衛星雷達數據與處理軟件在德欽縣地質災害監測中的最優選取研究

牛宗碩

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

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衛星雷達數據與處理軟件在德欽縣地質災害監測中的最優選取研究

牛宗碩

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

摘 要：德欽縣地質災害監測項目主要運用的技術手段為合成孔徑雷達干涉技術，簡稱InSAR，該技術具有監測范圍廣、不受時間空間限制、監測精度高等特點。當前，雷達衛星和處理軟件多種多樣，根據德欽縣地質環境特征，選取合適的雷達衛星和處理軟件，是保證地質項目得以順利實施，取得良好監測結果的重要環節。本文通過對比覆蓋德欽縣的雷達衛星數據，探討數據處理軟件的優缺點，采用最優原則，分析適合德欽縣地質災害監測的雷達衛星和處理軟件。

關鍵詞：地質災害；雷達衛星；合成孔徑雷達干涉技術；差分雷達干涉技術

文獻著錄格式:牛宗碩.衛星雷達數據與處理軟件在德欽縣地質災害監測中的最優選取研究［J］.浙江農業科學，2016，57（6）: 926-930.

德欽縣位于青藏高原南延的橫斷山脈縱谷部位，境內高山峽谷，高差較大；冰峰林立，雪山縱橫；構造復雜，地形陡峻。特殊的地質環境特征給該區帶來了嚴重的地質災害，主要有泥石流、滑坡、崩塌等。地質災害給德欽縣人民造成了極大的威脅，嚴重制約了城市建設及國民經濟的發展。德欽縣地質災害監測項目主要運用合成孔徑雷達干涉技術（InSAR），為保證項目實施效果，需遵從“最優原則”，對覆蓋德欽縣的雷達衛星和數據處理軟件進行選擇。通過對比多種雷達衛星，分析雷達衛星數據的可用性和最優性，選擇適合德欽縣的雷達衛星；通過對比多款數據處理軟件，分析軟件的可行性和實用性，選擇適合覆蓋德欽縣的雷達衛星數據的處理軟件。

1 在軌民用雷達衛星簡介

雷達衛星是遙感衛星的一種，屬于微波遙感衛星，技術原理為雷達干涉原理。雷達衛星的發展始于20世紀70年代，由美國率先進行發射和研究，主要用來進行軍事偵察和外星探索。隨著該技術的不斷成熟和普及，越來越多的國家研究并發射了雷達衛星，雷達衛星的應用也從單一的軍事機密領域發展到現在的多個領域。

目前，主要的在軌民用雷達衛星技術參數詳見表1。除表中列出的以外，擁有雷達衛星的國家還包括美國、俄羅斯、中國、印度、以色列等，由于這些國家的雷達衛星數據只用于軍事或者只限本國使用，所以相關衛星參數不對外公布，因此，不將其作為德欽縣InSAR數據選擇的備選衛星。

表1　在軌民用雷達衛星技術參數

2 德欽縣雷達衛星數據獲取

2.1 德欽縣雷達數據采集要求

根據德欽縣城周邊地質災害可行性研究報告的要求，InSAR數據采集應有以下幾點要求:監測范圍為德欽縣城周邊約60 km2；監測時間為2012—2016年，約5期數據，其中，在2013年8月28日的地震前后分別獲取2期歷史存檔數據；空間分辨率要求≤10 m。

2.2 衛星參數對地質災害監測項目的影響

在衛星選取過程中，除了考慮德欽縣地質災害監測的要求外，還需要對衛星自身的參數進行考慮。

空間分辨要求≤10 m，這是可研報告的要求。一般發射時間較早的衛星精度較低，如歐洲的Envisat衛星，其最大的空間分辨率為10 m，加上其他因素的影響，定會造成精度的降低，達不到技術要求，而且該衛星發射時間早，技術相對落后，不是最佳的衛星選擇。

波段波長是影響監測結果的一個重要因素，衛星發射的波段越長，其穿透能力越好。德欽縣是一個低緯度、高海拔的地區，夏季植被發育茂密、多云多霧多雨，而且地形多高山峽谷的特征均會導致微波的干涉效果欠佳，所以要盡量選擇波長較長的衛星，如日本的ALOS衛星，采用L波段，波長為一般衛星的5～10倍。

中央入射角、重復周期、極化方式是影響編程數據的重要因素。中心入射角越大、越接近正射，干涉效果就越好。重復周期越短，就可以獲得越多的景數據，利于差分處理。進行干涉差分處理時，極化方式通常要選擇HH方式或者VV方式。

歷史存檔數據是制約項目數據選取的重要因素，由于德欽縣地質災害監測項目要求在2013年8月28日前后要有2期數據，這就要求衛星在該時間點前后均要有歷史存檔數據，而且差分處理至少需要兩景存檔數據。據調查，記錄了德欽縣歷史存檔數據的雷達衛星主要有意大利的Cosmo-Skymed衛星、德國的TerraSAR-X衛星、加拿大的Radarsat-2衛星。

2.3 雷達衛星的數據對比

根據以上分析，在考慮德欽縣地震時間點的情況下，意大利Cosmo-Skymed衛星、德國的TerraSAR-X衛星、加拿大的Radarsat-2衛星被定為備選衛星。下面，根據衛星的詳細信息進行備選分析。

德國的TerraSAR-X衛星。該衛星的歷史存檔數據為2011年，分辨率為16 m，不符合本項目精度的要求，所以德國的TerraSAR-X衛星不適合本項目的選擇。

加拿大的Radarsat-2衛星。如圖1所示，加拿大的Radarsat-2衛星有2種不同分辨率的歷史存檔數據，左側為3 m分辨率的3景數據，右側為8 m分辨率的5景數據。要想得到效果較好的差分干涉圖，要求衛星的采集模式、中央入射角度、分辨率、軌道、極化方式等參數保持一致。但從圖1可以看出，無論是3 m還是8 m分辨率的數據，它們的采集情況都不相同（相同的話則兩圖框應重合），即在2009年這一期不能進行差分干涉處理，只能選取其中一景與編程數據進行處理。另外，3 m分辨率的數據不能全部覆蓋德欽縣城；8 m分辨率的數據雖然能夠覆蓋，但精度較低。另外，存檔數據為一景的話，往往不能與編程數據進行差分干涉處理，原因是數據太少，時間過長。綜上，加拿大的Radarsat-2衛星不適用于德欽縣城的地質災害監測。

圖1　加拿大的Radarsat-2衛星存檔數據

意大利的Cosmo-Skymed衛星。意大利的Cosmo-Skymed衛星在德欽縣的歷史存檔數據共有11景，空間分辨率為3 m。2009年降軌數據為5景數據，其中有2組數據為同一參數的存檔數據，可用來InSAR處理；2009年升軌數據為6景數據，其中有1組數據為同一參數的存檔數據，可用來D-InSAR處理。

綜上，意大利衛星存檔數據可形成3個干涉組:干涉組合1，升軌，日期分別為2009-09-03和2009-06-07，中心入射角51.12°；干涉組合2，降軌，日期分別為2009-09-14和2009-06-02，中心入射角: 48.08°；干涉組合3，降軌，日期分別為2009-05-31和2009-04-13，中心入射角29.36°。中心入射角過小，會降低數據信號的相干性，不利于InSAR分析，因此建議選擇干涉組合3進行研究。

2.4 雷達衛星數據評估與總結

在考慮德欽縣地震時間點的情況下，通過對比各衛星，初步確定意大利Cosmo-Skymed衛星較適應于德欽縣城地質災害監測項目。除了數據要求合格以外，數據價格也在預算之內。

意大利的Cosmo-Skymed系統是由4顆雷達衛星組成的衛星星座，每顆衛星擁有一個多模式高分辨率合成孔徑雷達。在德欽縣城地質災害監測項目中建議采用的束波模式為條帶模式（STRIPMAP）中的Himage成像模式，分辨率3 m，幅寬分別為40×40 km2。采用的產品級別為Level1A產品，單視復斜距SLC（SCS），數據中包含了強度信息和相位信息，用于生成DEM或做差分干涉測量。

但該衛星存在以下缺點。出售該衛星數據的商家比較少，目前，只了解到1家，商家過少不利于對比選優。該衛星采用的是X波段，相對較短，對植被、云霧等條件的穿透能力較差，干涉誤差較大，選用時需避開雨季進行數據采集。該衛星的歷史存檔數據為2009年，按照項目計劃，2015年底進行數據編程，相隔6年之久可能會造成干涉效果不佳。

如果不考慮地震時間點，即選用2014年以后的數據，可以采用日本的ALOS衛星，該衛星費用較高，超過預算要求，但其采用長波段L，穿透能力較好，且該衛星無須用戶要求，時時刻刻采集數據，較多的景數據易于進行差分干涉處理，相對精度也更高，變形監測效果更好。

3 雷達衛星數據處理軟件比選

3.1 德欽縣雷達數據處理要求

D-InSAR是在InSAR的基礎上發展起來的一項技術，以InSAR復數據提供的相位信息（干涉圖）為信息源，采用多幅雷達影像的相位差，通過重復軌道干涉測量的原理消除地形信息從而得到地表形變。根據去除地形信息方法的不同，D-InSAR技術可以分為二軌法、三軌法和四軌法等，德欽縣城地質災害監測項目采用常規的二軌法和三軌法進行數據處理。

二軌法。首先利用同一地區前后2幅影像生成干涉紋圖，然后再利用外部獲取DEM數據模擬干涉紋圖，最后從兩干涉紋圖中去除地形信息得到地表變化信息。

三軌法。首先利用同一地區三景影像生成2幅干涉條紋圖，一幅反映地形信息，一幅反映地表形變信息，然后進行去地平和相位解纏，最后利用差分干涉測量原理計算得到地表信息。

選擇合適有效的干涉影像數據集（SLC數據）后，從外部獲取DEM數據，以其中一幅影像作為主影像，另外一幅或幾幅影像作為從影像，便可以開始干涉測量的數據差分處理。數據處理的過程包括2部分，第一部分是InSAR數據處理，主要包括:影像的配準、影像重采樣、干涉圖的生成、參考相位（平地相位）的去除、地形相位的去除（D-InSAR處理用到）、干涉圖的濾波、相位解纏（三軌法）和地理編碼（坐標系統的投影轉換）等，得到DEM和干涉圖；第2部分是差分處理，經過差分干涉處理、相位解纏（二軌法）、相高轉化等步驟，生成形變圖。

3.2 常用雷達數據處理軟件

目前，InSAR數據處理軟件有許多種，有商業的、開源的、試用版的，等等。商業的專門用來處理InSAR數據，有特定的模塊，處理方式比較簡單，但費用較高；開源的軟件需要進行程序編碼才能使用，需耗費時間與精力；試用版的軟件僅適合個人學習和使用，不適合單位集體的研究。具體分述如下。

Gamma。強大的雷達成像、干涉處理、差分處理軟件，擁有DInSAR，PSInSAR及地理編碼等專業處理功能，屬于商業軟件。

SARscape。強大的雷達圖像數據處理與分析軟件，擁有極化干涉處理模塊，屬于商業軟件。但市面上亦存在盜版。

ERDAS。具有雷達圖像數據導入功能，有IFSAR，StereoSAR，OrthoRadar模塊，但不是專業的SAR處理軟件，屬于盜版軟件。

ROI-PACK。干涉SAR領域開源中最為強大的軟件，屬于開源軟件。

Doris。面向全球的開源軟件，有人專門開發了InSAR/DInSAR等功能，屬于開源軟件。

3.3 數據處理軟件對比

常用的InSAR數據處理中，最常用、且最好用的軟件為Gamma和SARscape，下面對其各自特點進行簡單介紹。

Gamma。該軟件能夠從軌道數據中進行基線估計、干涉圖像的配準、干涉紋圖的生成、相干系數的估計、去平效應、自適應濾波等步驟。如果從外部獲得了DEM，可以使用二軌法，利用這個模塊模擬干涉紋圖，利用干涉紋圖進行差分處理就可以消除地形相位的影響。此外，該軟件還具有永久散射體分析模塊，可針對特定目標點的相位進行分析，達到高精度誤差分析。

SARscape。ENVISARscape軟件是在ENVI遙感圖像處理軟件的基礎之上研發的，功能主要包括:雷達干涉測量、雷達強度圖像處理、極化雷達干涉測量。支持多種雷達產品數據和原始數據，提供SAR數據的數據導入、基線估計、多視處理、幾何校正、輻射校正、去噪影像、地表變形分析等基本功能；同時，支持極化SAR和極化干涉SAR數據的處理等功能，處理結果可以達到mm級的位移。

3.4 數據處理軟件評估與總結

Gamma，SARscape這2款軟件都可以進行InSAR數據處理，相比起來，Gamma更加專業，功能更加強大，操作簡單，但費用較高，國內擁有授權的公司很少。SARscape軟件正式版費用較高，與Gamma軟件功能大體相同，但是該軟件有試用版，適合個人學習和研究。這2款軟件的主要區別是操作系統不同和處理效率不同: Gamma主要使用的操作系統為Linux系統，處理方式為輸入命令進行處理，可以進行批量處理；SARscape采用的是Windows操作系統，數據處理采用可視化窗口模式，處理速度較慢，不能進行批量處理。據此，建議綜合使用Gamma軟件和SARscape軟件來進行數據處理，Gamma軟件負責批量處量，SARscape軟件負責個人學習和研究。

4 小結

德欽縣地質災害監測工作若要順利開展，勢必在設計階段對收集到的雷達衛星資料進行分析和評估，為監測項目的順利實施提供理論參考和技術依據，為該項目的立項奠定可行性基礎。結合選取的雷達衛星和處理軟件，采用D-InSAR技術能夠快速獲取德欽縣地表形變區域內的地表形變信息，能夠滿足對地表形變引起的泥石流的監測要求。通過比選，初步確定意大利Cosmo-Skymed衛星為德欽縣地質災害監測的初選衛星數據，Gamma為初選軟件。

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（責任編輯：高 峻）

中圖分類號：P694

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017（2016）06-0926-04

DOI：10.16178/j.issn.0528-9017.20160642

收稿日期:2016-03-04

作者簡介:牛宗碩（1989—），男，河北張家口人，碩士研究生，從事衛星遙感研究工作，E-mail: nizongshuo123@163.com。