D—InSAR技術在地震滑坡監測中的應用

任峰

摘 要：該文首先在全面回顧該技術在國內外滑坡監測中的應用現狀和實例的基礎上，詳細地推導了D-InSAR技術監測形變的原理公式并介紹了方法和數據處理流程，選取研究區2007-2009年10景ALOS PALSAR數據，通過分析時空基線構建4個干涉對，分別獲取了震前和震后不同時段的滑坡分布及滑坡位移，并對滑坡位移及相干圖進行了分析。與傳統監測方法相比較，INSAR技術在滑坡監測方面主要具有全天候、大范圍、高分辨率、高精度等優勢。試驗證明基于雷達干涉測量技術聯合多源觀測數據是進行滑坡地質災害定量監測的最有效的手段之一。

關鍵詞：ALOS PALSAR數據 InSAR D-InSAR 汶川地震 滑坡監測

中圖分類號：P258 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0022-03

地震誘發的滑坡、崩塌等地質災害因其巨大的致災力而廣泛引起人們的關注，僅20世紀，地震地質災害已經造成數十萬人喪生和幾十億美元的損失。強烈地震時，地震誘發的滑坡災害，特別是山岳地區，其危害比地震直接造成的損失還要大。

遙感技術因具有覆蓋范圍廣、圖像獲取方便等特點，能夠客觀、全面地反映地震后災區的景觀，能為震害調查、損失快速評估提供科學依據，對地震經濟損失評估也具有重要意義。我國曾對1966年邢臺地震、1975年海城地震、1976年唐山地震等大震進行了震后災區航空攝影，并積累了豐富的震害遙感影像判讀經驗（陳鑫連，1995；魏成階等，1993）。在2003年的伽師6.8級地震中，王曉青等根據以往震害影像統計并結合該次地震震害遙感特征，提出了遙感震害分級分類標準和地震烈度劃分標準，進而得到基于震害遙感影像的伽師地震等震線圖（王曉青等，2003）。然而光學影像由于受天氣狀況的制約，如果震后出現云雨等惡劣天氣，則利用光學影像進行震害調查就會受到極大限制。

由于雷達波可以穿透云霧，并且具有全天時、全天候獲取地面散射特性的能力，就可以克服上述弱點。因此，SAR遙感平臺獲取的雷達影像數據越來越受到人們的關注。Yonezawa和Takeuchi（2001）對1995年日本兵庫縣南部（Hyogoken-nanbu）地震前后的ERS-1/SAR圖像的相干性進行研究，發現地震前后的兩幅SAR圖像有明顯的失相干性，這種失相干性的大小、分布與地震中地面破壞程度、房屋倒塌情況及其分布狀況有明顯的關系。2001年Ferretti以覆蓋意大利Ancona地區34幅ERS SAR影像為數據源，成功監測了該地區的滑坡形變，結果表明滑坡體PS點的線性形變速度超過3mm/a。之后，Colesanti等對Ancona滑坡體進行了再次研究，采用1992-2000年的61幅ERS衛星雷達影像，探測了4×5km2的滑坡體形變，結果與水準測量一致。

國內采用SAR技術監測滑坡形變的研究起步比較晚。張景發等（2002）曾利用合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，簡寫為SAR）圖像對張北地震進行了震害評估研究；另外，2008年程滔等使用EnviSat數據監測了陜北黃土地區的滑坡，根據InSAR地表形變監測數值大小劃定了4個重點滑坡區域；2011年王桂杰等采用3景ALOS/PALSAR影像對金沙江下游烏東德水電庫區內的滑坡分布進行了詳細的研究，獲得研究區域內地表高精度形變位移值，根據位移速率和位移大小成功辨別出可能發生的滑坡位置和滑動較大的區域；2013年王志勇等以北京房山區史家營滑坡為實驗區，選取7景PALSAR雷達數據構建4個干涉對，獲取了不同時段的滑坡分布和滑坡位移，以地面實測GPS數據為參考，結果表明雷達干涉測量監測滑坡精度可以達到1 cm。

針對我國當前的主要地質災害類型及其分布特征，SAR衛星數據的應用主要集中在地質環境變化過程中的地質災害應急響應、災害現狀調查、形變監測三個方面，形變監測主要應用SAR數據相位信息，其他兩個方面則主要利用SAR數據強度信息。利用高軌SAR數據實施應急監測，及時獲取災情信息，為抗震救災和應急救援提供預警和決策支持。

1 基本原理

1.1 D-InSAR技術

D-InSAR（Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar）即合成孔徑雷達差分干涉技術，是在主動式微波合成孔徑雷達SAR相干成像基礎上，如果空間基線足夠小利用多次重復觀測可以進行地表微小形變檢測的技術。它是迄今為止獨一無二的基于面觀測的形變遙感監測手段，可補充已有的基于點觀測的地空間分辨率大地測量技術。通過差分干涉雷達技術獲取地表的形變信息，主要有3種方法即已知DEM的二軌法、三軌法和四軌法。

該文采用的是二軌法差分干涉處理方法。它是利用研究區地表變化前后兩幅影像生成干涉紋圖，從干涉紋圖中去除地形信息就得到地表變化信息。這種方法的優點是無需進行相位解纏，減少處理工作量；缺點是在無DEM的地區無法采用上述方法，另外在引入DEM數據的同時可能帶來新的誤差。

1.2 SAR強度圖像比值變化檢測

對于突變型滑坡，由于變化速度快，形變量可能超出干涉測量的形變監測梯度，所以可以采用變化檢測的方法，通過對變化前后的幅度影像進行差值、比值處理，保留強度比值中過大或過小區域，進行滑坡區域的探測及定位，以實現形變區域提取。采用兩幅SAR影像之間的強度比值的方法檢測圖像發生變化區域，保留強度比值中過大或過小區域，進行滑坡區域的探測及定位，檢測原理如下式：

Ratio為最終形變檢測結果。

要進行變化檢測，首先要對兩景影像進行配準。兩期配準精度小于1/8像元。對于精確配準的兩個時相圖像來檢測變化，最常規的方法是圖像相減或比值處理。其他的處理方法，如多時相數據分類及主成分變化等，已被光學遙感數據處理的經驗證明效果不如圖像相減或比值方法。而比值的分布只依賴于相對變化，因此從統計模型來看，比值方法比圖像相減方法更適用于變化檢測。此外，由于很多輻射誤差是乘性的，比值方法對輻射誤差有更強的適應性。但是，差值法獲得的SAR圖像差異信息也能起到重要的補充作用。endprint

1.3 偏移量跟蹤技術

偏移量跟蹤技術可以同時獲取地表二維形變場：斜距向（或地距向）及方位向形變量，此方法不需要解纏，適合應用于形變量較大，超過InSAR技術可監測最大形變梯度的情況。偏移量反映了地表點在兩幅影像中的位置偏差，包含系統偏移量及局部偏移量，系統偏移量可使用影像匹配去除，采用二次多項式函數擬合可匹配到1/8像元；局部偏移量主要由地表形變引起，運用偏移量追蹤法可使影像在距離向與方位向的配準精度優于1/30像元，即此方法理論上求取的形變量精度可達1/30像元。

2 數據結果處理與分析

2.1 D-InSAR數據處理與分析

（1）原始數據處理。

通過雷達成像算法進行多普勒參數估計與成像處理，由原始信號數據生成單視復數據及相應的參數文件，生成主影像SLC和副影像SLC。

（2）復數影像配準。

影像配準主要是獲取副影像中個點相對于主影像在方位向和距離相的偏移量，對副影像重采樣，然后與主影像配準。配準精度需要達到子像素級才具備干涉的條件，如配準誤差大于或等于一個像素，則主副影像是完全不相關的，即相應點間相關系數為0，得到干涉圖純粹為噪聲。

（3）計算干涉相位及多視處理。

經過InSAR圖像精確配準后，便可通過兩個復數影像共軛相乘計算每一個同名像點上的相位差，即干涉相位。

（4）相干性估計。

得到干涉圖后，干涉圖質量評價主要有相干圖、偽相干圖、相位導數變化圖以及最大相位梯度圖。相干系數圖沿著汶川地震的主斷裂帶，受地震的嚴重破壞兩次成像期間地面發生很大變化，圖上比較暗，相干性小。

（5）去地形效應。

要獲取形變干涉圖需要消除地形相位信息，本文使用二軌差分法，借助外部DEM數據，先配準，再模擬地形干涉相位，消除地形影響。

（6）去平地效應。

平地效應（Flat-earth Effect）是高度不變的平地在干涉圖中所表現出來的干涉條紋，使干涉紋圖的頻率產生偏移。消除干涉圖中平地效應引起的相位的過程即稱為“去平地效應”。去除平地效應后利于后期的相位解纏。所以，在進行干涉圖濾波增強和相位解纏前就進行去平地效應處理。

（7）相位解纏。

利用干涉測量技術生成的差分干涉圖中，所得到的差分相位值是必須解纏的。由于實際上得到的相位值只是相位的纏繞值（即相位主值），其取值范圍在（-π，π）之間，為了得到真實的差分相位值，必須在這個范圍的基礎上加上或者減小2π的整倍數，求解出真實差分相位值，這個過程就是相位解纏。所以將干涉紋圖的相位主值或相位差值恢復到真實值得過程統稱為相位解纏。

（8）滑坡災害識別。

對2007年12月21日和2009年12月26日兩期影像對進行差分干涉處理，其中，干涉對的空間基線571m，時間基線736天。通過觀察編碼后的差分干涉圖，對滑坡進行識別。

2.2 SAR強度圖像比值數據處理與分析

由于汶川地震造成了研究區內大量滑坡，故選取震前20080507與震后20080622兩景影像對研究區進行滑坡變化檢測。圖2為20080507_20080622強度比值圖、20080507強度圖、20080622強度圖進行RGB的合成圖。

2.3 偏移量跟蹤數據處理與分析

由于汶川大地震造成劇烈形變，導致失相干嚴重，利用常規D-InSAR手段很難反演出地震區域的形變情況，所以利用偏移量跟蹤技術對地震中心區域的形變進行反演。

該次采用2007年12月和2009年12月兩景數據進行偏移量跟蹤技術試驗。干涉對空間基線571m，時間相隔736天。設定64×256搜索窗口，搜索區域設置成距離向64個像元和方位向256個像元。距離向采樣參數設置為12個像元，方位向采用28個像元。對偏移量進行精確估計。然后將距離向和方位向的偏移值轉換為形變量。圖3、圖4所示為20071221_20091226干涉對的地距向和方位向形變。

從圖3、4中可以明顯看出斷裂帶的形變方向，并計算出了斷裂帶附近地距向與方位向的形變量，其中地距向靠近衛星方位為正，方位向沿衛星飛行方向為正，從圖中可以看出斷裂的地理位置及空間走向。

此次偏移量跟蹤計算得到的距離向和方位向形變量整體偏大。在計算方位向與距離向偏移量時，耗時很長，并且與采樣參數大小相關。采樣參數小，耗時長，可達十幾個小時，由于時間關系，該次采用距離向12和方位向28的采樣參數，因而像元偏大，導致計算得到的形變量級也偏大；另一方面，偏移量跟蹤技術可用于斷裂帶的空間定位于形變走向定性研究，但利用偏移量跟蹤獲取形變量的技術本身精度較低。

3 結語

由于具有全天候、全天時數據獲取能力，SAR已成為遙感變化檢測數據獲取的重要技術手段，尤其對傳統的光學傳感器成像困難地區有著特別重要的意義，如多云多雨地區等。因此，與光學數據優勢互補，在多云霧地區地質災害監測、防治與應急中發揮著不可或缺的作用。

在實際應用中應當結合DInSAR與強度變化檢測方法，進而提高滑坡的識別精度。無論是對震后的災害應急，還是對地質災害的調查監測，SAR影像都能發揮重要的作用。

該次對汶川地區10景ALOS-1 PALSAR數據進行處理，通過偏移量跟蹤方法計算了SAR影像覆蓋地區地震中心的距離向、方位向偏移量，并根據偏移量結果做了斷裂帶的示意圖。

參考文獻

[1] 郭華東.雷達對地觀測理論與應用[M].北京：科學出版社，2000.

[2] 何宏林，孫昭民，王世元，等.汶川MS8.0地震地表破裂帶[J].地震地質，2008，30（2）：359-362.

[3] 滕吉文，白登海，楊輝，等.2008汶川MS8.0地震發生的深層過程和動力學響應[J].地球物理學報，2008，51（5）：1385-1402.endprint