InSAR在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、InSAR在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用一、概述合成孔徑雷達(dá)（SAR）最早發(fā)展于20世紀(jì)50年代，作為有源系統(tǒng)，SAR具 有全天候、全天時(shí)的工作能力?？稍诓煌奈⒉l段、不同極化狀態(tài)下得到地面 目標(biāo)的高分辨率圖像為人們提供各種有用的信息，廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、地質(zhì)研 究、防災(zāi)減災(zāi)等諸多方面。20世紀(jì)60年代末合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（INSAR） 發(fā)展起來(lái)，它是利用合成孔徑雷達(dá)的相位信息提取地表的三維信息和高程變化信 息的一項(xiàng)技術(shù)。它的出現(xiàn)大大擴(kuò)展了 SAR的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠獲取高精度的地形信 息，同時(shí)還可以檢測(cè)地球陸地表面和冰雪表面的微小變化，監(jiān)測(cè)時(shí)間從幾天到幾 年，可獲得全球高精度的（毫米級(jí)）高可靠的地表

2、變化信息。近年來(lái)地震、火山、滑坡和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重地威脅著人類的 生存空間，針對(duì)這種災(zāi)害而發(fā)展起來(lái)的地表形變監(jiān)測(cè)和測(cè)量技術(shù)就顯得尤為重 要。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量可以大面積的采樣、測(cè)量時(shí)間短，同時(shí)成本也比較低， 而且合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，具有全天侯、全天時(shí)、高分辨率和連續(xù)空間覆蓋的 特征,能夠提供短周期內(nèi)空間連續(xù)曲面形變信息，可以滿足沉陷監(jiān)測(cè)要求,彌補(bǔ)地 面常規(guī)測(cè)量離散點(diǎn)的不足，特別是能夠提供高水平和高垂直分辨率的三維數(shù)字模 型。并且雷達(dá)數(shù)據(jù)下載快捷，時(shí)間延誤少，加之越來(lái)越成熟的配套處理軟件，使得 地面沉降數(shù)據(jù)的提取十分迅速，可接近準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是現(xiàn)有滑坡監(jiān)測(cè)手段的 有益補(bǔ)充，用于

3、地表及山體滑坡監(jiān)測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)和很好的前景。二、INSAR干涉基本原理從歷史上來(lái)看，現(xiàn)代合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR技術(shù)）的發(fā)展源于 Thomas Young于1801年所完成的“楊氏雙狹縫光干涉實(shí)驗(yàn)”。從兩條狹縫射出 的波束具有不同的傳播距離，也就是波的相位不一致，這樣引起波的疊加或削減， 從而在白板上可觀察到明暗相間的條紋，也就是所謂的“干涉條紋”InSAR正 是受這一實(shí)驗(yàn)啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源 獲取地表的三維信息和變化信息的一項(xiàng)技術(shù)。該方法基于時(shí)間測(cè)距的成像機(jī)理， 充分利用了雷達(dá)回波信號(hào)所攜帶的相位信息來(lái)提取地表高程

4、信息InSAR技術(shù)原 理是通過(guò)兩副天線同時(shí)觀測(cè)（單軌雙天線模式）或兩次近平行的觀測(cè)（重復(fù)軌道 模式），獲取地面同一景觀的復(fù)數(shù)圖像對(duì)（重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)）。由于目標(biāo)與兩天線位 置的幾何關(guān)系，在復(fù)圖像上產(chǎn)生了相位差（同一目標(biāo)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)回波信號(hào)之間存 在相位差），形成干涉紋圖（interferogram）。干涉條紋包含了斜距向上的點(diǎn)與 兩天線位置之差的精確信息。因此，利用傳感器高度、雷達(dá)波長(zhǎng)、波束視向及天 線基線距之間的幾何關(guān)系，可以精確地測(cè)量出圖像上每一點(diǎn)的三維位置和變化信 息。圖1為InSAR技術(shù)的基本原理圖所示圖1 InSAR技術(shù)的基本原理假設(shè)飛行平臺(tái)上同時(shí)架設(shè)了兩部天線，S2，若由S1發(fā)射信號(hào)，和

5、S2同 時(shí)接收從目標(biāo)T返回的信號(hào)，由式u = e j = URe -（e押）+巾 （可知，S1或S2接收到的從目標(biāo)丁返回的信號(hào)之相位可以表示為甲=七（P t + P，）=甲 t + 甲 r（2） 式中，下標(biāo)t，r分別表示發(fā)射和接收信號(hào)的相關(guān)參數(shù)；入為波長(zhǎng)；p為從天線到 目標(biāo)的斜距。兩幅天線所接收到的信號(hào)之相位差為（3）式中，P為系數(shù)，若是一幅天線用于發(fā)射信號(hào)，在干涉圖上只反映出單程（信號(hào) 的返程）的相位差（單軌雙天線模式）；若是兩幅天線都發(fā)射和接收信號(hào)，則P=2, 即反映出往返雙程的相位差（單天線重復(fù)軌道模式）。u當(dāng)兩幅天線所形成的復(fù)數(shù)影像精確配準(zhǔn)后，對(duì)應(yīng)像素值共軛相乘就可以在每個(gè)像 素上得到

6、如式（4）所示的相位差，形成通常我們所說(shuō)的干涉圖或干涉條紋圖（Interferogram），艮口復(fù)數(shù)影像1：u = u |e j 91復(fù)數(shù)影像2：u = ue j 9 2干涉圖：_ _ * u = u - uInt12Int一 9 2）相位差為中=arctan、(u 或)(5)Rm (/ )e Int從（5）式中可以看出，由復(fù)數(shù)影像七川2求得的相位差，實(shí)際上只是0, 2n 區(qū)間的主值，即對(duì)2n取模的值甲w。確切地說(shuō)式（5）應(yīng)寫(xiě)成中=w B，可 以得出0 =以一 arcsin抑2兀PB（9）(10 a)(10 b)h = H - p. - cos0y = p - sin0式（9）和（10）揭示了

7、干涉相位差6和高程h之間的關(guān)系。也就是說(shuō)，如果天 線位置（參數(shù)H、B、a ）和雷達(dá)成像系統(tǒng)參數(shù)（。）等，就可以從6計(jì)算出地 表的高程值h。三、D-INSAR干涉測(cè)量原理INSAR技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為差分合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)（differential synthetic aperture radar interferometry， D-INSAR），它可以用來(lái)監(jiān)測(cè)地表 目標(biāo)的水平和垂直運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)相對(duì)位移量的測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。 常用的D-INSAR數(shù)據(jù)處理方法有三軌道法、四軌道法和已知DEM的雙軌道法。如前面提到，實(shí)際上兩次重復(fù)觀測(cè)（或成像）在技術(shù)上不可能達(dá)到完全重復(fù) 的軌道和其他參數(shù)。

8、通過(guò)比較兩幅SAR影像的相位變化（干涉圖）還不足以求出 地表的形變，但是可以有干涉圖導(dǎo)出視差的變化，從而反推出地形信息。本文以 三軌道法為例，其成像幾何示意圖如圖2所示。P3圖2 D-INSAR的成像幾何示意圖設(shè)天線和L分別接收到的信號(hào)的傳播路徑P 1，P 2的差為第，這里設(shè)定由S1s 一 獲得的影像為主影像，由2獲得的影像為從影像。由幾何關(guān)系可得21p2 = p2 + B2 2p - B - cos(9 0 )2PB - sin(0 一以)+P1 + P 2B2蘭一B - sin(0以)+ 2 P18p = p - p =B 2P1 + P2(11)由于B p 1，通常為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)果的影響在

9、1cm之內(nèi)。這樣就可以得到8p 蘭-B - sin（ 0 - a ） = B H讓等式右邊的第二項(xiàng)近似為零，此時(shí)對(duì)最終結(jié)（12）式中B|l為基線B在視線方向的分量，即B | 蘭 B - sin( 0 a )（13）于是得到綜合式（12）和式（13）以及式(14)表明：用干涉方式所量測(cè)得到的相位差（或干涉相位）與視線方向基線分量成正 比。在重復(fù)軌道干涉成像模式下，式（14）中的P=2即有2 n（15）9=9 1 f 2 = T P( P 2考慮在同一區(qū)域先后形成的兩幅干涉圖的情形。如果在同一地區(qū)再一次成像得到 第三幅SLC影像。如上圖所示，傳感器的位置為S3,信號(hào)的傳播路徑為P3。與 第一對(duì)干涉

10、影響中的主影像形成第二幅干涉條紋圖，那么兩幅干涉條紋圖的相位 就可以相互比較。形成第二幅干涉圖的基線距B（ Si和S3之間的基線），基線與水平方向的夾角為a，相位差為9，0不變。由式（15）可得(16)由式（15）和式（16）可以得虹=9 B II（17）即相位的比值等于基線距水平分量的比值，與地形本身無(wú)關(guān)。注意這里的相位是 指未纏繞的實(shí)際相位值。如果在第三次成像之前，地表發(fā)生形變，并假設(shè)這種形變與雷達(dá)分辨率單元 相比很小，可以認(rèn)為雷達(dá)信號(hào)仍是相關(guān)的。那么這時(shí)相位信息除了與地形信息有關(guān)，還包含了雷達(dá)視線方向的形變量AP。第二幅干涉圖的相位可以表示為9= 丁 (B +Ap) 人(18)同理考慮到

11、式（15）也可以將視線方向的形變量Ap的表達(dá)式寫(xiě)為:AP9- 9(19)根據(jù)式（13），基線的比值還可以表示為B sin(。- a )(20)B nsin(。一 a ) 由式(19)和式(20)就可算出地面形變。D-InSAR技術(shù)可以達(dá)到毫米級(jí)別，相對(duì)InSAR技術(shù)來(lái)說(shuō)具有更高的觀測(cè)精度。 但是D-InSAR技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，受到時(shí)間、空間去相關(guān)和大氣效應(yīng)等因素的影響， 存在測(cè)量范圍減小和精度減弱等問(wèn)題。四、PS INSAR技術(shù)PS ( Permanent Scatters,又稱永久散射體)技術(shù)是20世紀(jì)末由意大利學(xué)者A. Fer2retti，C. Prati和F. Rocca首先提出的，以解決

12、常規(guī)干涉中大氣影響、 失相干、DEM誤差等問(wèn)題，極大地拓展了 InSAR技術(shù)的應(yīng)用前景，導(dǎo)致對(duì)地觀 測(cè)技術(shù)發(fā)生了又一次革命性的飛躍，為精確研究地殼形變提供了強(qiáng)有力工具。所謂永久散射體，即是指在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍然保持穩(wěn)定反射特性的散射 體。PS技術(shù)是D-InSAR技術(shù)不斷創(chuàng)新的結(jié)果，其主要目標(biāo)就是研究某一區(qū)域內(nèi) 地表長(zhǎng)期緩慢變形的過(guò)程及變化規(guī)律。我們知道，InSAR技術(shù)通過(guò)比較相位差測(cè) 量地形和形變，但形變測(cè)量值對(duì)大氣造成的相位延遲也相當(dāng)敏感,大氣誤差極大 影響了 InSAR測(cè)量的精度。同時(shí)，當(dāng)兩次成像時(shí)間間隔比較長(zhǎng)時(shí)，或是成像季節(jié) 差異比較大時(shí)，地表的反射特性可能會(huì)發(fā)生很大的變化，這勢(shì)必會(huì)造成

13、圖像的嚴(yán) 重時(shí)間失相干，導(dǎo)致干涉處理無(wú)法進(jìn)行。而PS技術(shù)作為對(duì)D-InSAR技術(shù)的創(chuàng)新， 在解決時(shí)間失相關(guān)的同時(shí)，計(jì)算并消除大氣影響，保證干涉處理的正常進(jìn)行。PS InSAR的基本原理是：在給定的一組雷達(dá)干涉圖像中，按照某種準(zhǔn)則選 擇相位穩(wěn)定的一系列點(diǎn)作為永久散射體，也就是PS點(diǎn)，并且根據(jù)給定的相位模 型，去除這些PS點(diǎn)的大氣附加相位，DEM誤差和其他噪聲，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的地 表升降變化值。通常，PS技術(shù)需要處理同一地區(qū)30景以上的干涉圖，以選取一 組反射特性強(qiáng)、時(shí)間上穩(wěn)定的地物目標(biāo)作為PS點(diǎn)，保證計(jì)算結(jié)果的精確性。最早利用PS InSAR技術(shù)進(jìn)行的研究有，法國(guó)學(xué)者對(duì)巴黎市區(qū)因地鐵建設(shè)造 成的沉

14、降研究，美國(guó)洛杉磯盆地的沉降研究等，研究甚至觀測(cè)到博物館建筑上金 屬結(jié)構(gòu)的季節(jié)性熱脹冷縮現(xiàn)象。F. Rocca于2002年將PS InSAR技術(shù)用于監(jiān)測(cè) 城市大面積長(zhǎng)時(shí)間小幅度沉降(可監(jiān)測(cè)到的年沉降速度為幾毫米)。德國(guó)GFZ的 夏耶最早將人工角反射器應(yīng)用于研究三峽滑坡監(jiān)測(cè)，雖然在三峽地區(qū)由于各種 原因一時(shí)還無(wú)法得到最終結(jié)果，但該方法已顯示出強(qiáng)大的生命力，國(guó)內(nèi)許多應(yīng)用 研究部門對(duì)此表現(xiàn)出濃厚興趣。由中國(guó)科技部、歐空局等單位合作的“龍計(jì)劃”， 在三峽庫(kù)區(qū)安裝了角反射器，用于監(jiān)測(cè)三峽地區(qū)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；中國(guó) 地震局地殼應(yīng)力研究所張景發(fā)、英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院Peter等研究人員在西藏當(dāng)雄 活動(dòng)斷裂

15、帶區(qū)域安裝了角反射器，用于監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)形變。與常規(guī)InSAR技術(shù)相比，PS技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。精確基線計(jì)算。大氣相位估計(jì)。單個(gè)散射體高度和運(yùn)動(dòng)量計(jì)算。PS INSAR技術(shù)的特點(diǎn)是可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)一個(gè)地區(qū)進(jìn)行地面沉降的監(jiān)測(cè)，并且測(cè)量 的精度非常高，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理特別復(fù)雜。該技術(shù)主要用于城市的地面沉降，機(jī) 場(chǎng)等大建筑物的沉降監(jiān)測(cè)、采礦區(qū)的開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)。五、INSAR數(shù)據(jù)與處理流程圖3是從接收雷達(dá)信號(hào)到產(chǎn)生數(shù)字高程模型的典型處理流程圖。干涉數(shù)據(jù)的處理一般包括如下工作：(1)干涉SAR數(shù)據(jù)的特殊要求基線的長(zhǎng)度要滿足相干的要求，基線的長(zhǎng)度超過(guò)一定的值則兩幅圖像不相干。 要獲得好的干涉效果，兩幅圖

16、像間的垂直基線(基線是兩遙感平臺(tái)間的矢量距離) 最好在100 m到300 m之間；而監(jiān)測(cè)地表變化，垂直基線最好在50 m到100 m 之間；檢測(cè)如海浪運(yùn)動(dòng)等的微小變化，最好小于5 m21。相干圖像獲取期間成像區(qū)域下墊面變化要小，這樣才能使圖像相干并滿足精確 幾何配準(zhǔn)時(shí)對(duì)光譜相似性的要求。處理成SLC(single look complex)格式數(shù)據(jù)。這要求專門的處理軟件來(lái)完成。圖3 SAR干涉測(cè)量流程六、INSAR在滑坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足通過(guò)各個(gè)國(guó)家的學(xué)者開(kāi)展的實(shí)證研究表明，INSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)滑坡具有如 下其它方法所無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：(1)全天候、大范圍衛(wèi)星雷達(dá)干涉測(cè)量一次能覆蓋幾百至上千

17、平方公里范圍，可獲得整個(gè)覆蓋 范圍內(nèi)與此相應(yīng)的形變位移數(shù)據(jù)。另外，由于衛(wèi)星雷達(dá)成像能穿透云層且沒(méi)有晝 夜之分，雷達(dá)數(shù)據(jù)下載快捷時(shí)間延誤少，加之越來(lái)越成熟的配套處理軟件，使得 數(shù)據(jù)提取十分迅速，可以接近準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。(2)高分辨率、高精度雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)能以厘米量級(jí)甚至更小尺度測(cè)量地表形變，它不僅 能夠提供宏觀的靜態(tài)信息，而且能夠給出定量的動(dòng)態(tài)信息。另外，INSAR技術(shù)了提供時(shí)間跨度較大的SAR影像數(shù)據(jù)，例如ERS可提供 從1991年開(kāi)始的十年間的數(shù)據(jù)。而且利用這項(xiàng)技術(shù)可以花費(fèi)與其他方法相比較 少的費(fèi)用來(lái)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，這使得長(zhǎng)期對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為可能。因此，總的來(lái) 說(shuō)利用INSAR技術(shù)能得到十分詳盡的地形高程圖，而且取樣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最詳盡的 調(diào)查?；鲁３０l(fā)生在地形比較陡峭的地區(qū)，因此進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)必須要有精確地 DEM數(shù)據(jù)，但是在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，會(huì)有很多因素帶來(lái)誤差，影響干涉圖的質(zhì) 量。而且滑坡常常是在很短的時(shí)間內(nèi)造成地表的下降，從而能導(dǎo)致干涉圖像對(duì)失 相干，產(chǎn)生去相關(guān)問(wèn)題。另外，在雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的時(shí)期內(nèi)，要想獲得具有好的相 關(guān)性的干涉圖有賴于季節(jié)和天氣條件。通常，潮濕的天氣和高植被