量和栅格图层的。
图15 土耳其伊斯坦布尔地表形变InSAR监测
B. 地震形变调查（Earthquake cycle investigation）
主要针对地震前断层活动阶段引发的地表形变进行InSAR监测，进而综合研究地震的发震周期。地震周期分析在定义地震危险性中具有重要意义，因而，活动构造分析涉及到地震的三个阶段，即震前（震间）、震中和震后。利用常规D-InSAR探测同震形变场进而模拟同震效应已在地震研究中广泛应用，但其他阶段的主要问题仍未解决。因此，包括震间差分干涉、PSI等可对震前和震后阶段的形变进行测量，为地震研究提供服务。
震后阶段进行InSAR监测可用于测量可能的回弹变形或残余应变释放的强度和范围，有助于提高地震致灾评估的有效性。另一方面，由于模拟震前或震中形变的复杂性，短时间间隔的InSAR监测结果仍有助于地震周期的确定。因而，该服务旨在为调查地震不同阶段可能出现的信号提供高密度的大地测量数据，进而有助于研究不同阶段的变形特征及其地震意义。
C. 城区的垂向形变产生机制（Vertical deformation sources in urban areas）
对垂向形变的调查与监测是城市面临的一个重要地质问题。利用PSI时序分析研究地震风险易发城市的地表垂向移动，强化对地面沉降成因的分析，进而确定沉降影响的产生机理（构造与非构造/人为开采）。
利用水准、GPS等实地测量数据对PSI监测结果进行交叉检验，最终为用户提供地面沉降InSAR监测工程文件及专题数据（以矢量或栅格格式），专题数据包括PSI测量数据、地质背景数据、地震活动观测数据和地面测量数据等。
（2）土体易损性填图（Soil vulnerability maps）
PSI测量的一大特点是可提供高密度的观测点，进而详细揭示研究区地表变形的分布与发展状况，将这些观测数据与实地测量进行综合分析可有助于进行土壤脆弱性填图。由于PSI的监测对象是单体建筑或桥梁、道路等基础设施，因而，相对于点位测量结果，PSI形变图可视为全分辨率。集成地面测量和地质资料可实现PSI形变成果的增值，有助于调查地表移动可能的诱发原因，以及区分构造移动和地震引起的运动。此外，有助于研究载荷作用下的土体压缩特性。对于局部沉降显著的地区，其上部结构（建、构筑物等）易于受到非均匀沉降的影响，而均匀的区域性沉降对其影响并不显著。此外，利用用PSI技术监测地震带上的建成区和基础设施的变形状况。除调查土壤脆弱性，该项内容重点关注地上结构体，如在危险区或其附近的建筑物、桥梁、发电厂和大坝。
另一主题是研究处于地震易发区的城市及其周边地区的天然地基土的地质特性。除地表断裂和震动外，地震的次生影响如沙土液化、边坡失稳、地面下陷等破坏显著。一定的岩土体条件下地震持续发生，未固结的软土会普遍地加大地面震动程度，引起共振现象。对于软土地基和沙土液化发生的地区，分析和评估岩土体的脆弱性和危险性尤为重要。这些地区由于软土的厚度、性质和地震类型（震级、深度）的影响，导致软土出现各种次生影响和破坏，这种情况下，地表形变、土体震动等与地震波对人造结构的影响相似，随着共振的增加而达到地震动峰值加速度。通过分析钻孔数据、地球物理剖面、地震剖面，并结合组地质资料实现土体脆弱性区划，在此基础上结合岩土体类别，根据EuroCode8、EC8等标准对地震相关的地球物理参数规定，所有地质单元被划分为5个不同类型。
图16 综合PSI监测数据的地震潜在灾害评价（伊斯坦布尔）
为进行脆弱性分析对建筑物进行易损性评价，通过编码和分类确定脆弱性，其定义的基本出发点是受灾的损害程度。脆弱性评估通常根据以往地震损害，将其作为建筑物承受地震的损害量度。根据1998年欧洲强震量表（EMS，1998），建筑物脆弱性分为从A到F的六个不同类别。例如，在伊斯坦布尔示范区的大部分建筑都属于C类：其钢筋混凝土建筑物低于抗震设计水平。对于每类建筑物类型而言，EMS98定义了从损坏少的建筑物（1级）到完全破坏建筑物（5级）5个损毁等级。
3. 沿海地区沉降与防洪专题Coastal Lowland Subsidence & Flood Defense theme
沿海低洼地区沉降与洪灾是欧洲不少国家和地区面临的一种自然灾害，这一主题则是通过PSI技术在沿海地面下沉和洪灾防控中的示范应用，体现这一项由Terrafirma计划着力推动的对地观测技术的应用价值。该主题与欧盟洪水管理办法（指令2007/60/EC）对洪水风险的评估和管理内容直接相关，该办法于2007年11月26日生效。该办法要求要求欧盟各成员国评估河道与海岸线是否处在洪水的危险中，编制洪水范围图及位于危险区中的资产和人口分布图，并采取适当的协作措施以降低洪灾风险。该办法强化了公众在规划过程中知情权和发言权。要求成员国于2011年之前先进行初步评估，确定处在洪水危险中的河流流域和相关沿海地区。于2013年编制沿海低地沉降与防洪风险图，到2015年建立侧重于预防、保护和有预案的沿海低地沉降与防洪风险管理计划。该办法适用于内陆水域以及整个欧盟全境的所有沿海水域。
为实现Terrafirma第3阶段沿海低地沉降和防洪主题需完成四项关键内容，分别如下：
（1）PSI广域监测（Basic PSI-Wide Area Service）
广域监测（即大范围监测，是指相对于单景SAR影像覆盖范围有限而言，由多轨道多图幅集成处理实现数万平方公里全覆盖监测）是PSI技术及其产品服务的基本形式，提供由PSI技术生成的地理信息专题图层和数据库。对于沿海低地沉降与洪灾危险性制图，进行大范围地面沉降PSI的集成处理，综合多轨道、多图幅数据实现大范围覆盖，为流域性及河漫滩地区的水资源管理部门提供基础资料。作为PSI处理结果的派生品，数字地形模型（DTMs）在洪灾风险分析中具有很高的实用价值，其本身是在原有DEM数据基础上叠加PSI产生的高程改正数据，更为精细的反映了详细的地表形态。对于洪水易发区而言，广域PSI监测数据作为地面沉降风险数据，用于洪水易发区灾害发生可能性的综合评估。
图17 意大利罗马城市下沉InSAR监测与地学解译
（2）洪灾易发区沉降灾害制图（Subsidence Hazard mapping service for flood prone areas）
围绕洪水易发区沉降灾害制图服务，该计划集成了广域PSI监测成果与地面测量数据，特别是水准、GPS等测量数据，以及地质资料和其他相关信息，以沉降速率等值线图的形式表示沉降区的范围与强度，方便使用者在其常用的测量坐标系统内对沉降图进行解译分析，进而评估沉降风险机制。
（3）防洪监测（Flood defence monitoring service）
沿海防御及防洪工程（大堤、拦水坝、河道等）的沉降变形监测与危险评估是PSI监测的重要应用。利用PSI技术可准确监测和定位防洪工程的局部沉降及变形情况，有助于快速识别和确定工程危险地段，将在欧洲沿海海防及河流防御系统中得以广泛应用。
图18 从城市下沉到防洪区评估预计
（4）洪水易发区的沉降建模（Advanced subsidence modelling service for flood prone areas）
在洪灾易发区地面沉降灾害PSI监测与制图的基础上，结合地质力学模型可定量化分析和评估引发地面沉降及防洪结构工程破坏的内在机理。相对于前述监测与制图等内容，建模属于高级专题研究，通过对岩土体力学特性的分析，定量化评价不同岩土体类型对沉降贡献的差异，分析地层压缩及工程载荷压缩对总沉降量的贡献。该项服务的潜在用户包括水利工程、水资源管理和公共管理等部门。
四、PSI监测成果验证
作为一项测量技术，监测成果质量检验是必须的，特别是InSAR这样一项“看不见、够不着”的空间大地测量手段，其监测精度是广大习惯了地面离散点测量的用户所一直关心的！这一情况不是中国特有，欧洲的InSAR从业者同样面对着不停的进行“从测量原理到监测精度、敏感度、应用条件、应用效果”的解释与说明，这是一个经受“考验”的过程，也是一个科普的过程，犹如今天写下这些文字一样！
为了对PSI监测产品（即处理结果，一般为形变速率、时间序列与累积变形量）进行检验与验证，在Terrafirma计划的第二阶段（2005—2009年）中启动了验证项目（Terrafirma Validation Project）。核心任务是对PSI产品的提供者，简称OSPs（Operational Service Providers，主要有Altamira Information, TRE, Gamma Remote Sensing以及NPA等提供形变监测产品的PSI专业团队）处理的PSI结果进行交叉检验（内部检验）以及与地面同步测量结果的比较检验（外部检验）。在第三阶段开展过程中荷兰的Hansje Brinker作为新的OSP加入Terrafirma团队。
比较检验的前提是相同的观测条件（SAR数据与地面观测条件）和试验场，对不同PSI处理机构的过程和结果对比检验。在这一过程中，选择了两个有代表性的验证实验场，分别为阿尔克马尔和阿姆斯特丹，前者为沿海地带，地表覆盖以森林、沙土和海滩为主，为农村地区；后者则为城区，存在空间上非相关的地表变形。两个检验场在观测对象、变形特征上且具有互补性和代表性。
（1）Alkmaar试验场：为油气开采引起的地面沉降，其分布特征上具有空间相关性。PSI处理分别为ERS-1/2 (自 1991年至 2000年12月)和ENVISAT-ASAR数据。地面验证采用水准数据。
（2）Amsterdam试验场：该地区地面变形场空间相关性不显著，通过获取其中一段地铁施工的地面数据进行检验。
检验的对象是PSI生成的地表形变速率和时间序列两种观测量，而检验的步骤则包括两部分，分别为过程验证和产品验证。前者主要检验不同OSP处理流程上的等效性和一致性，明确相互间的差异，对不同OSP处理的形变结果进行交互验证，分析中间结果的异同 ；而后者则进行地理编码后的PSI产品与地面测量数据的对比验证。
图19 两个试验场
实际上，从后来的文本资料来看，这个过程分工也非常明确，由西班牙空间信息研究所（Institute de Geomatica）组织牵头，TNO提供地面数据并协助开展产品验证，DLR进行处理过程验证（控制）TU Delft作为非OSP协助产品验证，提供PSI第三方产品；由BGS监督并联络各Terrafirma产品验证团队，由NPA管理整个Terrafirma项目。
验证工作始于2007年9月，由Altamira Information、TRE、Gamma 以及NPA四家OSP分别处理在两个验证区的３种数据（Alkmaar地区的ERS与ASAR，Amsterdam 地区的ASAR）。制定了详细的验证规则和技术文件，明确验证方法、基础和数据处理方法。最终提交验证报告，包括内部检验和外部检验比较的总结和结论。
而从InSAR技术层面上，验证比较过程是繁复的！核心是解决两个“非不同一”问题，其一是空间域上不同PSI处理方法之间相干目标的差异以及与地面测量点的不同一问题；其次要解决地面测量与PSI时间序列分析在时域的不同。由此，需要在空间和时间域上采取不同的插值方法，让两组数据处于相同的时间和空间基准框架下。这是必须的！
图20 比较检验的结论
就PSI数据内部检验而言，不同的OSP所采用的SAR数据是相同的，处理方法的差异使得PSI产品（形变序列和形变速率）对应的相干目标并不完全相同，尽管有差异，但在空间域上的差异极小，通过全局统计的方法选择一种PSI数据作为参考，其他为待比较验证，求解互差均方差。关键是与地面点的统一，因为PSI与地面布点本质不是同一个点，而解决这一“非同一”就需要空间插值了。由于地表变形的空间相关或非相关特征，不同的插值方法形成的PSI“变形场”（形变速率）有所差异，在此基础上提取的地面测量点所在位置对应的PSI数据，进而完成与地面测量的比较。这里，克里金插值、反向距离加权、邻近点方法等都予以比较，去除掉两类数据在参考基准上的整体偏差（趋势）。比较验证的指标为两类数据互差的均方差。
图21 两个试验区三组PSI数据的直接检验
最后得到了如此结论：
（1）交叉检验：四组PSI形变速率比较的均方差为 0.40~0.53mm/y，形变序列为1.1~4.0mm，高程误差修正值为2.14~4.71m。
（2）比较检验：Alkmaar地区PSI形变量与地面水准测量直接比较（两类数据求差）的均方根（RMS）范围为 1.0~1.5mm/y （ERS数据）和1.3~1.8mm/y（Envisat数据），形变序列的 RMS范围为6.2~8.7 mm（ERS）和 3.6~4.8 mm（Envisat）。
Amsterdam地区PSI形变速率与水准测量互差的均方差为1.0~1.2mm/y，形变序列的平均RMS为4.2~5.5mm。
五、经验与启示
时至今日，Terrafirma作为一个项目已经消弭于众多常规应用之中，但其对推动InSAR技术广泛应用所起到的作用是历史性的，是永久的！不仅仅在欧洲内部形成了地质行业应用、InSAR技术研发以及SAR卫星研制的群体，更是促进了其他国家，特别是中国，在该领域的起步和发展。
近二十年来，从两年一度的Fringe workshop到一年一度的IGARSS会议，地表形变InSAR的热度一直不减。即使到今天，形变监测及其所促进的地学研究成果仍然广泛见诸于JGR、TGRS、RSE等地球科学研究中的一流刊物中，而InSAR技术已经成为了一项研究解决大尺度微小形变监测的常规手段，形成了从系统研发、产业应用到专业卫星研制的全链条产业群体，在多样化的应用中进步。
（1）严格的专业分工有利于发挥各自的技术优势，从而推动产业应用和稳健的技术群体形成。在Terrafirma的三个主题下，统一由专业InSAR技术研发与数据处理的机构，如TRE、Altermira、GAMMA等作为Operation Product Providers 提供PSI数据产品，由英国地质调查局（BGS）、德国汉诺威地学中心（BGR）、法国地质调查局（BRGM）、荷兰TNO等相关机构作为用户实现从形变监测数据到应用产品的数据解译与建模分析，形成高级产品，进而解决了从多尺度地表形变（现象）到灾害产生机制（本质）的关联，并在此基础上利用长时序InSAR观测数据进行模拟与预测，增强应用的针对性，实现PSI观测数据的增值。这一过程既有相互间协作，又有明确的边界。对于InSAR研究者，更为深刻的理解了观测现象背后的机理机制，而作为地学研究者，则接纳并明确了观测数据的特点与内涵。
（2）科学回答了InSAR形变监测技术的可靠性以及监测产品的精准度。从PSI技术的观测量出发，回答了监测结果的精度水平和需求条件。以内外检验的方式从形变速率、形变累积量、高程估计值、地面定位精度综合评价了测量值的精度，通过不同处理算法的PSI结果与同步地面观测的对比，科学分析了两类观测数据之间的同一性和差异性。以适用条件下的实用效果更为客观的回答了从观测量到监测对象变形机制的关联和差距，回答了人们的质疑，利于推广InSAR测量技术。
（3）广泛的应用形成了从基础数据到监测更新的应用模式，以更长时间尺度的监测数据揭示新的地学规律和认识。PSI以更高密度的采样和更高时间频率的监测，从形变模式上揭示了地质灾害（地面沉降、矿山塌陷、滑坡、活动断裂）的发生过程和变形特征，而长时序的监测更新则强化了“从变形体识别、发育状况评估、变形监测、灾害预警”全过程的理解，这一点对于地质灾害行业尤为重要，而充分认识InSAR技术的使用条件、应用范围和因故用过程中的科学定位则是成败的关键。
（4）全国性的大范围监测与数据更新加速了面向InSAR应用的雷达卫星星座研制。从ERS-1/2、ENVISAT到当前的Sentinel-1A/B，ESA监测C波段一路走来，如果说ERS是InSAR技术的“试验者”，ENVISAT就是“实践者”，而哨兵-1双星则是后来居上的“超越者”。由成熟的InSAR技术驱动和应用牵引所形成哨兵卫星，创新性的以编队模式实现了双星联合干涉，缩短了单星的重访周期，加密了观测，更为可贵的是TOPS观测模式的引入则扩大了观测范围，实现了一幅图下多尺度形变的全覆盖测量。当下，不仅仅欧洲诸国，我国更为急切的需要开展一次全陆域覆盖的InSAR形变调查，构建地表形变基础数据库，服务于快速发展的经济社会和环境安全。而这将是在ESA所推动的开放、科学、公益模式下对全球的贡献，“Full open and free”的数据政策必将让哥白尼计划实现科学目标，服务全球环境安全！
感谢葛老师与GeoTalks读者分享。
葛大庆，雷达遥感研究所所长
中国国土资源航空物探遥感中心
