InSAR技術及其在滑坡監測方面的應用

許明

徐州中國礦大巖土工程新技術發展有限公司 江蘇徐州 221116

我國地質災害頻發，主要包括塌陷、地震、地面沉降、崩塌、泥石流、滑坡等，其中滑坡是滑坡是造成經濟損失最為嚴重的自然災害之一。為了降低滑坡造成的危害，地質工作人員通過現場調查滑坡所在的地質環境、坡體結構，并安裝相關的儀器設備監測滑坡體表面以及內部的變化數據，從而分析其形成機制、穩定性以及誘發因素等，并作出相應的預測預報。目前，傳統的監測手段主要有GPS、水準儀、全站儀、近景攝影測量和位移計等。雖然這些監測技術應用廣泛并取得了不錯的應用效果，但是也存在作業效率低、觀測成本高、危險系數大、監測范圍小等局限性。

自20世紀50年代來以來，合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）遙感理論與技術快速發展，目前已成為一種重要的對地遙感技術手段。SAR遙感采用的波長較長，因而受大氣散射的影響較小，可以穿透云層、薄霧、雨和塵埃等，可以實現全天候、全天時目標探測和成像，目前已廣泛應用于農林監測、地質調查、海洋監測、地形測繪、自然災害和地質災害監測以及國防建設等諸多方面[1]。

基于差分的InSAR技術利用光學影像目視解譯或者數字圖像處理方法將滑坡從其所處的地質環境中識別出來，它相對于傳統的滑坡識別方法，具有全局性、時效性、準確性等優勢，可為滑坡等地質災害監測及預警提供獨特的理論和技術支持。例如，在2004年，Hilley等在Science上發表了美國Berkeley地區滑坡體的時序差分雷達干涉形變監測結果。2006年，Colesanti和Wasowski對時序差分雷達干涉在滑坡中的應用進行了展望，指出其具有大范圍內滑坡隱患點探測及危險性分級的定量化分析能力。然而，滑坡體上的植被覆蓋常常引起干涉相位失相關，可能導致滑坡監測成功率下降，一般可在滑坡體上布置一定數量的人工角反射器（CR），以此人工加密有效的監測點。2008年，Froese等通過布設人工角反射器和InSAR分析，對加拿大艾伯塔省北部小煙流域周邊的滑坡進行監測了有效監測。2010年，Fu等采取CR布設和InSAR分析，對湖北省樹坪滑坡進行了有效監測，監測結果與GPS數據吻合程度很高。2013年，Crosetto等通過對西班牙Vallcebre滑坡的監測，探討對比了滑坡監測中CR布設與安置策略。此外，針對單體滑坡動態連續跟蹤問題，國內外一些學者也已開始嘗試使用地基InSAR進行高精度的滑坡形變連續監測。此外，楊加利選取龍門山斷裂帶上典型坡區——茂縣新磨村滑坡為研究對象，將PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種方法計算出的滑坡形變結果進行對比，在形變范圍、形變量級、形變空間分布方面，兩種方法得出的結果具有高度一致性，說明了基于InSAR技術新磨村滑坡變形監測具有可靠性。

1 InSAR技術測量原理

1.1 基本原理

合成孔徑雷達干涉的物理機制源于“楊氏雙縫干涉實驗”。電磁波或光波穿過兩條狹縫到達接收屏上同一位置時的傳播距離不同，導致兩束光波在該處產生一定的相位差，引起相位疊加或抵消，使得接收屏上出現明暗相間的條紋。InSAR正是基于此原理發展起來的一門新技術，在InSAR觀測中，楊氏雙縫干涉實驗的兩條狹縫等效于衛星兩次國境市的軌道空間位置，而光波變成了雷達電磁波，地球表面類似于接收屏。因此，衛星SAR干涉也呈現出與楊氏雙縫干涉實驗類似的條紋效應。

在實際的數據處理中，可以將沿衛星重復軌道獲取的兩幅SAR影像對應像素的相位值進行差分，便可以得到一個相位差圖，通常稱為干涉相位圖。干涉相位是參考橢球面、地形起伏、大氣延遲和地表變形等因素貢獻和的體現。圖1表示衛星沿輕微偏離軌道對同一地面目標P的兩次成像，即在軌道S1和S2的位置，雷達傳感器分別向地面目標P發射電磁波并接收其回波信號。目標點P沿法線方向至參考橢球面的距離為h；R1、R2分別表示衛星雷達在S1和S2位置對P觀測點成像時的斜距；H為衛星第一次過境時距參考橢球面的高度；O為地球參考橢球質心；B為干涉空間基線；（Bh，Bv），（B‖，B⊥）分別為空間基線沿不同方向上的分量，其中B‖，B⊥分別表示沿雷達波視線方向和垂直于視線方向的基線分量；Bh，Bv分別為沿水平方向和豎直方向的基線分量；α為基線B與水平方向的夾角；θ為雷達側視角。它們之間存在如下關系：

圖1 InSAR干涉幾何模型圖

理論上來說，InSAR干涉相位ψ主要由多個分量構成，包括參考橢球面相位位

其中噪聲相位呈現隨機性，在相位模型中以高頻分量形式存在，可通過低通相位濾波的方法予以抑制，而大氣相位具有高度的地形空間自相關性，在相位模型中呈現出低頻信息，因此相位的高通濾波有助于減輕大氣效應。在實際的干涉相位中，參考橢球面相位、地形相位和形變相位占主導地位，在InSAR提取DEM信息時往往采用較短的時間基線和較長的空間干涉對，且假設形變信息為零，此時僅需要去除參考橢球面相位分量即可獲得相應的地形相位，而D-InSAR則是以提取地表形變信息為目標，地形本身也需要被計算去除。

將InSAR技術應用于山體滑坡等地表變形監測時，目前常用的以為地表形變差分信號提取方法主要包括兩軌+外部DEM法、三軌法和四軌法。其中兩軌+外部DEM方法使用最為廣泛，主要使用跨越變形期的兩幅SAR影像和該區域的外部DEM來完成差分干涉處理。首先使用跨越形變期的兩幅SAR影像進行干涉處理，并去除參考橢球面相位，隨后將外部DEM配準采樣至影像干涉區范圍內，根據干涉基線和配準后的外部DEM高程信息計算獲得相應的地形相位信息，再將地形相位信息從干涉相位中扣除，最終獲得包含形變信號的差分干涉相位。

1.2 處理方法

1.2.1 數據獲取

目前利用已有的SAR數據大致有Terra SAR數據、ALOS SAR數據、RadarSAT SAR數據和ERS數據。其中Terra SAR數據和RadarSAT SAR數據是商業化的，ALOS SAR數據部分免費部分商業化。ERS數據是免費的，但是該數據在某些研究區域的時間間隔較長，并且沒有規律性，數據完整性也比較差。目前歐空局主持的Sentinel系列衛星在2014年已經發射升空，該數據可通過網站免費下載，并且該數據時間間隔比較規律，數據完整性較好，且在中國覆蓋范圍較廣，因此可通過Sentinel數據研究滑坡識別方法。

1.2.2 影像配準

SAR影像配準是干涉測量處理的首要步驟，其核心思想就是計算構成一個干涉對的兩幅SAR影像同名點的坐標映射關系，將待配準影像（即副影像）按照映射關系采樣為參考影像（即主影像）相同的像素網格，使兩幅影像的同名點對應于地面同一分辨單元。衛星SAR系統采用單天線重復軌道工作模式，衛星一次通過某一地區時只能獲取一幅單視復數SAR影像，衛星以一定的時間間隔和輕微的軌道偏移重復通過該地區時再次成像，由于軌道偏移，這兩幅影像并不完全重合，因此需要將用于干涉的兩幅SAR影像進行精確配準。

在合成孔徑雷達測量中，SAR影像配準必須達到亞像元級，即亞像元級配準。一般來說，SAR影像配準精度至少達到1/8像元。為滿足這一要求，干涉測量中通常對SAR影像進行粗配準，然后進行精配準。

1.2.3 相干點目標提取

根據不同的數據條件，采用不同的相干點目標提取方法。對長時間序列、大數據量的影像集進行處理，采用振幅離差進行點目標的提取，對短時間序列、小數據量的影像級，采用子視相關法進行點目標的提取。

1.2.4 影像干涉對選取和生成

根據不同的數據條件和處理要求，選擇不同的影像干涉對組合策略。如果對長時間序列、大數據量的影像級進行處理，需要提取長時間序列影像的形變量，可以選取唯一一景影像作為主影像，其他影像為從影像的干涉對組合策略。如果對短時間序列、小數據量的影像進行處理，需要提取短時間內的地表形變量，可以選取影像自由組合形成干涉對的策略。

2 InSAR技術在滑坡監測中的應用

自從SAR的概念在20世紀50提出后，不斷發展，逐漸被廣泛應用。1991年，歐空局發射了遙感衛星ERS以來，為InSAR理論的應用和發展提供了很好的數據平臺。

早期的滑坡監測主要是基于差分干涉的方法處理雷達衛星數據進行監測，該方法已經取得了一定的成效。我國學者廖明生等[2]應用InSAR技術在三峽地區進行滑坡監測。在三峽秭歸研究區，他們利用高分辨率TerraSAR-X數據進行滑坡監測。研究成果表明，利用高分辨率SAR影像幅度和差分干涉相位信息可以成功檢測到三峽庫區滑坡發生的時間、地點及形變，驗證了高分辨率雷達數據InSAR技術進行滑坡監測的重要優勢。同時并利用時間序列InSAR技術進行滑坡體的緩慢變形監測，為滑坡預報預警提供了重要依據。利用高分辨率TerraSAR-X數據的幅度和相位信息，能夠準確確定滑坡發生的位置、時間及形變大小。

對于滑坡的形變監測，雖然有很多比較成熟可靠的方法，但是由于三峽地區特殊的地形條件，傳統方法難以實現大面積、高密度且連續的形變監測。但是利用InSAR技術很好地克服了這些障礙，實現了全天候連續性監測。

3 總結與討論

目前傳統滑坡的監測方法仍然是主流的監測方法，大多數滑坡都采用傳感器、GPS等方法監測，但是隨著InSAR技術的興起，InSAR技術越來越多地應用于滑坡監測中。InSAR技術具有全天候、全時性、監測范圍廣等優勢，它在滑坡監測以及預測預警方面具有無可比擬的優勢。尤其是在中國西部山區，地質環境破碎，地質構造活動頻繁，氣象條件復雜多變，對當地居民生命財產安全和社會經濟可持續發展構成了嚴重威脅。要想預防減少滑坡等地質災害的發生，最有效的途徑是盡可能早地發現、識別和確定具有成災風險的地質災害隱患，為進一步開展監測預警、綜合治理或搬遷避讓提供決策信息支持。

InSAR技術雖然在滑坡監測上具有很大的優勢，但其本身也存在局限性，需對相干點目標選取、形變參數估計和大氣誤差改正等關鍵技術進行選優和改善。此外，InSAR形變監測精度和可靠性在植被覆蓋、地形陡峭的山區會受到幾何畸變、失相關和觀測方向單一的影響，這些因素可能限制InSAR技術在滑坡監測領域的推廣。