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1、InSAR基本原理及其誤差來(lái)源合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)( sy nthetic aperture radar in terferometry, I nASR )將合成孔徑 雷達(dá)成像技術(shù)與干涉測(cè)量技術(shù)成功地進(jìn)行了結(jié)合,利用傳感器高度、雷達(dá)波長(zhǎng)、波束視向及天線(xiàn)基線(xiàn)距之間的幾何關(guān)系,可以精確的測(cè)量出圖像上每一點(diǎn)的三維位置和變化信息。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是正在發(fā)展中的極具潛力的微波遙感新技術(shù),其誕生至今已 近30年。起初它主要應(yīng)用于生成數(shù)字高程模型(DEM)和制圖,后來(lái)很快被擴(kuò)展為差分干涉技術(shù)(differential InSAR , DInSAR并應(yīng)用于測(cè)量微小的地表形變,它已在研究地震形變、
2、火山運(yùn)動(dòng)、冰川漂移、城市沉降以及山體滑坡等方面表現(xiàn)出極好的前景。特別,DI nSAR具有高形變敏感度、高空間分辨率、幾乎不受云雨天氣制約和空中遙感等突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì),它是基于面觀測(cè)的空間大地測(cè)量新技術(shù),可補(bǔ)充已有的基于點(diǎn)觀測(cè)的低空間分辨率大地測(cè)量技術(shù)如 全球定位系統(tǒng)(GPS、甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉(VLBI)和精密水準(zhǔn)等。尤其InSAR在地球動(dòng)力學(xué)方面的研 究最令人矚目。隨著InSAR應(yīng)用的廣泛開(kāi)展,尤其是在長(zhǎng)時(shí)間序列的緩慢地表形變監(jiān)測(cè)方面的深入應(yīng)用, 發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)InSAR技術(shù)存在不可客服的局限,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1) 長(zhǎng)時(shí)間序列上的時(shí)間去相干問(wèn)題,特別是重復(fù)軌道觀測(cè)的In SAR處理。地物在時(shí)間序
3、列上的變化導(dǎo)致其散射特性的變化,從而大大降低地物在不同時(shí)間上的相干性,導(dǎo)致InSAR處理的失效。(2) 傳統(tǒng)DInSAR側(cè)重于單次形變的研究,使用到的 SAR圖像少,而且對(duì) SAR圖像的要 求非常高,通常要保證兩次衛(wèi)星的基線(xiàn)距比較小,否則會(huì)引入嚴(yán)重的幾何去相干問(wèn)題, 這大 大限制可被利用于感興趣區(qū)的 InSAR監(jiān)測(cè)圖像質(zhì)量。大氣相位成為傳統(tǒng)InSAR處理干涉相位中不可避免的信號(hào)(3) 大氣相位的不均勻延時(shí)影響,由于大氣本身的非均質(zhì)性和不同時(shí)刻大氣狀況的迥異, 尤其對(duì)于不同季節(jié)的干涉圖像對(duì),之一,嚴(yán)重的影響了所獲得的DEM和地表形變的精度。除此之外,InSAR處理所獲得的 DEM和地表形變精度還
4、受系統(tǒng)自身的熱噪聲等因素的影 響,因此傳統(tǒng)In SAR雖具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),但是其自身的局限性又大大阻礙了其大規(guī)模的應(yīng)用。.In SAR基本原理機(jī)載或星載SAR系統(tǒng)所獲取的影像中每一像素既包含地面分辨元的雷達(dá)后向散射強(qiáng)度信息, 也包含與斜距(從雷達(dá)平臺(tái)到成像點(diǎn)的距離)有關(guān)的相位信息。 將覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達(dá)圖像對(duì)應(yīng)像素的相位值相減可得到一個(gè)相位差圖,即所謂干涉相位圖(Interferogram)。這些相位差信息是地形起伏和地表形變(如果存在)等因素貢獻(xiàn)和的體現(xiàn)。InSAR正是利用這些具 有高敏感特性的干涉相位信號(hào)來(lái)提取和分離出有用信息(如地表高程或地表形變)的,這一點(diǎn)與攝影測(cè)量和可見(jiàn)光、近紅外遙感
5、主要利用影像灰度信息來(lái)重建三維或提取信息是完全不 同的。本文是針對(duì)重復(fù)軌道橫跨軌道工作模式的描述1. 干涉相位信號(hào)地面目標(biāo)的SAR回波信號(hào)不僅包含幅度信息 A,還包括相位信息',SAR圖像上每個(gè)像元的后向散射信息可以表示為復(fù)數(shù)Aei。相位信息包含 SAR系統(tǒng)與目標(biāo)的距離信息和地表目標(biāo)的散射特性,即:3.16式3.1中,4二為雙程距離相位;R為SAR與目標(biāo)之間的斜距;obj為地面目標(biāo)的散射相位。設(shè)地面目標(biāo)點(diǎn)P兩次成像時(shí)的圖像分別為:G 二 A1ei 1 ,c2 = A2ei 23.2式中,Cl為主圖像,c2為輔圖像。且有:4兀r ,丄丄4兀r ,丄1R1objl,2R2obj2九九3.3
6、通過(guò)主輔圖像的共軛相乘,可得復(fù)干涉圖為:I = G Q = AAzd"1 2)3式中,*表示取共軛。設(shè)為干涉相位,則有:4 二(Rl - R2)+伸。切1 -札bj2)3.5如果兩次成像時(shí),地面目標(biāo)的散射特性不變,即'2,斜距差= R1 - R2,則干涉圖的相位僅與兩次觀測(cè)的路程差有關(guān),即:4兀這里的是真實(shí)干涉相位。實(shí)際處理中得到得到的相位整周數(shù)是未知的,3.6即纏繞相位,為了得到真實(shí)相位必須對(duì)纏繞相位進(jìn)行解纏操作。對(duì)干涉相位進(jìn)一步分解得:=Go £ 人noise3.7式中'earth, ; topo , 'def,atm, 'noise分別
7、表示由地球形狀,地形起伏,地表形變,大氣以及噪聲引起的干涉相位。2. InSAR高程測(cè)量通常重復(fù)軌道InSAR觀測(cè)的幾何關(guān)系如圖所示。S1和S2分別表示主輔圖像傳感器,B為基線(xiàn)距,:為基線(xiàn)距與水平方向傾角,二為主圖像入射角,H為主傳感器相對(duì)地面高度, R1和R2分別為主輔圖像斜距, P為地面目標(biāo)點(diǎn),其高程為 h, F0為P在參考平地上的等斜距 點(diǎn)。為討論方便,假設(shè)主從相對(duì)獲取期間無(wú)地表形變,且無(wú)大氣影響。TPO圖3.1 InSAR高程測(cè)量原理圖將基線(xiàn)沿著入射方向和垂直于入射方向進(jìn)行分解,可以得到垂直基線(xiàn)斜距 B_和平行基線(xiàn)斜距B :B_ = B cos(八-),B/= Bsin(八:-)3.8
8、在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下,可以假設(shè) AR=B,則式 可表示為:3.9在參考面為平地的條件假設(shè)下,根據(jù)三角關(guān)系,有3.10h = H - R-i cos-分別對(duì)式3.9和式3.10的兩邊取微分,有4兀B cos( )九3.11h = R sin m e -cost將式3.11下式代入上式可得:3.12式中,左邊表示臨近像素的干涉相位差;右邊第一項(xiàng)表示目標(biāo)咼程變化引起的相位,右 邊第二項(xiàng)表示無(wú)高程變化的平地引起的相位,稱(chēng)之為平地相位。為了反演高程,需要去除平地相位,直接建立干涉相位與高程之間的關(guān)系。去除平地相位后,可以得到高程與相位之間的直接關(guān)系,即甲 _ 4兀Bcos(*) R sin 二0hh'R
9、 sin 二03.13其中-,表示平地上的等斜距點(diǎn) P的主圖像入射角。B、。和H可從軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)推求得到,而R可根據(jù)SAR圖像頭文件中有關(guān)雷達(dá)參數(shù)推算出來(lái)。如果選擇參考橢球體和球體作為參考面時(shí),可以分別得到不同參考面下的去平地效應(yīng)后的干涉相位分別為:4B3.14=-4-h 參考橢球體模型丸(1+ H /rH)(rH/rh)Rsin 日。4-h (1 H / r)Rsin 厲球體模型3.15式中,H為衛(wèi)星平臺(tái)高度;rH、rh分別為星下點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)處地球半徑;R為斜距。3.InSAR地表形變測(cè)量(DInSAR衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)在地表形變探測(cè)中得到了較廣泛的應(yīng)用。為分離出形變信息,具有顯著影響的地球形
10、狀和地形因素必須從初始干涉相位中去除,于是有了差分干涉測(cè)量(Din SAR方法。1989年Gabriel最早介紹了差分干涉測(cè)量的概念,所謂差分干涉測(cè)量是指利用同一地 區(qū)的兩幅干涉圖像, 其中一幅是形變前的干涉圖像,另一幅是形變后獲取的干涉圖像,然后通過(guò)差分處理來(lái)獲取地表形變的測(cè)量技術(shù)。傳統(tǒng)的DinSAR方法主要有兩軌法 (Massonnet etal.,1993)和三軌法(Zebker et al.,1994)及四軌法。為計(jì)算方便,下面的討論不考慮大氣及噪聲 影響。(1)兩軌法兩軌法的基本思想是利用實(shí)驗(yàn)區(qū)地表變化前后的兩幅影像生成干涉紋圖,從干涉紋圖中去除地形信息,即可得到地表形變信息。這種方
11、法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需對(duì)干涉圖進(jìn)行相位解纏,避免了解纏的困難。其缺點(diǎn)是對(duì)于無(wú) DEM數(shù)據(jù)的地區(qū)無(wú)法采用上述方法;在引起DEM數(shù)據(jù)的同時(shí),可能引起新的誤差,如DEM本身的高程誤差、DEM模擬干涉相位與真實(shí) SAR紋圖的配準(zhǔn)誤差等。兩軌法處理流程圖如圖 3.2所示:圖3.2兩軌法處理流程示意圖由式3.7 得:甲 =9def-甲earth topo3.16(p earth4 二B其中:分別表示地球形狀及地形起伏引起的干涉相位。topo反映地表形變的斜距變化量可經(jīng)如下計(jì)算得到:LT'def3.17(2)三軌法三軌法基本原理是利用三景影像生成兩幅干涉紋圖,一幅反映地形信息,一幅反映地 形形變信息。三軌法
12、的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需輔助DEM數(shù)據(jù),對(duì)于一些無(wú)地形數(shù)據(jù)的變化監(jiān)測(cè)尤為重要,而且數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn)較易實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)是相位解纏的好壞將影響最終結(jié)果。圖3.3是三軌法測(cè)量的幾何模型圖,其中S1和S2是在沒(méi)有地形位移情況下 SAR系統(tǒng)兩次對(duì)同一地區(qū)成像的位置,所獲得的干涉相位中僅僅包含地形信息;S3是地表形變后SAR系統(tǒng)的觀測(cè)位置。由 S1和S3所獲得的干涉相位不僅包含地形相位,還記錄地表形變 的相位貢獻(xiàn)。圖3.3三軌法原理圖兩次的干涉相位分別為124 二4 二Bsi n()B/134 二.4 二4叮'B's in (八-).D(B-:D)3.183.19式中,勺2僅僅包含地形信息;包含地形信息和
13、形變信息;B/、B分別為S5和S1S3 的水平基線(xiàn),日為圖像視角;«1«2分別為基線(xiàn)B、B'與水平方向的夾角; 3 為地表在衛(wèi)星視線(xiàn)LOS方向上的形變位移。因此由地表在LOS方向上位移引起的相位 -d為B/123.20地表位移形變表示為:3.21Dd4兀三軌法處理流程如圖 3.4所示:圖3.4三軌法處理流程圖四軌法類(lèi)似于“三軌法”,只是地形干涉圖與形變干涉圖相互獨(dú)立。In SAR數(shù)據(jù)處理基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),InSAR的數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以被高度自動(dòng)化,以提取地表三維信 息和地表形變結(jié)果。在干涉數(shù)據(jù)處理實(shí)施之前,必須選擇合適的干涉像對(duì)和其它輔助數(shù)據(jù)(如外部DEM,用于地
14、形相位的去除)。干涉像對(duì)的選擇準(zhǔn)則是:對(duì)DEM生成來(lái)說(shuō),干涉基線(xiàn)既不能太長(zhǎng)也不能太短; 對(duì)于形變監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),干涉基線(xiàn)越短越好。 在得到有效的干涉數(shù)據(jù)集 后,要對(duì)它們進(jìn)行必要的處理,這些處理步驟包括SAR圖像配準(zhǔn)、干涉圖生成、參考面 /地形影響去除、幾何變換、相位解纏等。1. 圖像配準(zhǔn)從多時(shí)相的SAR復(fù)數(shù)圖像來(lái)提取地形起伏或地表形變信息,首要面臨的問(wèn)題便是將沿重 復(fù)軌道(存在輕微偏移)獲取的覆蓋同一地區(qū)的圖像進(jìn)行精確配準(zhǔn)。SAR影像的配準(zhǔn)就是計(jì)算參考影像(主影像)與待配準(zhǔn)影像(從影像)之間的影像坐標(biāo)映射關(guān)系,再利用這個(gè)關(guān)系 對(duì)待配準(zhǔn)影像實(shí)行坐標(biāo)變換和重采樣。因?yàn)檐壍榔屏枯^小(一般在1km左右),
15、而軌道高度為數(shù)百公里。因此,在重復(fù)軌道影像重疊區(qū)域內(nèi),同名像點(diǎn)對(duì)間的坐標(biāo)偏移量具有一定的變化規(guī)律,一般可使用一個(gè)高階多項(xiàng)式來(lái)擬合。要求影像配準(zhǔn)精度必須達(dá)到子像元級(jí)。一般分兩個(gè)階段來(lái)實(shí)施,即粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)。 粗配準(zhǔn)可利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)或選取少量的特征點(diǎn)計(jì)算待配準(zhǔn)影像相對(duì)于參考影像在方位向 和斜距向的粗略偏移量,目的是為影像精確配準(zhǔn)中的同名像素搜索提供初值。而精配準(zhǔn)首 先是基于粗略影像偏移量和影像匹配算法,從主從影像上搜索出足夠數(shù)量的且均勻分布在 重疊區(qū)域內(nèi)的同名像點(diǎn)對(duì),然后使用多項(xiàng)式模型來(lái)描述兩影像像素坐標(biāo)偏差,即主從影像 同名像點(diǎn)對(duì)的坐標(biāo)差可表示為主影像坐標(biāo)的函數(shù)表達(dá)式。基于所得到的同名像點(diǎn)坐標(biāo)
16、偏移 觀測(cè)量和最小二乘算法,多項(xiàng)式模型參數(shù)可以被求解出來(lái),這樣便完成了影像對(duì)坐標(biāo)變換 關(guān)系的建立。最后利用這一模型對(duì)待配準(zhǔn)影像進(jìn)行重采樣處理,使從影像取樣到主影像的 空間。2. 干涉圖生成將主影像與重取樣后的從影像對(duì)應(yīng)像素的相位相減, 便可很容易地得到相位差圖。 實(shí)際 計(jì)算處理中,是先將主從影像作復(fù)數(shù)共軛相乘,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為I(r,t) = M(r,t) S(r,t)*式中,M(r, t)和S(r, t)分別代表主從圖像對(duì)應(yīng)像素的復(fù)數(shù)值, *表示復(fù)數(shù)共軛,而 l(r, t)表示 所生成的干涉信息, 也是復(fù)數(shù)值。 由此所產(chǎn)生的結(jié)果稱(chēng)為復(fù)數(shù)形式的干涉圖。 然后從此干涉 圖中提取相位主值分量圖,即可
17、得到一次相位差圖,注意,干涉相位在-p到+p內(nèi)變化,一個(gè)完整的變化呈現(xiàn)為一個(gè)干涉條紋,但每一像素上存在相位整周模糊度問(wèn)題。3. 參考面 / 地形影響去除 一次差分干涉相位圖是多種因素如參考趨勢(shì)面、地形起伏、地表位移和噪聲等方面的調(diào) 和反映。 對(duì)于地形測(cè)量來(lái)說(shuō), 一般事先根據(jù)先驗(yàn)信息, 選擇不包含形變信息的干涉對(duì)來(lái)進(jìn)行 處理, 以避免不必要的麻煩,因此, 直接相位差分值主要包含參考面(一般選擇為參考橢球 面)和地形起伏的貢獻(xiàn), 為了使后續(xù)相位解纏變得容易, 一般先將橢球參考面的相位分量從 直接差分相位中去除。 值得注意的是, 相對(duì)于地形貢獻(xiàn)來(lái)說(shuō), 參考橢球面的貢獻(xiàn)是占主導(dǎo)地 位的,這就是為什么一
18、次差分干涉相位圖看起來(lái)呈現(xiàn)為大致與軌道相平行的條紋,有效干涉基線(xiàn)越長(zhǎng),干涉條紋越密集,地形坡度越大,干涉條紋越密集,地形越復(fù)雜,條紋曲率變化 越明顯。 當(dāng)我們?nèi)コ魠⒖济娴呢暙I(xiàn)后, 地形相位條紋便清晰地顯現(xiàn)出來(lái), 其表現(xiàn)形狀與地 形等高線(xiàn)的形狀一致。4. 相位解纏 為了獲得地表高程或沿雷達(dá)斜距方向上的地表位移量,我們必須確定干涉相位圖中每一 像素的相位差整周數(shù),這類(lèi)似于GPS中的整周模糊度確定問(wèn)題,在InSAR中稱(chēng)為相位解纏是干涉數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵算法。目前,相位解纏算法較多,但主要?dú)w為兩類(lèi):(1)基于路徑控制的積分法; (2)基于最小二乘的整體求解算法。積分法的思路是:對(duì)纏繞相位圖的每一 像素
19、, 首先求其沿行向和列向的一階差分, 然后對(duì)一階差分連續(xù)積分即可求得解纏相位。 由 于干涉相位圖存在奇異點(diǎn)(在復(fù)變函數(shù)里稱(chēng)為留數(shù)點(diǎn)) ,積分路徑應(yīng)受到約束以免局部干涉 相位的誤差傳播, 故這種算法的關(guān)鍵是按一定的原則對(duì)奇異點(diǎn)定位并連接它們作為積分路徑 的“防火墻”,即積分時(shí)不能穿越這些路徑。最小二乘算法的思想是:在解纏后的相位梯度 與纏繞相位梯度差異平方和為最小的意義下整體求解, 使用帶權(quán)估計(jì)方法可削弱奇異相位對(duì) 解纏結(jié)果的影響。三.InSAR誤差傳播利用一次差分干涉相位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)可進(jìn)行地表三維重建; 利用二次差分干涉處 理可進(jìn)行地表形變探測(cè)。 這些干涉分析需要使用雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)、 雷達(dá)
20、平臺(tái)姿態(tài) (基線(xiàn))數(shù)據(jù)、 相位觀測(cè)量和地形數(shù)據(jù)(二次差分中用于地形相位的扣除)等,顯然,這些數(shù)據(jù)的不確定性 或誤差會(huì)傳播到干涉高程或形變結(jié)果中去。 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和測(cè)量誤差基本理論, 本文對(duì)衛(wèi)星 雷達(dá)干涉系統(tǒng)中幾個(gè)主要誤差源 (即相位觀測(cè)量、 基線(xiàn)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)) 的特性及其對(duì)高程 和形變測(cè)量的影響進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。1. 干涉相位誤差SAR影像中的相位觀測(cè)量是干涉處理中最為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)源。聯(lián)合沿不同軌道獲取的兩 幅SAR圖像,干涉處理能提取對(duì)應(yīng)像素的相位差圖即(干涉相位圖),每一像素的干涉相位包含如下貢獻(xiàn): ( 1)地形起伏, ( 2 )投影到雷達(dá)視線(xiàn)方向的地表位移,( 3)可能的大氣影響,(4)噪
21、聲。前三者在一定程度上表現(xiàn)為空間自相關(guān),干涉相位噪聲的理解需要從單幅SAR圖像中相位信號(hào)的構(gòu)成來(lái)展開(kāi)討論。雷達(dá)成像時(shí),天線(xiàn)發(fā)射的微波信號(hào)要穿越大氣層且與地表交互作用后被反射回去再由傳感器記錄下來(lái)。對(duì)于單幅SAR圖像的每一像素的相位來(lái)說(shuō),主要包括三方面的貢獻(xiàn):(1)傳感器到地表分辨元的直線(xiàn)路徑長(zhǎng)度,( 2)非均勻大氣介質(zhì)引起的路徑彎曲,( 3)微波信號(hào)與地表分辨元內(nèi)諸目標(biāo)交互所引入的后向散射相位。 散射附加相位主要與兩個(gè)因素有關(guān), 首 先,地面分辨元內(nèi)部可能隨時(shí)間發(fā)生隨機(jī)擾動(dòng) (如植被生長(zhǎng)或隨風(fēng)擺動(dòng)) 或化學(xué)特性改變 (如 與土壤濕度有關(guān)的電離常數(shù)改變) ,其次,對(duì)于同一分辨元,軌道間隔(或稱(chēng)空
22、間基線(xiàn))會(huì) 導(dǎo)致不同的雷達(dá)側(cè)視角度,也會(huì)引起不同的散射特性。對(duì)于不同時(shí)間獲取的兩幅SAR圖像來(lái)說(shuō),各自的隨機(jī)附加相位分量(噪聲)不同或者說(shuō)不相關(guān),在相位差分時(shí)難以抵消,可引 起干涉圖無(wú)明顯的條紋或條紋不連續(xù), 相位整周模糊度求解將非常困難, 而易變的大氣條件(氣壓、溫度和相對(duì)濕度)可能會(huì)導(dǎo)致不同的相位延遲,這種不一致既表現(xiàn)在時(shí)間尺度上, 也表現(xiàn)在空間尺度上。一般來(lái)說(shuō),沿重復(fù)軌道獲取兩幅 SAR 圖像的時(shí)間間隔越大,干涉相位的噪聲越嚴(yán)重, 即所謂的時(shí)間失相關(guān),從而致使高程和形變測(cè)量失?。ㄌ貏e是植被覆蓋區(qū)),尤其使長(zhǎng)期累積形變(如地震震前和震后形變、火山運(yùn)動(dòng))的監(jiān)測(cè)變得非常困難。已有的研究表明,在
23、維 持時(shí)間相關(guān)性方面,長(zhǎng)波段 SAR系統(tǒng)(如JERS-1波段SAR系統(tǒng),波長(zhǎng)為23.5cm)比短波段 SAR系統(tǒng)(如ERS-1/2 C波段SAR系統(tǒng),波長(zhǎng)為5.7cm)更有優(yōu)勢(shì)。獲取兩幅SAR圖像的軌 道空間間隔越大, 干涉相位噪聲水平也會(huì)越高, 即空間失相關(guān), 這限制了有效干涉像對(duì)的可 用數(shù)量。因缺乏與 SAR 成像時(shí)間同步的高分辨率地面氣象數(shù)據(jù),從干涉結(jié)果中完全扣除大 氣的影響也相當(dāng)困難(稀疏GPS永久跟蹤站的大氣延遲解可用于去除大氣低頻分量)。2. 基線(xiàn)誤差為了從干涉相位中提取地表形變信息,我們必須利用基線(xiàn)參數(shù)來(lái)扣除參考趨勢(shì)面相位 和地形相位的貢獻(xiàn)。此外,在由干涉相位計(jì)算地表高程時(shí),也需要使用
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