D—InSAR技術在地表變形監測中的應用

張英俊

【摘 要】傳統的地表變形監測技術如GPS、水準測量等，存在監測范圍小、費用高和僅能獲取點目標形變信息的局限性。D-InSAR技術具有全天時、全天候，能夠獲得面式數據等優點。本文選取龍灘水電站附近36KM2的范圍為主研究區域，以Radarsat-2為數據源，采用GAMMA軟件對該地區5景數據進行了完整的差分干涉處理，提取變化量并對地表變形趨勢作出了分析，得出了幾處主要形變區域在時間上和空間上的形變趨勢，對庫區的安全監測具有重要的意義。

【關鍵詞】D-InSAR；變形監測；相位解纏

0 引言

變形在自然界中是普遍存在的，它是指變形體在各種載荷作用下，在時間上和空間上大小、形狀及其位置的變化。自然界的變形危害非常普遍，如地震、地表沉陷、滑坡、巖崩、潰壩橋梁與建筑物的倒塌等。它不僅嚴重破壞了自然環境和資源，而且對人民的生命財產安全造成嚴重威脅。近幾年，人類活動空間不斷擴大，大型交通、水利及資源開發工程項目大量實施，致使地表變形發生的頻率變得越來越高，造成經濟損失和人員傷亡，必須要引起警惕。

龍灘水電站工程的施工建設期間以及蓄水運行以后，壩址基坑和庫區邊坡等都曾發生過巨大的變形，造成了嚴重危害，其穩定性是大壩及水庫設計和建設的潛在問題之一，也是必須要考慮的重要方面。

1 地表變形常用監測方法及其局限性

常用的地表變形監測方法有很多種，主要包括高精度地面監測技術、GPS監測法及攝影測量方法等。下面對幾種重要的監測方法作簡單的介紹：

1.1 GPS監測法

GPS可以進行全天時全天候的監測，不受氣候條件的影響，而且具有定位精度高、速度快、操作簡單的優點。但它也有缺點：有比較嚴重的多路徑效應，衛星信號在復雜地區比較容易被遮擋，這些一定程度上影響測量的精度。

1.2 大地精密測量法

該方法是指采用高精度光電和光學測量儀器，如全站儀、精密水準儀等儀器，通過測量角度、邊長和高程的變化來完成變形監測任務。大地精密測量法是目前變形監測的主要手段，具有如下優點：能夠有效確定邊坡地表變形的范圍；能夠觀測到邊坡體的絕對位移量，靈活性大，精度高。缺點是地形和氣象條件對它的實施有很大的限制，而且周期長，進行連續觀測的能力較差，其工作量也比較大。

1.3 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術它不需要接觸物體，白天和夜間都不影響外業工作，監測速度快，測量精度高，能夠很好的反映坡體的總體變形趨勢。其缺點是，儀器價格非常昂貴，在山區儀器攜帶不太方便，測站需要有穩定的架設場所，由于受到掃描距離的限制，必須要保證目標和儀器之間沒有大的障礙。

1.4 光學遙感監測法

利用遙感技術，不直接接觸地面目標，根據其與電磁波的相互作用，收集其信息并且對其進行識別分類、判讀和分析，最終得到其變形信息。缺點是不能夠精確的提供地表變形動態信息，只是提供了宏觀的定性或者說是半定量的成果。

2 InSAR技術監測地表變形的優勢

合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）是近幾年來國際遙感界的一個研究熱點，能以獲得某一地區厘米量級甚至更小尺度連續的地表形變信息，它們在地形制圖、土地利用分類、速度場探測、洪水監測以及地表形變監測等方面表現出極好的應用前景，具體優勢介紹如下：

2.1 全天時，全天候

因合成孔徑雷達（SAR）是主動式遙感，容易產生在時間序列上不缺失的雷達遙感圖像。

2.2 精度高

D-InSAR技術監測地表微小形變的精度可以達到厘米級甚至更小尺度的量級。

2.3 時效性

隨著高精度衛星星座的運營，衛星之間的重訪間隔可以達到20秒，完全能達到實時監測的要求，可實現對持續較慢地表變形活動的連續捕獲。

2.4 高空間分辨率

與傳統監測方法得到的單點數據結果不同，SAR可以得到研究區域連續的面式地表形變信息。

2.5 大面積覆蓋，成本相對低廉。與其他傳統監測方法相比整體成本較低。

3 三軌法D-INSAR技術的數據處理流程

D-InSAR技術原理是利用至少三次拍攝影像構成兩個像對，對這兩個像對進行干涉處理而得到兩幅干涉條紋圖。對干涉圖進行二次差分處理，用來消除因地形起伏以及雷達成像的幾何而形成的相位差，則剩余的相位差即是在成像期間地表發生的變化所引起的。

三軌差分干涉需要三幅SAR圖像，將其中一幅圖像的坐標系統作為參考坐標系，那么在參考圖像和另外兩幅圖像之間將形成兩幅干涉圖。選擇相同圖像作為參考影像確保了生成的干涉產品都具有相同的坐標系，而不需要進行額外的配準和重采樣。三軌差分干涉只有一幅干涉圖包含了差分干涉的相位信息，另外一幅是作為參考消除由于地形所引起的相位變化，在精度和實效上要優于二軌，其基本流程如圖1所示。

1）對選取的SLC數據進行精確的配準。SLC數據即包括相位信息又包括強度信息，強度信息用于配準，對相位信息進行處理就可以得到形變值。

2）主圖像與第二幅圖像經過配準后，經干涉處理形成干涉像對1，然后復共軛相乘從而獲得干涉條紋圖。

3）干涉條紋圖中常常包含有噪聲干擾，而且平坦地表因沒有高程的變化，也會產生線性變化的干涉相位，稱之為平地效應。平地效應使干涉相位圖呈現為密集相見的條紋，一定程度上掩蓋了地形變化引起的干涉條紋變化。因此干涉條紋圖需要首先去除平地效應，最后再把去平地效應的干涉圖進行濾波處理。

4）對去平地效應和濾波后的干涉條紋圖進行相位解纏。主圖像與第三幅圖像進行配準，經過干涉處理形成的干涉像對2，再去除平地效應，進行濾波處理。

5）對解纏后得到的兩幅干涉條紋圖作差分處理，此時得到的結果是斜距坐標，最后需經過地理編碼轉換為地理坐標系下的地表形變圖。

4 三軌法D-InSAR技術在龍灘水電站地表變形中的應用

4.1 研究區域及數據介紹

研究區域處于龍灘水電站附近，采用的是Radarsat-2數據，綜合考慮雨季時間段，斜坡的傾斜角，分辨率，滑坡的朝向等因素，所選用數據是超精細HH極化產品模式、分辨率是3m、幅寬是6*6 km的降軌數據 ，入射角為39.57°。

4.2 數據處理實例

采用三軌法對Radarsat-2數據進行差分干涉處理，影像1與影像2以影像1為參考形成干涉像對1，只包含地形信息，分別與影像3、4、5形成干涉像對2，包含了形變信息。

4.3 差分干涉圖的形成

①圖像配準：利用上述影像，進行圖像配置流程如下：生成偏移值文件→偏移量的初始估計→生成精密偏差估計多項式→生成偏移多項式；最終配準誤差為：距離向0.0847個像元 方位向0.0118個像元，配準誤差小于0.1個像元，符合標準。

②生成干涉圖：利用GAMMA軟件生成干涉圖效果如圖3。

③去除平地效應，然后經過計算相干性→干涉圖濾波，獲得去平后的干涉圖3。

④相位解纏。利用GAMMA軟件，完成解纏掩膜的生成、自適應降低掩膜的采樣、加權內插填補解纏后圖像的缺口，用內插后的解纏相位為模板解纏初始干涉圖3。

⑤差分干涉圖的生成：生成用于差分干涉的參數文件，然后相位轉換為形變圖。

4.4 變形區域的識別

在處理的過程中，很多環節都有可能產生誤差，導致獲得的SAR數據及生成的干涉圖產生偏差，從而影響分析結果。為了盡可能的去除誤差引起的錯誤值，把研究區域內的處理結果根據相關系數的高低，位移值的大小等因素進行一定的過濾處理。本文選用了8月17日和10月25日的兩期數據來分析研究區域的形變情況，對比光學影像，找到變形的區域，并結合實地調查確定可信的變形區域，對變形作出分析。

區域1部分發生了沉降，并且形變比較明顯，呈現出一種時間上變化的連續性，而且變化的數值和范圍逐步變大。從空間上看，監測結果中一直呈面狀分布，說明該處處于整體滑動狀態，后經現場驗證此處為一處于活動狀態的古堆積體。區域2部分發生抬升，其在雨季的變動量較大，在此區域的上面可能發生了滑坡，松散土層、碎石土、風化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強度低，容易產生變形面下滑，這些土、巖下滑到此區域，導致出現地面抬升的現象。此移動區域離壩址較遠，不會對庫區產生太大影響。

5 問題及其展望

D-InSAR處理過程中受到時間失相干、空間失相干和大氣影響等各種誤差的制約，雖本文在處理過程中結合了可信區域分析和過濾處理，這些處理能較好的減少一些無效的監測值，但最后提取出變動區域的形變值還包括大氣效應等引起的誤差值。這對區域地表位移的動態識別并不產生影響，卻會影響監測位移值的精度。

【參考文獻】

[1]王桂杰，謝謨文，柴小慶，等.D-INSAR技術在庫區滑坡監測上的實例分析[J].中國礦業，2011，20（3）：93-101.

[2]林子曄.GAMMA中ISP模塊SAR影像處理若干問題解析[J].北京測繪，2012，（3）：25-27.

[3]何秀鳳，何敏.InSAR對地觀測數據處理方法與綜合測量[M].北京：科學出版社，2011.

[4]Massonnet D，Briole P，Arnaud A.Deflation of Mount Etna monitored by spaceborne radar interferometry[J].Nature，1995，375：567-570.

[責任編輯：曹明明]