時(shí)序地基SAR子影像集監(jiān)測(cè)地震滑坡災(zāi)害研究

鄒進(jìn)貴，李 琴，2，朱勇超，王 鵬，張士勇

(1．武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢420079;2．遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽110122;3．蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州215009)

一、引 言

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，山地、丘陵和比較崎嶇的高原占全國(guó)總面積的2/3，地震災(zāi)害給國(guó)家建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，其引發(fā)的次生山體滑坡災(zāi)害也不容小覷。常規(guī)的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法通常是GNSS測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)等。地基SAR技術(shù)是在星載SAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它將合成孔徑雷達(dá)在地面設(shè)站進(jìn)行測(cè)量，具有監(jiān)測(cè)范圍大、空間分辨率高、精度高等優(yōu)勢(shì)。

星載SAR中，為克服地表散射特性的變化導(dǎo)致的去相干以及大氣條件變化引入的觀測(cè)噪聲，F(xiàn)erretti等人提出永久散射體技術(shù)(PSInSAR)，基于PS點(diǎn)的時(shí)序星載SAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是地基SAR設(shè)備與星載SAR傳感器無論是在雷達(dá)影像成像的算法和空間幾何關(guān)系、系統(tǒng)工作模式還是在獲取的雷達(dá)影像本身特征方面均存在較大差異，因此時(shí)序星載SAR技術(shù)實(shí)際上不能直接用于地基SAR影像序列的分析與處理。地基SAR將短時(shí)間內(nèi)(數(shù)個(gè)小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)，與實(shí)際變形速率有關(guān))采集到的影像序列看作一個(gè)子影像集，那么在長(zhǎng)時(shí)間周期的變形監(jiān)測(cè)中便可以獲取一系列類似的子影像集，通過分析各子影像集內(nèi)部連續(xù)影像信號(hào)強(qiáng)度與觀測(cè)相位的變化規(guī)律，可削弱氣象擾動(dòng)和噪聲影響。本文將星載SAR影像基于PS點(diǎn)的時(shí)序方法引入地基SAR中，利用子影像集研究時(shí)序地基SAR影像監(jiān)測(cè)地震后滑坡災(zāi)害。

二、時(shí)序地基SAR監(jiān)測(cè)形變算法

本文采用時(shí)序地基SAR子影像集的方法，首先獲取子影像集，然后用平均熱性噪比(TSNR)和平均相關(guān)系數(shù)雙閾值提取PS候選點(diǎn)，接著用振幅離差閾值法(ADI)進(jìn)一步篩選PS點(diǎn)，最后用PS相干目標(biāo)點(diǎn)沉降模型進(jìn)行沉降分析。

1．平均影像集的獲取

通過分析各子集之間干涉相位的關(guān)聯(lián)性，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間地表形變進(jìn)行估計(jì)和提取。子集內(nèi)的影像的觀測(cè)相位和信號(hào)強(qiáng)度通常都具有較高的質(zhì)量和穩(wěn)定性。每一個(gè)子影像集合成一景影像是較為高效的處理方法，為提高該合成影像的信噪比可以采用類似干涉相位疊加方法。

在利用子影像集內(nèi)觀測(cè)相位序列進(jìn)行平均計(jì)算之前需要進(jìn)行相位解纏。首先在子影像集內(nèi)部選擇一景影像作為主影像，其他作為從影像均與主影像進(jìn)行干涉計(jì)算。如果相位變化較為緩慢，可以直接對(duì)各PS候選點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域一維相位解纏而不必進(jìn)行二維空間上的相位解纏。在對(duì)逐點(diǎn)完成相位解纏處理，計(jì)算鄰域相差以剔除部分孤立的變形異常點(diǎn)目標(biāo)。進(jìn)而按照公式計(jì)算各PS候選點(diǎn)目標(biāo)的平均相位。

式中，Nm為子影像集中GB-SAR影像總數(shù);fm1和fmn分別是子影像集中選作主影像的首影像和第n景從影像;con j()為取復(fù)數(shù)的共軛;W－1()為相位解纏算子;∠()為相位提取操作。最后結(jié)合平均相位和平均信號(hào)強(qiáng)度，將子影像集融合為一景平均復(fù)影像圖。

2．相干點(diǎn)目標(biāo)的提取

星載SAR時(shí)序分析技術(shù)穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)的選取，應(yīng)用較為廣泛的有以下幾種基本方法:振幅離差閾值法(ADI)、相干系數(shù)閾值法和相位離差閾值法。在地面氣象參數(shù)不斷變化的條件下，地基SAR的所謂穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)只能再相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，在長(zhǎng)時(shí)間序列下受周期波動(dòng)變化的氣象擾動(dòng)影響較為嚴(yán)重。而由于波束寬度和輻射幾何視場(chǎng)的差異，不同于星載SAR影像，地基SAR影像中存在大量虛假型號(hào)。如圖1所示，邊緣部分區(qū)域?qū)嶋H上沒有任何反射目標(biāo)，但在原始影像數(shù)據(jù)中仍然形成了微弱的信號(hào)值。虛假信號(hào)的時(shí)序解纏相位序列同樣具有一定的穩(wěn)定性和較低的ADI數(shù)值。因此，地基SAR PS點(diǎn)的選取，應(yīng)采用多種閾值方法綜合的手段，以達(dá)到可靠性和提取更多PS點(diǎn)的目的。

圖1 熱信噪比圖

地基SAR的熱性噪比(TSNR)由信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)直接計(jì)算得來。TSNR圖能夠直觀顯示能量的相對(duì)強(qiáng)弱，強(qiáng)度圖則反映了信號(hào)的真實(shí)強(qiáng)度信息，即影像序列的TSNR平均值為

式中，i、j分別對(duì)應(yīng)GB-SAR影像像元的行序號(hào)和列序號(hào);N對(duì)應(yīng)參與PS點(diǎn)提取的SAR影像個(gè)數(shù);TSNRave，i，j為像元(i，j)處的平均熱信噪比。對(duì)TSNR設(shè)定一定的閾值，計(jì)算分析虛假信號(hào)的去除效果并進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到去除大部分虛假信號(hào)以及部分低SNR像元的目的，即

按照式(3)計(jì)算影像序列平均相關(guān)系數(shù)，同樣分析相關(guān)系數(shù)的分布情況并合理設(shè)定閾值，完成PS候選點(diǎn)的預(yù)選工作。

為確保目標(biāo)像元變化的穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)用ADI閾值方法對(duì)PS候選點(diǎn)作進(jìn)一步地分析和剔除。影像的振幅離差或振幅離散指數(shù)(amplitude dispersion index，ADI)可表示為

式中，σA、mA分別對(duì)應(yīng)影像時(shí)序集像素點(diǎn)振幅值A(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。ADI閾值設(shè)置地較為苛刻，才能將虛假信號(hào)去除徹底，但同時(shí)提取的點(diǎn)目標(biāo)勢(shì)必大量減少。對(duì)于地基SAR連續(xù)變形監(jiān)測(cè)影像序列，能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然保持穩(wěn)定的點(diǎn)目標(biāo)是非常少的，相應(yīng)的，長(zhǎng)時(shí)間序列下各像元的ADI數(shù)值實(shí)際上偏低，因此該步驟一般設(shè)定較為寬松的閾值。

3．沉降模型的建立

相比于星載SAR，地基SAR的監(jiān)測(cè)空間基線為零，因此它不會(huì)有平地效應(yīng)和地形效應(yīng)的影響。它的干涉相位模型如下

對(duì)應(yīng)的差分干涉模型為

地基SAR監(jiān)測(cè)的形變中既包括線性變化的形變，也包括非線性變化的形變，因此差分干涉模型可線性表示為

式中，k1=－4π/λ;T為時(shí)間間隔;φnonlinear為非線性形變;φres為殘余相位，包括氣象擾動(dòng)和噪聲引起的相位變化。

為了估計(jì)出平均影像序列的形變速率，要先建立PS點(diǎn)網(wǎng)，對(duì)網(wǎng)中的各PS網(wǎng)邊進(jìn)行干涉處理，在空間上各網(wǎng)邊之間形成穩(wěn)定的空間圖形，在時(shí)間上用模型進(jìn)行擬合。對(duì)于PS網(wǎng)邊的兩個(gè)端點(diǎn)m、n，其差分干涉相位為

PS點(diǎn)之間的相差關(guān)系，類似于觀測(cè)了PS邊上兩點(diǎn)的幾何參數(shù)，類似水準(zhǔn)點(diǎn)高差或GPS基線。每條有效的PS邊相當(dāng)于一條觀測(cè)邊，先對(duì)這些網(wǎng)邊進(jìn)行回歸分析，再由其幾何關(guān)系進(jìn)行間接平差。平差過程中的觀測(cè)量為相鄰PS點(diǎn)之間的變形速率差，根據(jù)它可以建立平差模型。設(shè)vm為PS點(diǎn)m的變形速率，vn為PS點(diǎn)n的變形速率，根據(jù)m和n之間的速率差函數(shù)模型可以得到變形速率差Δvm，n

利用GAMMA公司的IPTA(interferometric point target analysis)回歸分析的思想，用回歸分析法得到它的估值，然后列出誤差方程

式中，rv為相鄰PS點(diǎn)變形速率差的殘差值。建立觀測(cè)方程組有

式中，B為系數(shù)矩陣;L為觀測(cè)值;X為PS點(diǎn)的待估線性變形速率;R為殘差。

可根據(jù)線性速率差初始估值的中誤差確定各PS網(wǎng)邊的先驗(yàn)權(quán)，即

利用間接平差可計(jì)算出X的加權(quán)最小二乘解

三、試驗(yàn)與分析

為了探討時(shí)序地基SAR子影像集技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害滑坡監(jiān)測(cè)的可行性，對(duì)云南地震后魯?shù)樯襟w滑坡進(jìn)行地基SAR監(jiān)測(cè)工作。

1．研究區(qū)域及地基SAR影像數(shù)據(jù)

受云南昭通魯?shù)?．03地震影響，在地震中心魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)南偏東8．2 km處的牛欄江干流上，北岸山體大規(guī)模塌方形成堰塞湖。裸露新巖體與底部基巖帶一致，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。但由于北岸裸露新巖體與邊界層氣象環(huán)境之間的相互作用，局部小范圍的裂縫、巖體仍然處于較為活躍的狀態(tài)。

采用地基SAR系統(tǒng)IBIS-L進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集利用自帶的控制軟件IBIS-L Controller進(jìn)行。影像采集預(yù)設(shè)探測(cè)距離1300 m，地基SAR一景影像采集時(shí)長(zhǎng)50 s，傳感器滯留時(shí)間6 s，數(shù)據(jù)采集起始時(shí)間2014-09-15T 19:18:49，數(shù)據(jù)采集總時(shí)長(zhǎng)7天11小時(shí)40分7秒。

2．?dāng)?shù)據(jù)處理與分析

監(jiān)測(cè)區(qū)域所處的邊界層氣象變化較為復(fù)雜，特別是濕度變化對(duì)影像觀測(cè)相位的影響非常劇烈。因此，項(xiàng)目中選取局部時(shí)段上的高質(zhì)量連續(xù)監(jiān)測(cè)影像序列，求取平均影像圖。

首先在熱信噪比圖中按照數(shù)值高低選擇多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，分析其鄰域干涉相位的變化規(guī)律。氣象變化劇烈的，各點(diǎn)干涉相位的一致性降低，波動(dòng)變化相應(yīng)地也會(huì)變劇烈，基于這一特點(diǎn)利用多點(diǎn)鄰域干涉相位篩選部分高質(zhì)量的連續(xù)影像序列，如圖2—圖3所示，分析多個(gè)點(diǎn)的變化規(guī)律，進(jìn)行高質(zhì)量連續(xù)影像的選取，用于生成子影像集。

圖2 9．15高質(zhì)量觀測(cè)時(shí)段與氣象擾動(dòng)過大的時(shí)段

17號(hào)凌晨開始持續(xù)降雨，連續(xù)多日的陰雨濃霧天氣對(duì)雷達(dá)信號(hào)的干擾是非常劇烈的，部分時(shí)段的影像以及影像中的局部區(qū)域的觀測(cè)相位受到破壞性的影響，無法利用其計(jì)算形變相位。但在氣象變化稍微平緩的局部時(shí)間段內(nèi)，仍然能夠選擇出連續(xù)多景質(zhì)量較高的GB-SAR影像圖。

共計(jì)選取了6個(gè)時(shí)段的高質(zhì)量連續(xù)監(jiān)測(cè)影像序列，見表1。為保證在各子影像集內(nèi)部點(diǎn)目標(biāo)選擇的可靠性，需盡量保證子影像集中能夠有15景以上的連續(xù)觀測(cè)影像。

表1 子影像集選擇

利用多個(gè)平均影像圖的DInSAR方法提取長(zhǎng)時(shí)間跨度影像之間的形變。平均熱信噪比閾值設(shè)置為15 dB，振幅離差閾值設(shè)定為0．20，空間相關(guān)系數(shù)設(shè)定為0．70，最終結(jié)合6個(gè)子影像集，選取9108個(gè)相干點(diǎn)目標(biāo)。

選定4個(gè)干涉對(duì)，利用時(shí)序DInSAR技術(shù)分析探測(cè)局部形變。主影像和從影像的選定見表2。

表2 子影像集平均影像干涉對(duì)

基于所選相干點(diǎn)目標(biāo)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)，用于在空間上聯(lián)系干涉相位。在實(shí)際計(jì)算中也可以去除長(zhǎng)邊，以減少由于距離過長(zhǎng)引起的干涉相位精度降低的情況。

利用時(shí)序地基SAR技術(shù)，計(jì)算滑坡體形變值，計(jì)算結(jié)果如圖4—圖9所示。

d15到d16天氣晴好，由于時(shí)間跨度較短(1d左右)，觀測(cè)相位受氣象擾動(dòng)影響相對(duì)較低，因此解纏結(jié)果的可靠性相應(yīng)地較高。從變形計(jì)算結(jié)果可以看出雷達(dá)影像中存在較為明顯的變形。

d16到d18結(jié)果中也能夠較為明顯地看出中部有形變發(fā)生。后續(xù)的d18到d19、d19到d20也同樣，局部的突發(fā)性崩塌變化在干涉形變圖中都有所體現(xiàn)。

在此時(shí)間段，雷達(dá)中心點(diǎn)附近出現(xiàn)多次巖體形成大量碎石滑落至堰塞體北岸底部區(qū)域，圖9顯示中間一次較為明顯的巖體崩塌垮落，監(jiān)測(cè)結(jié)與實(shí)際情況正好吻合。

圖4 PS點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)圖

圖5 變形計(jì)算結(jié)果－d16＆d15(單位:mm)

圖6 變形計(jì)算結(jié)果－d18＆d16

圖7 變形計(jì)算結(jié)果－d19＆d18

圖8 變形計(jì)算結(jié)果－d20＆d19

圖9 北岸邊坡局部巖體崩塌垮落

四、結(jié)論與建議

地基SAR作為一種新型的監(jiān)測(cè)手段，用于地質(zhì)災(zāi)害滑坡監(jiān)測(cè)是可行的，可以滿足滑坡變化的監(jiān)測(cè)工作。由于地基SAR具有連續(xù)全面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且不受惡劣的天氣氣候的影響，在滑坡的監(jiān)測(cè)中，可作為一種高效、被廣泛運(yùn)用的手段。另外，采用地基SAR進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)，還可以將獲得的滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與三維點(diǎn)云激光數(shù)據(jù)模型進(jìn)行融合，獲得可視化的滑坡監(jiān)測(cè)成果，這有利于滑坡監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)成果的直觀化展現(xiàn)，有利于政府部門根據(jù)此監(jiān)測(cè)成果做出相應(yīng)的決策。

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