D—InSAR技術(shù)在地震滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

任峰

摘 要：該文首先在全面回顧該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和實(shí)例的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地推導(dǎo)了D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)形變的原理公式并介紹了方法和數(shù)據(jù)處理流程，選取研究區(qū)2007-2009年10景ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，通過(guò)分析時(shí)空基線構(gòu)建4個(gè)干涉對(duì)，分別獲取了震前和震后不同時(shí)段的滑坡分布及滑坡位移，并對(duì)滑坡位移及相干圖進(jìn)行了分析。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比較，INSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)方面主要具有全天候、大范圍、高分辨率、高精度等優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)證明基于雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)聯(lián)合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)是進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害定量監(jiān)測(cè)的最有效的手段之一。

關(guān)鍵詞：ALOS PALSAR數(shù)據(jù) InSAR D-InSAR 汶川地震 滑坡監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（a）-0022-03

地震誘發(fā)的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害因其巨大的致災(zāi)力而廣泛引起人們的關(guān)注，僅20世紀(jì)，地震地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)造成數(shù)十萬(wàn)人喪生和幾十億美元的損失。強(qiáng)烈地震時(shí)，地震誘發(fā)的滑坡災(zāi)害，特別是山岳地區(qū)，其危害比地震直接造成的損失還要大。

遙感技術(shù)因具有覆蓋范圍廣、圖像獲取方便等特點(diǎn)，能夠客觀、全面地反映地震后災(zāi)區(qū)的景觀，能為震害調(diào)查、損失快速評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估也具有重要意義。我國(guó)曾對(duì)1966年邢臺(tái)地震、1975年海城地震、1976年唐山地震等大震進(jìn)行了震后災(zāi)區(qū)航空攝影，并積累了豐富的震害遙感影像判讀經(jīng)驗(yàn)（陳鑫連，1995；魏成階等，1993）。在2003年的伽師6.8級(jí)地震中，王曉青等根據(jù)以往震害影像統(tǒng)計(jì)并結(jié)合該次地震震害遙感特征，提出了遙感震害分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)和地震烈度劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而得到基于震害遙感影像的伽師地震等震線圖（王曉青等，2003）。然而光學(xué)影像由于受天氣狀況的制約，如果震后出現(xiàn)云雨等惡劣天氣，則利用光學(xué)影像進(jìn)行震害調(diào)查就會(huì)受到極大限制。

由于雷達(dá)波可以穿透云霧，并且具有全天時(shí)、全天候獲取地面散射特性的能力，就可以克服上述弱點(diǎn)。因此，SAR遙感平臺(tái)獲取的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。Yonezawa和Takeuchi（2001）對(duì)1995年日本兵庫(kù)縣南部（Hyogoken-nanbu）地震前后的ERS-1/SAR圖像的相干性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)地震前后的兩幅SAR圖像有明顯的失相干性，這種失相干性的大小、分布與地震中地面破壞程度、房屋倒塌情況及其分布狀況有明顯的關(guān)系。2001年Ferretti以覆蓋意大利Ancona地區(qū)34幅ERS SAR影像為數(shù)據(jù)源，成功監(jiān)測(cè)了該地區(qū)的滑坡形變，結(jié)果表明滑坡體PS點(diǎn)的線性形變速度超過(guò)3mm/a。之后，Colesanti等對(duì)Ancona滑坡體進(jìn)行了再次研究，采用1992-2000年的61幅ERS衛(wèi)星雷達(dá)影像，探測(cè)了4×5km2的滑坡體形變，結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量一致。

國(guó)內(nèi)采用SAR技術(shù)監(jiān)測(cè)滑坡形變的研究起步比較晚。張景發(fā)等（2002）曾利用合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，簡(jiǎn)寫(xiě)為SAR）圖像對(duì)張北地震進(jìn)行了震害評(píng)估研究；另外，2008年程滔等使用EnviSat數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)了陜北黃土地區(qū)的滑坡，根據(jù)InSAR地表形變監(jiān)測(cè)數(shù)值大小劃定了4個(gè)重點(diǎn)滑坡區(qū)域；2011年王桂杰等采用3景ALOS/PALSAR影像對(duì)金沙江下游烏東德水電庫(kù)區(qū)內(nèi)的滑坡分布進(jìn)行了詳細(xì)的研究，獲得研究區(qū)域內(nèi)地表高精度形變位移值，根據(jù)位移速率和位移大小成功辨別出可能發(fā)生的滑坡位置和滑動(dòng)較大的區(qū)域；2013年王志勇等以北京房山區(qū)史家營(yíng)滑坡為實(shí)驗(yàn)區(qū)，選取7景PALSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建4個(gè)干涉對(duì)，獲取了不同時(shí)段的滑坡分布和滑坡位移，以地面實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)為參考，結(jié)果表明雷達(dá)干涉測(cè)量監(jiān)測(cè)滑坡精度可以達(dá)到1 cm。

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前的主要地質(zhì)災(zāi)害類型及其分布特征，SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要集中在地質(zhì)環(huán)境變化過(guò)程中的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害現(xiàn)狀調(diào)查、形變監(jiān)測(cè)三個(gè)方面，形變監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用SAR數(shù)據(jù)相位信息，其他兩個(gè)方面則主要利用SAR數(shù)據(jù)強(qiáng)度信息。利用高軌SAR數(shù)據(jù)實(shí)施應(yīng)急監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取災(zāi)情信息，為抗震救災(zāi)和應(yīng)急救援提供預(yù)警和決策支持。

1 基本原理

1.1 D-InSAR技術(shù)

D-InSAR（Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar）即合成孔徑雷達(dá)差分干涉技術(shù)，是在主動(dòng)式微波合成孔徑雷達(dá)SAR相干成像基礎(chǔ)上，如果空間基線足夠小利用多次重復(fù)觀測(cè)可以進(jìn)行地表微小形變檢測(cè)的技術(shù)。它是迄今為止獨(dú)一無(wú)二的基于面觀測(cè)的形變遙感監(jiān)測(cè)手段，可補(bǔ)充已有的基于點(diǎn)觀測(cè)的地空間分辨率大地測(cè)量技術(shù)。通過(guò)差分干涉雷達(dá)技術(shù)獲取地表的形變信息，主要有3種方法即已知DEM的二軌法、三軌法和四軌法。

該文采用的是二軌法差分干涉處理方法。它是利用研究區(qū)地表變化前后兩幅影像生成干涉紋圖，從干涉紋圖中去除地形信息就得到地表變化信息。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需進(jìn)行相位解纏，減少處理工作量；缺點(diǎn)是在無(wú)DEM的地區(qū)無(wú)法采用上述方法，另外在引入DEM數(shù)據(jù)的同時(shí)可能帶來(lái)新的誤差。

1.2 SAR強(qiáng)度圖像比值變化檢測(cè)

對(duì)于突變型滑坡，由于變化速度快，形變量可能超出干涉測(cè)量的形變監(jiān)測(cè)梯度，所以可以采用變化檢測(cè)的方法，通過(guò)對(duì)變化前后的幅度影像進(jìn)行差值、比值處理，保留強(qiáng)度比值中過(guò)大或過(guò)小區(qū)域，進(jìn)行滑坡區(qū)域的探測(cè)及定位，以實(shí)現(xiàn)形變區(qū)域提取。采用兩幅SAR影像之間的強(qiáng)度比值的方法檢測(cè)圖像發(fā)生變化區(qū)域，保留強(qiáng)度比值中過(guò)大或過(guò)小區(qū)域，進(jìn)行滑坡區(qū)域的探測(cè)及定位，檢測(cè)原理如下式：

Ratio為最終形變檢測(cè)結(jié)果。

要進(jìn)行變化檢測(cè)，首先要對(duì)兩景影像進(jìn)行配準(zhǔn)。兩期配準(zhǔn)精度小于1/8像元。對(duì)于精確配準(zhǔn)的兩個(gè)時(shí)相圖像來(lái)檢測(cè)變化，最常規(guī)的方法是圖像相減或比值處理。其他的處理方法，如多時(shí)相數(shù)據(jù)分類及主成分變化等，已被光學(xué)遙感數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)證明效果不如圖像相減或比值方法。而比值的分布只依賴于相對(duì)變化，因此從統(tǒng)計(jì)模型來(lái)看，比值方法比圖像相減方法更適用于變化檢測(cè)。此外，由于很多輻射誤差是乘性的，比值方法對(duì)輻射誤差有更強(qiáng)的適應(yīng)性。但是，差值法獲得的SAR圖像差異信息也能起到重要的補(bǔ)充作用。endprint

1.3 偏移量跟蹤技術(shù)

偏移量跟蹤技術(shù)可以同時(shí)獲取地表二維形變場(chǎng)：斜距向（或地距向）及方位向形變量，此方法不需要解纏，適合應(yīng)用于形變量較大，超過(guò)InSAR技術(shù)可監(jiān)測(cè)最大形變梯度的情況。偏移量反映了地表點(diǎn)在兩幅影像中的位置偏差，包含系統(tǒng)偏移量及局部偏移量，系統(tǒng)偏移量可使用影像匹配去除，采用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合可匹配到1/8像元；局部偏移量主要由地表形變引起，運(yùn)用偏移量追蹤法可使影像在距離向與方位向的配準(zhǔn)精度優(yōu)于1/30像元，即此方法理論上求取的形變量精度可達(dá)1/30像元。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果處理與分析

2.1 D-InSAR數(shù)據(jù)處理與分析

（1）原始數(shù)據(jù)處理。

通過(guò)雷達(dá)成像算法進(jìn)行多普勒參數(shù)估計(jì)與成像處理，由原始信號(hào)數(shù)據(jù)生成單視復(fù)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的參數(shù)文件，生成主影像SLC和副影像SLC。

（2）復(fù)數(shù)影像配準(zhǔn)。

影像配準(zhǔn)主要是獲取副影像中個(gè)點(diǎn)相對(duì)于主影像在方位向和距離相的偏移量，對(duì)副影像重采樣，然后與主影像配準(zhǔn)。配準(zhǔn)精度需要達(dá)到子像素級(jí)才具備干涉的條件，如配準(zhǔn)誤差大于或等于一個(gè)像素，則主副影像是完全不相關(guān)的，即相應(yīng)點(diǎn)間相關(guān)系數(shù)為0，得到干涉圖純粹為噪聲。

（3）計(jì)算干涉相位及多視處理。

經(jīng)過(guò)InSAR圖像精確配準(zhǔn)后，便可通過(guò)兩個(gè)復(fù)數(shù)影像共軛相乘計(jì)算每一個(gè)同名像點(diǎn)上的相位差，即干涉相位。

（4）相干性估計(jì)。

得到干涉圖后，干涉圖質(zhì)量評(píng)價(jià)主要有相干圖、偽相干圖、相位導(dǎo)數(shù)變化圖以及最大相位梯度圖。相干系數(shù)圖沿著汶川地震的主斷裂帶，受地震的嚴(yán)重破壞兩次成像期間地面發(fā)生很大變化，圖上比較暗，相干性小。

（5）去地形效應(yīng)。

要獲取形變干涉圖需要消除地形相位信息，本文使用二軌差分法，借助外部DEM數(shù)據(jù)，先配準(zhǔn)，再模擬地形干涉相位，消除地形影響。

（6）去平地效應(yīng)。

平地效應(yīng)（Flat-earth Effect）是高度不變的平地在干涉圖中所表現(xiàn)出來(lái)的干涉條紋，使干涉紋圖的頻率產(chǎn)生偏移。消除干涉圖中平地效應(yīng)引起的相位的過(guò)程即稱為“去平地效應(yīng)”。去除平地效應(yīng)后利于后期的相位解纏。所以，在進(jìn)行干涉圖濾波增強(qiáng)和相位解纏前就進(jìn)行去平地效應(yīng)處理。

（7）相位解纏。

利用干涉測(cè)量技術(shù)生成的差分干涉圖中，所得到的差分相位值是必須解纏的。由于實(shí)際上得到的相位值只是相位的纏繞值（即相位主值），其取值范圍在（-π，π）之間，為了得到真實(shí)的差分相位值，必須在這個(gè)范圍的基礎(chǔ)上加上或者減小2π的整倍數(shù)，求解出真實(shí)差分相位值，這個(gè)過(guò)程就是相位解纏。所以將干涉紋圖的相位主值或相位差值恢復(fù)到真實(shí)值得過(guò)程統(tǒng)稱為相位解纏。

（8）滑坡災(zāi)害識(shí)別。

對(duì)2007年12月21日和2009年12月26日兩期影像對(duì)進(jìn)行差分干涉處理，其中，干涉對(duì)的空間基線571m，時(shí)間基線736天。通過(guò)觀察編碼后的差分干涉圖，對(duì)滑坡進(jìn)行識(shí)別。

2.2 SAR強(qiáng)度圖像比值數(shù)據(jù)處理與分析

由于汶川地震造成了研究區(qū)內(nèi)大量滑坡，故選取震前20080507與震后20080622兩景影像對(duì)研究區(qū)進(jìn)行滑坡變化檢測(cè)。圖2為20080507_20080622強(qiáng)度比值圖、20080507強(qiáng)度圖、20080622強(qiáng)度圖進(jìn)行RGB的合成圖。

2.3 偏移量跟蹤數(shù)據(jù)處理與分析

由于汶川大地震造成劇烈形變，導(dǎo)致失相干嚴(yán)重，利用常規(guī)D-InSAR手段很難反演出地震區(qū)域的形變情況，所以利用偏移量跟蹤技術(shù)對(duì)地震中心區(qū)域的形變進(jìn)行反演。

該次采用2007年12月和2009年12月兩景數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移量跟蹤技術(shù)試驗(yàn)。干涉對(duì)空間基線571m，時(shí)間相隔736天。設(shè)定64×256搜索窗口，搜索區(qū)域設(shè)置成距離向64個(gè)像元和方位向256個(gè)像元。距離向采樣參數(shù)設(shè)置為12個(gè)像元，方位向采用28個(gè)像元。對(duì)偏移量進(jìn)行精確估計(jì)。然后將距離向和方位向的偏移值轉(zhuǎn)換為形變量。圖3、圖4所示為20071221_20091226干涉對(duì)的地距向和方位向形變。

從圖3、4中可以明顯看出斷裂帶的形變方向，并計(jì)算出了斷裂帶附近地距向與方位向的形變量，其中地距向靠近衛(wèi)星方位為正，方位向沿衛(wèi)星飛行方向?yàn)檎瑥膱D中可以看出斷裂的地理位置及空間走向。

此次偏移量跟蹤計(jì)算得到的距離向和方位向形變量整體偏大。在計(jì)算方位向與距離向偏移量時(shí)，耗時(shí)很長(zhǎng)，并且與采樣參數(shù)大小相關(guān)。采樣參數(shù)小，耗時(shí)長(zhǎng)，可達(dá)十幾個(gè)小時(shí)，由于時(shí)間關(guān)系，該次采用距離向12和方位向28的采樣參數(shù)，因而像元偏大，導(dǎo)致計(jì)算得到的形變量級(jí)也偏大；另一方面，偏移量跟蹤技術(shù)可用于斷裂帶的空間定位于形變走向定性研究，但利用偏移量跟蹤獲取形變量的技術(shù)本身精度較低。

3 結(jié)語(yǔ)

由于具有全天候、全天時(shí)數(shù)據(jù)獲取能力，SAR已成為遙感變化檢測(cè)數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段，尤其對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器成像困難地區(qū)有著特別重要的意義，如多云多雨地區(qū)等。因此，與光學(xué)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在多云霧地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、防治與應(yīng)急中發(fā)揮著不可或缺的作用。

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)結(jié)合DInSAR與強(qiáng)度變化檢測(cè)方法，進(jìn)而提高滑坡的識(shí)別精度。無(wú)論是對(duì)震后的災(zāi)害應(yīng)急，還是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查監(jiān)測(cè)，SAR影像都能發(fā)揮重要的作用。

該次對(duì)汶川地區(qū)10景ALOS-1 PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)偏移量跟蹤方法計(jì)算了SAR影像覆蓋地區(qū)地震中心的距離向、方位向偏移量，并根據(jù)偏移量結(jié)果做了斷裂帶的示意圖。

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