InSAR技術及其應用介紹

文|閆永奇 北京東方至遠科技股份有限公司

一、引言

隨著我國城市化進程不斷推進、城市規模不斷擴大，城市安全面臨的問題也日漸增多。其中，城市地質災害的發生給人們的經濟、生活帶來了頗為嚴重的災害，而絕大多數地質災害是由于地表形變導致的地面沉降，這些災害目前已成為影響區域經濟和社會可持續發展的重要因素。合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術是近年來隨著雷達衛星的發展而產生的對地形變監測行之有效的新技術，在城市安全方面取得了較為突出的進展。

二、InSAR技術原理介紹

1.InSAR技術原理

在地質災害安全隱患監測方面，以往普遍采用傳統測量手段，主要包括兩類：一類是接觸式測量，包括水準儀、傾斜儀、GPS、無線傳感器等。此類方法測量精度高、年形變監測誤差可達毫米級甚至亞毫米級，但其需要在監測區內布設測點，而一些危險區很難實施布設，同時，只能觀測離散點，且存在空間盲區，人力物力耗費量大，GPS測量手段還會受到可視衛星數量限制；另一類是傳統的非接觸式測量，包括近景攝影、激光掃描等。此類方法能實現面域數據獲取，觀測某些人為難以到達地方，但其極易受天氣影響，有的甚至無法夜間成像。因此，無論是接觸式測量還是傳統的非接觸式測量，都存在各自的技術限制，無法滿足當前的緊迫需求，無法同時實現對地面沉降風險場景進行全覆蓋、長時間和高精度的形變監測。

InSAR技術是將合成孔徑雷達（SAR）置于衛星上，通過兩副天線同時觀測（單軌模式），或兩次近平行的觀測（重復軌道模式），對目標場景進行照射，獲取地表同一景觀的復圖像對，其重訪周期最高可達幾天/次。這項技術無需設置地面觀測站，僅需通過雷達衛星對地監測和數據獲取分析，即可實現主動式、全天時、全天候數據獲取，且單次監測范圍可達成百至上千平方公里。更重要的是，InSAR技術投入成本相對較低，性價比極高（如圖1）。

圖1 SAR衛星拍攝示意圖

InSAR技術是基于SAR影像獲取地表的三維信息和變化信息的新型空間對地觀測技術，它可以高精度地監測大面積微小地面形變，實現對地表形變毫米級的幾何測量（對于X頻段的雷達衛星，測量精度可高達毫米量級），近年來，由于具備高精度形變監測能力，InSAR技術得到了迅猛的發展。

由于目標與兩天線位置的幾何關系，在多時相SAR影像上產生了相位差，InSAR技術就是根據這種相位差形成干涉條紋圖，干涉條紋圖中包含了斜距向上的點與兩天線位置之差的精確信息。因此，根據相位差以及傳感器高度、雷達波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關系，InSAR技術可以精確地測量出圖像上每一點的三維位置和微小變化信息（如圖2）。

圖2 InSAR平面幾何原理

InSAR技術與傳統的GPS、水準測量等基于離散點的形變監測技術相比，對于地表形變探測，有其明顯的特點和長處，主要表現在以下幾個方面：

1）監測精度高。雷達圖像分辨率可達米級，InSAR技術可監測到毫米級的地表形變。

2）監測范圍廣。目前獲取數據的雷達主要以衛星或飛機作為搭載平臺，它的特點是飛得高、視域廣、監測范圍大，一次就可監測地表上百至上千平方千米的范圍，能夠對城區及山區實現全覆蓋監測。

3）監測連續性。雷達按一定的時間間隔對地面同一目標進行周期或非周期的長期觀測，數據更新快，數據量豐富，可監測地面目標在時間序列上的連續形變過程。

4）全天時全天候，受天氣影響小。雷達發射微波信號，使用探測頻段較長，在夜晚、大霧、云和雨等條件下也能對目標進行形變監測，受天氣影響較小，可全天時全天候獲取數據，具備長時間連續工作的能力。但是，在極惡劣天氣條件下，相位信息受噪聲影響較大，形變測量精度可能會降低。

5）監測實施方便容易。傳統航測監測方法需要布設水準點，而雷達沉降監測不受這些條件的限制，一般只需衛星獲取地表影像就可以，給沉降監測帶來很大的便利。

6）成本相對低。不需要觀測網的布設和維護費用，而數據的成本相對不高，所以，對于大面積、時間長的沉降監測服務好，而成本相對較低。

InSAR技術具備獨特的優勢，現已經成為地表形變監測領域極有發展潛力的新手段，也是國際上地面沉降變形監測方法研究的主要方向之一。

2.數據源衛星介紹

合成孔徑雷達作為一種主動式微波遙感，具有全天時、全天候、穿透能力強、無需設置地面觀測站等特性，具有多頻率多極化多角度的工作模式，能提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些的信息，是推動遙感與地理信息產業等的重要技術保障，針對大范圍區域能提供較大的數據保障，可作為光學數據空缺時的補充。

目前尚在工作中的雷達衛星主要為X、C、L頻段。不同頻段的雷達衛星穿透能力不同，且不同衛星的參數不同，導致各自的適用范圍不盡相同。

（1）X頻段衛星

X頻段雷達具有高頻（短波長）的特點，其波長在3cm左右，且發射和接收的波束均很窄，絕大部分的能量都集中在主波束里，每一束波都包含一系列的電磁脈沖信號。X頻段的雷達一般定位更準確，但作用范圍短，由于波長較短，對于城市區域建（構）筑物的微小形變監測優勢凸出，但在植被茂盛區域監測效果不太理想。

代表衛星如COSMO-SkyMed雷達衛星星座：COSMO-SkyMed衛星星座是意大利航天局與國防部聯合發展的軍民兩用X頻段雷達成像衛星，由于波長較短，對于城市區域的微小的形變監測更有優勢。該星座是由4顆衛星共同組網，解決了衛星重訪周期的限制，16天可以實現4次重訪，最近的兩顆衛星重訪周期為一天，可以在較短的時間獲取更多的衛星影像。該衛星編程拍攝方便，可以根據用戶需求獲取高質量、易于處理的SAR影像數據。

COSMO-SkyMed系統具有很好的連續性，在COSMO-SkyMed一代星座之后，還將發射COSMO-SkyMed二代衛星星座，并且將與2018年發射的L頻段SAOCOM衛星聯合，既保證了數據服務的延續性，又擴大了數據的應用范圍。

（2）C頻段衛星

C頻段介于L頻段與X頻段之間，其穿透能力優于X頻段，次于L頻段。C頻段對稀疏的植被有一定的穿透能力，但空間分辨率不高，無法對單體目標做精細化監測。

代表衛星如Sentinel-1雷達衛星：Sentinel-1衛星是歐洲航天局針對哥白尼全球對地觀測項目研制的首顆衛星，于2014年4月發射，由兩顆衛星組成，載有C頻段合成孔徑雷達，可以采用預編程、無沖突的運行模式，實現全球陸地、海岸帶、航線的高分辨率監測，也可實現全球海洋的大區域覆蓋。Sentinel-1 有4種成像模式，常用于InSAR監測的數據空間分辨率為20m。

RADARSAT-2雷達衛星：RADARSAT-2衛星是加拿大太空署MDA公司合作發射的SAR衛星，載波為C頻段，影像最高分辨率為3m，常用于InSAR監測的分辨率為5m。RADARSAT-2具有多種分辨率成像能力、多種極化方式，可根據指令進行左右視切換，增加了立體數據的獲取能力，同時，該衛星具有強大的數據存儲功能和高精度姿態測量及控制能力。但是RADARSAT-2數據獲取的周期較長，為24天，如果用于應急則容易錯過最佳應急時間；如果用于長時間監測，每年的數據累積不足，無法得到更精確的形變測量結果。

（3）L頻段衛星

L頻段衛星，波長較長，對森林植被有一定的穿透性，可以在山區獲取較好的相位信息，干涉性能好。但是在城市地區，L頻段的干涉影像對建筑區域細微的形變刻畫不夠精細。

代表衛星如ALOS-2衛星：ALOS-2衛星是日本對地觀測L頻段SAR衛星，是目前市面上用于InSAR監測的唯一L頻段SAR衛星。但ALOS-2影像編程拍攝不便，無法滿足用戶高頻次拍攝的需求。

SAOCOM雷達衛星星座：SAOCOM雷達衛星星座于2018年發射，該星座由2顆L頻段的雷達衛星構成，分辨率為2.5×10m，能檢測到大于8m的物體，以作用于地災預防監測。而且，SAOCOM星座將與COSMO-SkyMed星座聯合組成意大利-阿根廷SIASGE星座用于高精度、快速反應的應急管理工作。

3.數據量

北京東方至遠科技股份有限公司（簡稱東方至遠）已建成雷達衛星數據覆蓋全球、累積超過7-10年的中國城市健康大數據庫，其中包括我國400多座城市的高精度數據庫，可調動覆蓋全國的中分辨率雷達數據。

“全國地表形變一張圖”的構建，從多個維度充分考慮安全城市、智慧城市的規劃、建設，可有效幫助決策者及相關企業輔助規劃、建設管理、安全監管與預警、應急處置、在線監測等綜合應用技術，實現全面的數據共享及分析。

三、InSAR技術在城市中的應用

東方至遠作為中國領先的城市地災遙感監測解決方案供應商，基于對城市地災監測領域的深刻理解，憑借在對地觀測領域的深厚積累，攜合作伙伴推出基于遙感技術的城市健康體檢工程化綜合解決方案，助力各級政府應對城市地災的應急防治和統籌決策。

利用InSAR等相關技術，通過重構歷史影像，識別城市不穩定地區的地面運動位移情況，從而實現對城市及其建筑物、構筑物等人工設施的規劃、建設、運營全過程進行普查、詳查以及監測、分析，從面上及時發現存在形變和破壞風險的設施與區域，進而實現城市安全風險的預警防范和應急處治。此外，根據地表形變的獨特征兆，還可以為城市地下空間工程的施工、運營提供風險監測支持。

以深圳市地災監測為案例。深圳市以低山、丘陵和臺地為主，地形起伏大，地質條件較復雜，部分自然山體斜坡穩定性較差，強降雨作用下易發生滑坡、崩塌等突發地質災害，頻繁危害周邊群眾生命財產安全，其中需要重點應對的主要突發地質災害為山體滑坡地質災害和山體崩塌地質災害。東方至遠通過工程化應用基于雷達衛星的城市健康體檢平臺，在高性價比顯著降低深圳市地災危害人數和財產的情況下，還大大提升了深圳市地災普查、監測和預警的響應能力。

四、InSAR技術在地災中的應用

我國是世界上地質災害發生最多的國家之一，地災會嚴重危害人民的生命和財產安全。常見的地質災害分為崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質作用有關的災害，其中，絕大多數地質災害由地表形變引起。地質災害防治，就是要利用各種技術手段來保障人們安居樂業，而地質災害防治的最好結果就是在災害發生前識別災害點，進而有效保障人們生命財產安全。以InSAR、offset-tracking等技術為代表的遙感大數據技術能夠獲得大面積區域在一定時間內的地表形變情況，并根據形變特征發現相對活躍的區域，從而為地質災害及其次生災害發生的預警預防工作提供高效、可靠、大范圍的低成本科技手段，真正體現“防”重于“治”，實現“人防”向“技防”的轉變。

以金沙江山體滑坡為例。2018年10月11日7時，四川省甘孜州白玉縣與西藏自治區昌都市江達縣交界處發生山體滑坡，阻斷金沙江干流形成堰塞湖，危及甘孜州白玉縣、巴塘縣、得榮縣等下游地區人民群眾生命財產安全，并對多個水電站造成威脅。

地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室、四川省第二測繪地理信息工程院、東方至遠三方共同組建的“地質災害InSAR技術研究中心”啟動應急工作機制，開展災區雷達衛星影像拍攝和InSAR遙感監測分析。東方至遠第一時間提供了災區歷史影像數據，利用COSMO-SkyMed衛星星座跟蹤拍攝災害點及上下游區域，連續獲取了災區最新雷達衛星數據，并連同分析報告一并報送自然資源部、應急管理部等相關部門（如圖3）。

圖3 金沙江滑坡監測與評估

五、InSAR+云計算，打造地理信息綜合服務技術

東方至遠將全國重點城市的InSAR分析結果存儲于“云”端，實現信息的備份、共享，用戶可通過登錄后臺，訪問自身所關注的城市，縮短數據獲取周期，并可實現數據的按需分配。當前，InSAR+云計算主要應用到以下兩個方面：

1.InSAR數據服務

支持面向工程設施的形變風險在線辨識，提供主要城市的InSAR數據成果在線瀏覽與初步形變分析，快速實現對建筑物、地鐵、道路、高鐵、電力、水利、能源等工程設施的風險篩查、分析、預防等。

2.房屋形變分析

通過對InSAR監測結果的進一步挖掘，分析每棟房屋的形變信息，發現城市內存在潛在風險的房屋，幫助用戶及時了解房屋的安全狀態，為房屋設計、施工及運維階段的安全管理提供數據支撐。

六、小結

在《全國地質災害防治“十三五”規劃》中，明確提出災害防治要以最大限度避免和減少人員傷亡及財產損失為目標，盡心盡力維護群眾權益，全面完成山地丘陵區地質災害詳細調查和重點地區地面沉降、地裂縫和巖溶塌陷調查，全面完成全國重點防治區地質災害防治高標準“十有縣”建設，實現山地丘陵區市、縣兩級地質災害氣象預警預報工作全覆蓋，完善提升以群測群防為基礎的群專結合監測網絡，基本完成已發現的威脅人員密集區重大地質災害隱患的工程治理。北京東方至遠科技股份有限公司將始終聚焦城鄉安全治理和設施健康診治，依托遙感、云計算、物聯網、大數據、人工智能等高新技術，對城鄉地質和設施風險災害的事前預警預防、事中科學應急、事后救援指導全過程提供高效率、低成本、近實時的綜合解決方案，為政府提供科學、高效、及時的決策支持，為行業提供專業、全面、高性價比的綜合服務。