地基干涉雷達IBIS-L堰塞湖邊坡監測影像質量分析

劉 艷，董 燕，柳志云 (昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明650093)

近幾年來，我國地質災害頻發，其中地震災害最為嚴重。地震之后極易造成山體滑坡引發次生災害，必須對邊坡進行監測，以便及時預警。目前邊坡監測方法主要有地面測量、空間測量、攝影測量和地面三維激光掃描4種，但這些方法存在以下不足:地面測量野外工作量大;空間測量易受外界環境限制;攝影測量精度較低，無法滿足變形監測要求;激光掃描技術遙測距離短［1］。相較于以上傳統的觀測方法，GBInSAR技術以其測量范圍大、精度高、操作自動化等優點開辟了一條變形監測的新道路［2］。SAR影像是通過獲得相干電磁波的后向散射來成像，相干成像方式固有的斑點噪聲會導致圖像的分辨率和圖像的結構性信息量降低。干涉數據中不僅包含了通常的幅度信息，還包含了相干性信息、相位差信息等，而相干性不僅用于衡量干涉信號的質量，還反映了地物其他方面豐富的信息。最近的一些研究表明，干涉數據中的多方面信息應該充分應用于SAR圖像分析和解譯中［3］。筆者基于影像質量分析管理，對云南省魯甸縣6.5級地震形成的紅石巖堰塞湖邊坡地基干涉雷達IBIS-L影像質量進行分析，為相應的整體變形監測提供參考。

1 測區簡介

2014年8月3日16時30分，云南省魯甸縣發生6.5級地震。在地震中心魯甸縣龍頭山鎮南偏東8.2 km牛欄江干流上因兩岸山體大規模塌方形成堰塞湖。紅石巖堰塞體右岸邊坡由巖體崩塌形成，部分地方有倒懸體，受天氣影響，右岸時常有碎石塊和碎石土脫落，常規儀器如全站儀和GNSS無法在特定區域內設置測站。地基合成孔徑雷達(Groundbased Synthetic Aperture Radar，GB-SAR)干涉測量技術是近10多年間發展起來的地面主動微波遙感形變探測技術，能夠對目標物進行遠距離、大范圍的全天候監測，在時域和空域均具有較高的采樣率，獲取高精度的測量結果［4］。IBIS-L是一種新型的GB-SAR干涉測量系統，是由意大利弗洛倫薩大學電子信息工程系與IDS公司聯合開發，由雷達主機、電腦控制單元、供電箱和線性滑軌等組成，主要應用于滑坡、大壩、高邊坡等面狀區域的二維變形監測，形變探測精度能夠達到亞毫米級［5］。

2 影像質量分析原理

合成孔徑雷達具有全天時、全天候的優良特性，它是目前遙感領域中最具有發展潛力的技術之一。除了位移會影響相位變化外，大氣效應和噪聲也會對相位產生一定影響［6］，尤其是大氣水汽含量在時間和空間上的變化對影像觀測相位的影響非常劇烈［7］。而經環境改正后數據會存在一定誤差，因此，在實際工作中需要選取高質量連續監測影像序列，通過干涉處理提取長時間跨度影像之間的形變。由于成像方式不同，傳統的光學影像的質量評價方法無法直接用于SAR圖像質量評價。SAR圖像是以地面目標輻射的后向散射能量作為二維空間函數構成的，因此，SAR圖像質量的性能指標可以分為2類:一類是描述圖像空間性能的指標;另一類是描述輻射性能的指標。空間性能指標主要有空間分辨率、圖像精度、幾何保真度等。輻射性能指標主要有峰值旁瓣比、積分旁瓣比、模糊度、輻射分辨率等。熱信噪比(TSNR)、時間和空間相關系數、相位穩定性等能夠直接表征觀測相位的穩定程度，間接反映了GB-SAR影像采集的質量好壞。其中空間相關系數表明了氣象環境對成像的去相關作用，數值越高氣象影像越弱影像質量越好，反之亦然。氣象變化劇烈的，各點干涉相位的一致性降低，波動變化相應地也會變劇烈，基于這一特點在熱信噪比圖中按照數值高低選擇多個點目標，分析其鄰域干涉相位的變化規律，利用多點鄰域干涉相位篩選部分高質量的連續影像序列。

2.1 GB-SAR圖像質量的性能指標 空間分辨率定義為點目標沖激響應半功率點處的寬度，包括距離向的空間分辨率和方位向的空間分辨率。而峰值旁瓣比是指主瓣峰值強度與旁瓣區域中峰值強度之比，在實際計算中，以當前像素幅度最大值點為起點向某一方向搜索，當像元灰度值從第一副瓣位置上升到旁瓣區域的最大值時，就可以得出旁瓣峰值強度，從而計算出當前像素的峰值旁瓣比。峰值旁瓣比的大小決定了強目標掩蓋弱目標的能力，為了減小峰值旁瓣比，在成像處理中一般采用加權處理。積分旁瓣比是指旁瓣能量與主瓣能量的比值，它是表征圖像質量的重要指標之一，積分旁瓣比越小則圖像質量越高［8］。計算機只能處理有限長度的信號，原始信號要以采樣時間截斷，即加窗處理。實際的信號處理過程中，我們用的矩形窗，但矩形窗在邊緣處將信號突然截斷，窗外時域信息全部消失，導致在頻域增加了頻率分量的現象，即頻譜泄漏。為了避免頻譜泄漏，必須考慮如何減少加窗時造成的泄漏誤差，主要措施是使用合理的加窗函數，使信號截斷的銳角鈍化，從而使頻譜的擴散減到最少。

2.2 相位穩定程度評判指標 估計熱信噪比(TSNR)、時間和空間相關系數、相位穩定性等能夠直接表征觀測相位的穩定程度，間接反映了GB-SAR影像采集的質量好壞［9］。其中空間相關系數表明了氣象環境對成像的去相關作用，數值越高氣象影像越弱影像質量越好，反之亦然。干涉空間相關系數是衡量干涉相位噪聲程度、評價干涉圖質量的量化指標。假設GB-SAR獲取的單視復影像的大小為N×M，連續監測模式下獲取P景影像圖，第k景影像和第l景影像的干涉圖可以表示為:

式中，i=1，2，3，…，N;j=1，2，3，…，M，以第k景影像為主影像。

相關系數計算公式為:

式中，A為以當前像元(i，j)為中心的窗口大小。

那么P景影像的空間相關系數為:

相位穩定性則直接計算原始觀測相位波動的劇烈程度。表征了某個像元在局部空間范圍內變化的穩定程度，同樣需要設定一定的窗口大小進行計算。定義第k景影像像元(i，j)輻角為，以(i，j)為中心的窗口A包含n個像元，窗口平均相位為:

則窗口相位方差為:

相位穩定性是窗口相位方差的倒數，即:

P景影像的相位穩定性是各景窗口相位穩定性的算術平均值，計算公式為:

3 IBIS-L影像質量分析

3.1 加窗處理 IBIS-L提供2種加窗函數，一種是Hanning窗，適用于非周期性的連續信號，可以看作是3個矩形時間窗的頻譜之和，或者說是3個sinc(t)型函數之和，而括號中的2項相對于第一個譜窗向左、右各移動了π/T，從而使旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能，但Hanning窗主瓣加寬，相當于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降;另一種是Kaiser-Bessel窗，它定義了一組可調的由零階Bessel函數構成的窗函數，通過調整參數β可以在主瓣寬度和旁瓣衰減之間自由選擇它們的比重，區分頻率接近且幅度幾乎相等的信號效果較好。

圖1 未加窗處理的熱性噪比圖像

圖2 加窗處理后的熱性噪比圖像

該研究采用IBIS-L監測區域為魯甸紅石巖堰塞湖右岸邊坡。數據采集參數如下:預設探測距離為1 300 m，實際探測距離為1 299.8 m;GB-SAR一景影像采集時間為350 s，傳感器滯留時間為6 s;距離向分辨率為0.506 2 m;方位向分辨率為4.40 mrad(0.252°)。距離域加窗函數選定Kaiser窗，參數6.0，方位向加窗函數同樣選定Kaiser窗，參數設置為4.0。圖1為未加窗處理的GB-SAR聚焦成像，圖2為加窗處理后圖像。

對比分析圖1和圖2可知，未加窗處理影像在距離向和方位向存在雜線，這是由于雷達視場中部分散射體回波信號較強，形成旁瓣效應，對附近的弱散射目標會產生破壞性影響;而加窗處理后，消弱了旁瓣效應，雜線變少了。

3.2 相位穩定程度分析 在對監測數據進行干涉相位處理分析之前，首先需對IBIS-L系統獲取的數據進行質量分析。該研究以首影像為參考影像分析了4天內GB-SAR影像的估計性噪比、時間空間相關系數和相位穩定性，結果見圖3。

圖3 GB-SAR影像的時間空間相關系數、估計性噪比和相位穩定性

從圖3可以看出，在監測時段內，主要目標區域能夠保持較高的時間和空間相干性，監測區域相干系數均在0.7以上(見圖3a和圖3b)，性噪比均在10 db以上(見圖3c);相位穩定性均在2.5以上(見圖3d)。根據以上分析，IBIS-L系統能夠準確獲取魯甸紅石巖堰塞湖右岸邊坡表面反射信息，此次采集影像質量較好。若要分析右岸邊坡在時間上的變形趨勢，可在此監測時段內選擇多幅連續高質量GB-SAR影像，進行長時間跨度的整體變形分析。

4 結論

在地震之后通常伴有降雨等氣象變化，而地基雷達傳播信號易受大氣影響，利用地基雷達干涉測量技術進行變形監測時，需對雷達信號進行環境改正。但目前還沒有提出較成熟的環境改正方法，選擇高質量的GB-SAR影像進行干涉圖生成，相位濾波和相位解纏就成為一種比較便捷可行的方法。該研究對紅石巖堰塞湖邊坡監測影像進行加窗處理后，分析它們的性噪比、空間相關系數和相位穩定性等相關參數，間接對GB-SAR影像質量進行了分析判別，有助于進行高質量連續觀測時段影像選取，得到更為可靠的變形監測結果。

［1］邱志偉，岳建平，汪學琴.地基雷達系統IBIS-L在大壩變形監測中的應用［J］.長江科學院院報，2014，31(10):104-107

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［3］廖明生，林暉.雷達干涉測量:原理與信號處理基礎［M］.北京:測繪出版社，2003.

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