基于動態(tài)PS+GBSAR 的邊坡實時高精度形變測量技術(shù)

潘明明 安佰強(qiáng)

（寧波市天一測繪設(shè)計研究有限公司 浙江寧波 315000）

1 引言

受自然和人為因素的影響，我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中滑坡是地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)生頻率最高的一種，加強(qiáng)對邊坡的變形監(jiān)測，實現(xiàn)滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，能夠在很大程度上減少人員和財產(chǎn)損失，也是目前測繪學(xué)界的一項迫切任務(wù)[1-2]。

根據(jù)測量過程中是否接觸被測目標(biāo)，可將形變監(jiān)測分為接觸式和非接觸式兩類，但傳統(tǒng)的測量技術(shù)無法滿足對邊坡場景全覆蓋、長時間的連續(xù)實時高精度的形變監(jiān)測。地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的一種新型的高精度形變監(jiān)測儀器，與傳統(tǒng)方法相比，具有危險系數(shù)低、全天時全天候、高精度和全覆蓋形變監(jiān)測等諸多優(yōu)點[3-5]。在GBSAR 系統(tǒng)中，主要采用PS 算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但是在長時間的觀測過程中，SAR 圖像質(zhì)量肯定會發(fā)生變化，造成PS 點集合以及相位質(zhì)量隨時間會發(fā)生動態(tài)變化，因此，很難保證形變監(jiān)測的準(zhǔn)確性[6-10]。

本文提出采用動態(tài)永久散射體與地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)相結(jié)合，對邊坡進(jìn)行實時高精度形變測量，可為地質(zhì)災(zāi)害的長期穩(wěn)定高效監(jiān)測提供借鑒。

2 技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 PS 技術(shù)

永久散射體（PermanentScatters，PS）技術(shù)誕生于20 世紀(jì)90 年代，通過將長時間的SAR 多幅圖像作為輸入項，然后選出在監(jiān)測時間范圍內(nèi)保持高度相關(guān)的一些散射點并將其定義為永久散射體。散射點的空間分布和散射特性決定了每個分辨率單元的雷達(dá)波信號，其成像結(jié)果是由這些散射點成像結(jié)果通過疊加而成，在不同觀測次數(shù)下，散射點發(fā)生隨機(jī)位移，導(dǎo)致時間的去相關(guān)現(xiàn)象，從而對差分干涉形變反演結(jié)果產(chǎn)生影響。

根據(jù)分辨率單元內(nèi)散射體分布情況的不同，可將散射體分為單散射體模型、分布式散射體模型以及統(tǒng)治性散射體模型。不同的觀測場景具有千差萬別的目標(biāo)散射體特性，導(dǎo)致選擇門限隨場景動態(tài)變化，而且在長時間的監(jiān)測過程中，SAR 圖像質(zhì)量肯定會發(fā)生變化，造成PS 點集合以及相位質(zhì)量隨時間會發(fā)生動態(tài)變化。因此，傳統(tǒng)的PS 處理方法不再適應(yīng)當(dāng)代工程監(jiān)測的要求，故本文提出采用基于幅度、相關(guān)系數(shù)和相位多種方法聯(lián)合的動態(tài)處理技術(shù)。聯(lián)合動態(tài)PS 處理技術(shù)流程示意見圖1。

圖1 聯(lián)合動態(tài)PS 處理技術(shù)

2.2 GBSAR 系統(tǒng)

地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)（ground-based synthetic aperture radar，GBSAR）是一種利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成為較大的等效天線孔徑的雷達(dá)，具有分辨率高、穿透性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點，已被廣泛應(yīng)用于航空遙感及測量、圖像匹配制導(dǎo)、工程觀測等領(lǐng)域。地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)一般由雷達(dá)傳感器、高精度電控位移臺、實時監(jiān)測軟件、計算機(jī)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成。

地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)采用地基重軌干涉SAR技術(shù)來實現(xiàn)對邊坡的變形實時測量，本文所使用的GBSAR 系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。在監(jiān)測過程中，首先將雷達(dá)系統(tǒng)安裝在坡面一側(cè)，然后通過寬波覆蓋邊坡表面，采用電控位移臺帶動雷達(dá)傳感器運動的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)，將采集到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，最后再對不同時刻的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，提取相關(guān)信息。

表1 GBSAR 系統(tǒng)參數(shù)

3 動態(tài)PS+GBSAR 實時形變測量技術(shù)

3.1 算法處理流程

針對PS 技術(shù)和GBSAR 系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，提出基于動態(tài)散射處理技術(shù)的GBSAR 測量方法（文中簡稱動態(tài)PS+GBSAR）。該技術(shù)不僅具有PS 點集合較為穩(wěn)定、PS 點相位質(zhì)量高的特點，還具有實時性和高精度的優(yōu)勢，動態(tài)PS+GBSAR 最大的特點還在于它不是一個連續(xù)處理的過程，在正常工作狀態(tài)下，一般處于兩個狀態(tài)：等待狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，當(dāng)只有新的SAR 數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)時，系統(tǒng)才會有等待狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行狀態(tài)，處理結(jié)束后，系統(tǒng)又將轉(zhuǎn)回等待狀態(tài)。

PS 對SAR 圖像的處理可分為初始化階段和形變反演階段，其算法處理流程示意見圖2。初始化階段：由于此時系統(tǒng)的SAR 圖像積累數(shù)量還不足以進(jìn)行幅度離差和幅度信息候選PS 點選擇，因此無法得到候選的PS 點集合以及最終的PS 點，故而無法完成邊坡的形變反演處理，此階段的SAR 圖像僅用于PS 點的選擇處理。形變反演階段：當(dāng)SAR 圖像數(shù)量足夠后，系統(tǒng)開始進(jìn)行候選PS 點集合和PS 點集合的提取，完成對監(jiān)測對象的形變反演。

圖2 算法處理流程示意

3.2 PS 點選擇處理

由于監(jiān)測時間較長，PS 點難免會出現(xiàn)新生或消失后又重生的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致PS 點集合存在一定的差異性，從而影響成像質(zhì)量和提取效果，因此需要在傳統(tǒng)星載PS 處理方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。本文主要從SAR 圖像分組和主圖像更新兩個方面進(jìn)行PS 點選擇處理改進(jìn)。

SAR 圖像分組：由于SAR 圖像所對應(yīng)的PS 點集合差異較大，所生成的干涉圖往往不適合進(jìn)行形變反演處理，因此需要根據(jù)時間基線長短對SAR 圖像進(jìn)行分組，然后首先對每組SAR 圖像進(jìn)行處理，處理完成后再重新選擇PS 點，這樣可以保證PS 點集合保持足夠的穩(wěn)定，有利于信息的提取。

主圖像更新：雖然經(jīng)SAR 圖像分組后，保持了PS點集合的穩(wěn)定性，但是由于時間基線較長，針對不同組的SAR 圖像而言，還需要對主圖像進(jìn)行更新，最終得到本幅圖像相較于初始時刻的累積形變量。本文將上一組的最后一幅SAR 圖像作為下一組的主圖像，這樣可以減小因時間基線引起的主圖像偏差影響。

3.3 高精度形變反演

基于“動態(tài)PS+GBSAR”的高精度實時高精度反演形變流程示意見圖3。首先將主SAR 圖像與新SAR 圖像一起生成干涉圖像；然后，提取PS 點復(fù)數(shù)據(jù)并將其分為高質(zhì)量和中等質(zhì)量兩類；其次利用高質(zhì)量PS 點復(fù)數(shù)據(jù)和中等質(zhì)量PS 點復(fù)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三維和二維空間相位解纏處理；并進(jìn)行大氣和軌道誤差相位估計和補(bǔ)償，根據(jù)相位與形變量的相關(guān)關(guān)系得到形變信息，從而得到SAR 圖像對應(yīng)不同時刻的形變量；最后，還需要通過差值法等后期處理變形方法，獲得整個場景的相對形變信息，得到最終的形變反演結(jié)果。

圖3 形變反演流程示意

4 應(yīng)用分析

4.1 試驗介紹

為了驗證“動態(tài)PS+GBSAR”方法的可靠性，選取某石礦場邊坡進(jìn)行試驗，石礦場邊坡主要包括懸崖、突破和石墻等目標(biāo)。GBSAR 系統(tǒng)距離邊坡的距離為230～700m，同時在距離GBSAR 系統(tǒng)475m 和562m處設(shè)置兩個角反，在475m 角反上面安裝形變調(diào)節(jié)器，形變調(diào)節(jié)器的精度為0.01m，通過形變調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)角反射的位置可以模擬該位置發(fā)生的形變情況。利用GBSAR 系統(tǒng)對該邊坡進(jìn)行連續(xù)24h 的監(jiān)測，共獲得39 幅SAR 圖像。邊坡場景及SAR 圖像示意見圖4。

圖4 邊坡場景及SAR 圖像示意

4.2 試驗結(jié)果

利用1～10 幅SAR 圖像進(jìn)行PS 點選擇，利用11～39 幅圖像進(jìn)行形變反演分析，并將第10 幅SAR 圖像作為主圖像，得到的時間基線為1hour 的場景積累形變量結(jié)果見圖5。從圖5 中可以看到：試驗得到的邊坡形變量近乎為0，這是因為觀測時間較短，觀測場景內(nèi)并未檢測到明顯的變形情況發(fā)生（圖中A、B、C、D 分別表示土坡、石墻、參考角反以及懸崖四個目標(biāo)點）。

圖5 時間基線為1hour 的場景積累形變量結(jié)果

為了加速試驗進(jìn)程，從24 幅SAR 圖像開始，利用形變調(diào)節(jié)器對反射位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到形變角反位置處的形變反演曲線以及形變反演誤差曲線見圖6。從圖6 中可以看到：形變反演量與標(biāo)準(zhǔn)形變量（形變調(diào)節(jié)量）基本匹配，兩者的誤差控制在±0.2mm 以內(nèi)，表明“動態(tài)PS+GBSAR”方法具有較高的形變反演精度。同時，得到了A、B、C、D 四個目標(biāo)點的形變反演情況，見圖7。從圖7 中可以看到：四個目標(biāo)點的形變量在觀測時間內(nèi)均在0 附近徘徊，反演形變量結(jié)果大部分在±0.2mm 以內(nèi)，表明四個目標(biāo)點并未發(fā)生明顯的變形，這與圖5 得到的結(jié)果基本吻合。

圖6 形變角反位置反演結(jié)果

圖7 目標(biāo)點位置反演結(jié)果

采用形變反演誤差值σ 來衡量各目標(biāo)點的形變反演平均精度：

式中：K—圖像的數(shù)量，取39；i—圖像的序號;λi,反—反演形變值；λi,標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)形變值，其中角反位置取調(diào)節(jié)量，A、B、C、D 目標(biāo)點取0（認(rèn)為無實際變形）。

計算得到的不同位置處的形變反演誤差值結(jié)果見表2。從表中可以看到：在自然場景（A、B、D）下，隨著斜距的增大，形變反演誤差值逐漸增大，這是可能由于當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離GBSAR 系統(tǒng)后，回波信號和信噪比均會降低，隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲誤差會逐漸增大，因而造成反演精度降低；形變角反和參考角反C 的反演誤差值相差不大，且明顯小于其他幾個場景目標(biāo)點，這是因為反射器的反射信號強(qiáng)、信噪比高，因而形變反演誤差小，精度高。從整體上看，基于“動態(tài)PS+GBSAR”形變監(jiān)測方法的測量精度可達(dá)到0.1mm（亞毫米級）。

表2 形變反演誤差值計算結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于動態(tài)永久散射體技術(shù)和地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，構(gòu)建“動態(tài)PS+GBSAR”實時形變測量方法，該方法不僅具有PS 點集合穩(wěn)定、PS 點相位質(zhì)量高的特點，還具有實時性和高精度的優(yōu)勢。通過應(yīng)用實踐表明：基于“動態(tài)PS+GBSAR”的邊坡形變反演量與標(biāo)準(zhǔn)變形量基本匹配，形變反演誤差可控制在亞毫米級別，測量精度較高，可在實際工程中予以運用。