InSAR技術(shù)及其在滑坡監(jiān)測方面的應(yīng)用

許明

徐州中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司 江蘇徐州 221116

我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，主要包括塌陷、地震、地面沉降、崩塌、泥石流、滑坡等，其中滑坡是滑坡是造成經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。為了降低滑坡造成的危害，地質(zhì)工作人員通過現(xiàn)場調(diào)查滑坡所在的地質(zhì)環(huán)境、坡體結(jié)構(gòu)，并安裝相關(guān)的儀器設(shè)備監(jiān)測滑坡體表面以及內(nèi)部的變化數(shù)據(jù)，從而分析其形成機(jī)制、穩(wěn)定性以及誘發(fā)因素等，并作出相應(yīng)的預(yù)測預(yù)報(bào)。目前，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段主要有GPS、水準(zhǔn)儀、全站儀、近景攝影測量和位移計(jì)等。雖然這些監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用廣泛并取得了不錯的應(yīng)用效果，但是也存在作業(yè)效率低、觀測成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、監(jiān)測范圍小等局限性。

自20世紀(jì)50年代來以來，合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）遙感理論與技術(shù)快速發(fā)展，目前已成為一種重要的對地遙感技術(shù)手段。SAR遙感采用的波長較長，因而受大氣散射的影響較小，可以穿透云層、薄霧、雨和塵埃等，可以實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)目標(biāo)探測和成像，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)林監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查、海洋監(jiān)測、地形測繪、自然災(zāi)害和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以及國防建設(shè)等諸多方面[1]。

基于差分的InSAR技術(shù)利用光學(xué)影像目視解譯或者數(shù)字圖像處理方法將滑坡從其所處的地質(zhì)環(huán)境中識別出來，它相對于傳統(tǒng)的滑坡識別方法，具有全局性、時(shí)效性、準(zhǔn)確性等優(yōu)勢，可為滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警提供獨(dú)特的理論和技術(shù)支持。例如，在2004年，Hilley等在Science上發(fā)表了美國Berkeley地區(qū)滑坡體的時(shí)序差分雷達(dá)干涉形變監(jiān)測結(jié)果。2006年，Colesanti和Wasowski對時(shí)序差分雷達(dá)干涉在滑坡中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，指出其具有大范圍內(nèi)滑坡隱患點(diǎn)探測及危險(xiǎn)性分級的定量化分析能力。然而，滑坡體上的植被覆蓋常常引起干涉相位失相關(guān)，可能導(dǎo)致滑坡監(jiān)測成功率下降，一般可在滑坡體上布置一定數(shù)量的人工角反射器（CR），以此人工加密有效的監(jiān)測點(diǎn)。2008年，F(xiàn)roese等通過布設(shè)人工角反射器和InSAR分析，對加拿大艾伯塔省北部小煙流域周邊的滑坡進(jìn)行監(jiān)測了有效監(jiān)測。2010年，F(xiàn)u等采取CR布設(shè)和InSAR分析，對湖北省樹坪滑坡進(jìn)行了有效監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與GPS數(shù)據(jù)吻合程度很高。2013年，Crosetto等通過對西班牙Vallcebre滑坡的監(jiān)測，探討對比了滑坡監(jiān)測中CR布設(shè)與安置策略。此外，針對單體滑坡動態(tài)連續(xù)跟蹤問題，國內(nèi)外一些學(xué)者也已開始嘗試使用地基InSAR進(jìn)行高精度的滑坡形變連續(xù)監(jiān)測。此外，楊加利選取龍門山斷裂帶上典型坡區(qū)——茂縣新磨村滑坡為研究對象，將PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種方法計(jì)算出的滑坡形變結(jié)果進(jìn)行對比，在形變范圍、形變量級、形變空間分布方面，兩種方法得出的結(jié)果具有高度一致性，說明了基于InSAR技術(shù)新磨村滑坡變形監(jiān)測具有可靠性。

1 InSAR技術(shù)測量原理

1.1 基本原理

合成孔徑雷達(dá)干涉的物理機(jī)制源于“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”。電磁波或光波穿過兩條狹縫到達(dá)接收屏上同一位置時(shí)的傳播距離不同，導(dǎo)致兩束光波在該處產(chǎn)生一定的相位差，引起相位疊加或抵消，使得接收屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋。InSAR正是基于此原理發(fā)展起來的一門新技術(shù)，在InSAR觀測中，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的兩條狹縫等效于衛(wèi)星兩次國境市的軌道空間位置，而光波變成了雷達(dá)電磁波，地球表面類似于接收屏。因此，衛(wèi)星SAR干涉也呈現(xiàn)出與楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)類似的條紋效應(yīng)。

在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理中，可以將沿衛(wèi)星重復(fù)軌道獲取的兩幅SAR影像對應(yīng)像素的相位值進(jìn)行差分，便可以得到一個相位差圖，通常稱為干涉相位圖。干涉相位是參考橢球面、地形起伏、大氣延遲和地表變形等因素貢獻(xiàn)和的體現(xiàn)。圖1表示衛(wèi)星沿輕微偏離軌道對同一地面目標(biāo)P的兩次成像，即在軌道S1和S2的位置，雷達(dá)傳感器分別向地面目標(biāo)P發(fā)射電磁波并接收其回波信號。目標(biāo)點(diǎn)P沿法線方向至參考橢球面的距離為h；R1、R2分別表示衛(wèi)星雷達(dá)在S1和S2位置對P觀測點(diǎn)成像時(shí)的斜距；H為衛(wèi)星第一次過境時(shí)距參考橢球面的高度；O為地球參考橢球質(zhì)心；B為干涉空間基線；（Bh，Bv），（B‖，B⊥）分別為空間基線沿不同方向上的分量，其中B‖，B⊥分別表示沿雷達(dá)波視線方向和垂直于視線方向的基線分量；Bh，Bv分別為沿水平方向和豎直方向的基線分量；α為基線B與水平方向的夾角；θ為雷達(dá)側(cè)視角。它們之間存在如下關(guān)系：

圖1 InSAR干涉幾何模型圖

理論上來說，InSAR干涉相位ψ主要由多個分量構(gòu)成，包括參考橢球面相位位

其中噪聲相位呈現(xiàn)隨機(jī)性，在相位模型中以高頻分量形式存在，可通過低通相位濾波的方法予以抑制，而大氣相位具有高度的地形空間自相關(guān)性，在相位模型中呈現(xiàn)出低頻信息，因此相位的高通濾波有助于減輕大氣效應(yīng)。在實(shí)際的干涉相位中，參考橢球面相位、地形相位和形變相位占主導(dǎo)地位，在InSAR提取DEM信息時(shí)往往采用較短的時(shí)間基線和較長的空間干涉對，且假設(shè)形變信息為零，此時(shí)僅需要去除參考橢球面相位分量即可獲得相應(yīng)的地形相位，而D-InSAR則是以提取地表形變信息為目標(biāo)，地形本身也需要被計(jì)算去除。

將InSAR技術(shù)應(yīng)用于山體滑坡等地表變形監(jiān)測時(shí)，目前常用的以為地表形變差分信號提取方法主要包括兩軌+外部DEM法、三軌法和四軌法。其中兩軌+外部DEM方法使用最為廣泛，主要使用跨越變形期的兩幅SAR影像和該區(qū)域的外部DEM來完成差分干涉處理。首先使用跨越形變期的兩幅SAR影像進(jìn)行干涉處理，并去除參考橢球面相位，隨后將外部DEM配準(zhǔn)采樣至影像干涉區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)干涉基線和配準(zhǔn)后的外部DEM高程信息計(jì)算獲得相應(yīng)的地形相位信息，再將地形相位信息從干涉相位中扣除，最終獲得包含形變信號的差分干涉相位。

1.2 處理方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

目前利用已有的SAR數(shù)據(jù)大致有Terra SAR數(shù)據(jù)、ALOS SAR數(shù)據(jù)、RadarSAT SAR數(shù)據(jù)和ERS數(shù)據(jù)。其中Terra SAR數(shù)據(jù)和RadarSAT SAR數(shù)據(jù)是商業(yè)化的，ALOS SAR數(shù)據(jù)部分免費(fèi)部分商業(yè)化。ERS數(shù)據(jù)是免費(fèi)的，但是該數(shù)據(jù)在某些研究區(qū)域的時(shí)間間隔較長，并且沒有規(guī)律性，數(shù)據(jù)完整性也比較差。目前歐空局主持的Sentinel系列衛(wèi)星在2014年已經(jīng)發(fā)射升空，該數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)站免費(fèi)下載，并且該數(shù)據(jù)時(shí)間間隔比較規(guī)律，數(shù)據(jù)完整性較好，且在中國覆蓋范圍較廣，因此可通過Sentinel數(shù)據(jù)研究滑坡識別方法。

1.2.2 影像配準(zhǔn)

SAR影像配準(zhǔn)是干涉測量處理的首要步驟，其核心思想就是計(jì)算構(gòu)成一個干涉對的兩幅SAR影像同名點(diǎn)的坐標(biāo)映射關(guān)系，將待配準(zhǔn)影像（即副影像）按照映射關(guān)系采樣為參考影像（即主影像）相同的像素網(wǎng)格，使兩幅影像的同名點(diǎn)對應(yīng)于地面同一分辨單元。衛(wèi)星SAR系統(tǒng)采用單天線重復(fù)軌道工作模式，衛(wèi)星一次通過某一地區(qū)時(shí)只能獲取一幅單視復(fù)數(shù)SAR影像，衛(wèi)星以一定的時(shí)間間隔和輕微的軌道偏移重復(fù)通過該地區(qū)時(shí)再次成像，由于軌道偏移，這兩幅影像并不完全重合，因此需要將用于干涉的兩幅SAR影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)。

在合成孔徑雷達(dá)測量中，SAR影像配準(zhǔn)必須達(dá)到亞像元級，即亞像元級配準(zhǔn)。一般來說，SAR影像配準(zhǔn)精度至少達(dá)到1/8像元。為滿足這一要求，干涉測量中通常對SAR影像進(jìn)行粗配準(zhǔn)，然后進(jìn)行精配準(zhǔn)。

1.2.3 相干點(diǎn)目標(biāo)提取

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)條件，采用不同的相干點(diǎn)目標(biāo)提取方法。對長時(shí)間序列、大數(shù)據(jù)量的影像集進(jìn)行處理，采用振幅離差進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)的提取，對短時(shí)間序列、小數(shù)據(jù)量的影像級，采用子視相關(guān)法進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)的提取。

1.2.4 影像干涉對選取和生成

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)條件和處理要求，選擇不同的影像干涉對組合策略。如果對長時(shí)間序列、大數(shù)據(jù)量的影像級進(jìn)行處理，需要提取長時(shí)間序列影像的形變量，可以選取唯一一景影像作為主影像，其他影像為從影像的干涉對組合策略。如果對短時(shí)間序列、小數(shù)據(jù)量的影像進(jìn)行處理，需要提取短時(shí)間內(nèi)的地表形變量，可以選取影像自由組合形成干涉對的策略。

2 InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

自從SAR的概念在20世紀(jì)50提出后，不斷發(fā)展，逐漸被廣泛應(yīng)用。1991年，歐空局發(fā)射了遙感衛(wèi)星ERS以來，為InSAR理論的應(yīng)用和發(fā)展提供了很好的數(shù)據(jù)平臺。

早期的滑坡監(jiān)測主要是基于差分干涉的方法處理雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，該方法已經(jīng)取得了一定的成效。我國學(xué)者廖明生等[2]應(yīng)用InSAR技術(shù)在三峽地區(qū)進(jìn)行滑坡監(jiān)測。在三峽秭歸研究區(qū)，他們利用高分辨率TerraSAR-X數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡監(jiān)測。研究成果表明，利用高分辨率SAR影像幅度和差分干涉相位信息可以成功檢測到三峽庫區(qū)滑坡發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)及形變，驗(yàn)證了高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)InSAR技術(shù)進(jìn)行滑坡監(jiān)測的重要優(yōu)勢。同時(shí)并利用時(shí)間序列InSAR技術(shù)進(jìn)行滑坡體的緩慢變形監(jiān)測，為滑坡預(yù)報(bào)預(yù)警提供了重要依據(jù)。利用高分辨率TerraSAR-X數(shù)據(jù)的幅度和相位信息，能夠準(zhǔn)確確定滑坡發(fā)生的位置、時(shí)間及形變大小。

對于滑坡的形變監(jiān)測，雖然有很多比較成熟可靠的方法，但是由于三峽地區(qū)特殊的地形條件，傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)大面積、高密度且連續(xù)的形變監(jiān)測。但是利用InSAR技術(shù)很好地克服了這些障礙，實(shí)現(xiàn)了全天候連續(xù)性監(jiān)測。

3 總結(jié)與討論

目前傳統(tǒng)滑坡的監(jiān)測方法仍然是主流的監(jiān)測方法，大多數(shù)滑坡都采用傳感器、GPS等方法監(jiān)測，但是隨著InSAR技術(shù)的興起，InSAR技術(shù)越來越多地應(yīng)用于滑坡監(jiān)測中。InSAR技術(shù)具有全天候、全時(shí)性、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)勢，它在滑坡監(jiān)測以及預(yù)測預(yù)警方面具有無可比擬的優(yōu)勢。尤其是在中國西部山區(qū)，地質(zhì)環(huán)境破碎，地質(zhì)構(gòu)造活動頻繁，氣象條件復(fù)雜多變，對當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。要想預(yù)防減少滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，最有效的途徑是盡可能早地發(fā)現(xiàn)、識別和確定具有成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患，為進(jìn)一步開展監(jiān)測預(yù)警、綜合治理或搬遷避讓提供決策信息支持。

InSAR技術(shù)雖然在滑坡監(jiān)測上具有很大的優(yōu)勢，但其本身也存在局限性，需對相干點(diǎn)目標(biāo)選取、形變參數(shù)估計(jì)和大氣誤差改正等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行選優(yōu)和改善。此外，InSAR形變監(jiān)測精度和可靠性在植被覆蓋、地形陡峭的山區(qū)會受到幾何畸變、失相關(guān)和觀測方向單一的影響，這些因素可能限制InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域的推廣。