GB-SAR變形監測技術研究現狀與展望

劉龍龍，張繼賢，趙 爭，康 琪，郗曉菲

(1. 蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 中國測繪科學研究院，北京 100830； 3. 國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830； 4. 北京四象愛數科技有限公司，北京 100089)

地基合成孔徑雷達(ground-based synthetic aperture radar，GB-SAR)是近十多年發展起來的地面主動微波遙感技術[1]。GB-SAR技術是將干涉變形監測技術從空基轉化到地基，該技術能夠不受自然條件限制，對感興趣的目標區域進行全天候、全天時、大范圍、遠距離的偵查監視，為變形監測領域帶來一次新的技術革命。隨著變形監測技術的發展，傳統的監測方式逐漸無法滿足不斷深化的應用需求，如大壩、橋梁、建筑物、冰川、滑坡等應用領域都亟須一種精確、無損、穩定、遠程、長期而又實時的安全監測系統，地基合成孔徑雷達系統的誕生，為實現這樣一種新型安全的監測提供了技術保障。鑒于此，開展新型GB-SAR變形監測技術在人造大型建筑和自然災害等領域的應用研究具有十分重要的意義。

GB-SAR技術成功綜合了合成孔徑雷達成像原理與電磁波干涉技術，利用傳感器的系統參數、姿態參數和軌道之間的幾何關系等精確測量地表某一點的空間位置及微小變化，可以探測毫米級甚至亞毫米級的地表形變。對于小范圍的區域監測，地基SAR比星載SAR更加穩定，它可以專門為目標監測區域建立特定的幾何場景，得到該區域的變形趨勢和總體變形特征，是星載SAR技術的有效補充[2]。相比星載SAR而言，地基SAR有安置方便、可任意調整觀測角度、實時監測能力強等優點，因此逐漸受到國內外專家和學者的廣泛關注。

本文圍繞GB-SAR變形監測方法及其應用展開論述，對當前國內外研究現狀進行歸納和評述，分析GB-SAR變形監測技術的優勢和不足，總結當前研究中存在的難點問題，旨在讓更多學者了解、認識地基合成孔徑雷達，促進GB-SAR在國內的發展。最后，綜合考慮GB-SAR的特點及當前的實際應用需求，對GB-SAR的應用前景進行了展望。

1 GB-SAR技術研究現狀

1.1 地基雷達干涉測量原理

地基雷達干涉測量的基本原理是將兩張雷達圖像進行比較，然后從一張測量的相位圖像中減去另一張圖像的相位值，從而得到觀測目標的形變相位。在GB-SAR系統中，相位是與距離r有關的一個函數，r是傳感器與目標之間的距離，可表示為

(1)

(2)

觀測相位φw(即纏繞相位)為一個相對相位，因為它總是纏繞在區間(-π,π)之間。絕對相位(即解纏相位)與相對相位φw之間的關系可表示為

φw=w{φ}=mod{φ+π,2π}-π=φ-2πn

(3)

式中，w{φ}為纏繞相位；相位模糊度n(即相位總和的整倍數)是未知的，即沿視線方向(LOS)發射信號和散射信號之間的相位周期總和是未知的，因此雷達傳感器與目標之間的絕對距離無法確定，僅能獲取相對距離Δr。GB-SAR差分干涉測量如圖1所示，干涉條紋通常用呈規律性變化的彩色條紋來顯示，并以2π為周期進行規律性變化。

2張影像的干涉相位φw包括地形相位(φtopo)、大氣相位(φatmo)、位移相位(φdisp)和系統噪聲相位(φnoise)，即

φw=φtopo+φatmo+φdisp+φnoise-2πn

(4)

對于絕大多數變形監測而言，感興趣的為φdisp。因此，只需從差分干涉圖中識別并去除其他相位，便可以得到監測目標的變形結果。與星載和機載SAR系統相比，地基SAR系統的優勢在于天線位置在兩次數據采集(零基線)之間不會發生變化。在這種特殊情況下，φtopo可忽略不計。然而，對于長時間的連續監測和間斷的重復監測，則可能發生與儀器重新定位相關的錯誤，然后從而引起空間基線的變化。這時，則必須考慮φtopo的影響，可用監測區域的數字高程模型(DEM)校正地形相位。

1.2 GB-SAR系統發展現狀

近十多年來，國內外廠商在GB-SAR硬件系統方面進行了各種努力和創新。目前，常見的地基合成孔徑雷達系統按雷達傳感器核心技術分為以下3類：①以矢量網絡分析儀(VNA)為基礎的系統。②以步進頻率連續波(SFCW)技術為基礎的系統。③以線性調頻連續波(FMCW)技術為基礎的系統，FMCW技術很早就在國外引起重視，與之前的GB-SAR系統相比，FMCW SAR傳感器能夠更快地掃描，掃描時間減少一個數量級。除了上述介紹的系統之外，還產生了一些新型的系統，如烏克蘭國家科學院(NASU)的基于噪聲雷達技術的GBNWSAR系統[3]，歐洲聯盟綜合研究中心(JRC)的基于MIMO技術的Melissa系統[4]。表1列舉了已有文獻中描述的主要GB-SAR系統及其參數指標，其中澳大利亞Ground Probe公司的SSR邊坡穩定性系統為非嚴格的SAR系統[5]，它還可以提供復雜的雷達圖像，可以通過干涉測量進行變形監測。相比國外，國內市場還沒有國產的地基SAR商用系統，GB-SAR系統的研制也主要集中在科研院所與高校，如中國科學院電子學研究所的SATRO系統、北京理工大學的SDMR-1系統和國防科技大學的SFCW SAR系統等實驗室未轉化產品。因此，為了推廣GB-SAR變形監測方法在我國大型基礎設施和應急救災領域的廣泛應用，積極開展地基SAR商用系統的研究迫在眉睫，以解決GB-SAR進口設備昂貴、技術壟斷等問題。

表1 現有主要GB-SAR系統

2 GB-SAR變形監測的應用與進展

GB-SAR按數據采集模式可分為連續監測模式(C-GBSAR)和非連續監測模式(D-GBSAR)。連續監測模式為最常用的數據采集方法，該方法將設備固定到同一個位置，設置一個時間間隔后自動獲取數據，如每隔幾分鐘。非連續監測模式根據監測對象的實際形變情況，人為設定一個合理的監測周期進行定點觀測，如每周、每月或每年，從而減輕變形監測的人力、物力成本，難點為每隔一段時間安裝儀器之后獲取的影像之間需重新配準，對儀器安裝的精度要求較高。相比而言，C-GBSAR更適合對目標進行短期快速的實時監測，如形變量級為mm/d或m/d的形變對象，該模式對滑坡等突發性災害的應急救援特別有益，可有效預警二次災害發生；D-GBSAR則可以監測緩慢變化的對象。總體來說，文獻中涉及的GB-SAR技術一般都使用C-GBSAR模式，但隨著GB-SAR系統的深入研究，D-GBSAR模式的應用也越來越多。

2.1 基礎設施變形監測

自從1999年文獻[6]提出GB-SAR是一種基于合成孔徑雷達技術的地面遙感成像系統，發表了第一篇將該技術應用于大壩監測的文章。GB-SAR技術便開始廣泛應用于大壩、橋梁、高速鐵路、電力設施等基礎設施的變形監測。文獻[7]研究了GB-SAR系統在橋梁健康監測中的應用，獲取了橋梁視線向的變形曲線和自振頻率，充分驗證了其在橋梁健康監測中巨大的應用價值。文獻[8]運用GB-SAR系統進行了大壩的變形監測試驗和分析研究，為大型水利設施的健康監測提供了新的思路。文獻[9—10]將GB-SAR系統應用到風力發電塔群組的監測當中，為風輪機的實時監測提供了可能，并提出可用GB-SAR技術檢測目標高度。文獻[11]利用意大利IDS公司的IBIS-L系統對紫坪鋪大壩進行監測試驗，結果表明該系統可獲取高精度的大壩壩體形變信息，可為大壩的高精度監測提供保障。文獻[12—14]對IBIS-S和IBIS-L系統進行精度檢定，并利用IBIS-S系統對橋梁進行了監測試驗，證明地基雷達系統在實際橋梁結構安全監測中的可行性。文獻[15]利用GAMMA Remote Sensing公司的GPRI-Ⅱ系統對香港Ting Kau大橋進行監測試驗，展示了GPRI-Ⅱ系統在橋梁變形或振動監測中的能力，為橋梁結構健康監測提供開辟了一條新途徑。文獻[16]利用荷蘭Metasensing公司的Fast-GBSAR系統對大壩進行監測試驗，該系統將采集單景影像的時間縮短到5 s，極大地解決了SAR影像容易失相干的問題。盡管GB-SAR技術在基礎設施的變形監測中取得了較好的應用效果，但是GB-SAR技術在監測過程中易受大氣影響。連續監測模式下的配準問題后續還需深入研究。

2.2 滑坡災害監測

GB-SAR變形監測技術早期主要應用于滑坡等自然災害的監測，并取得了一系列有益的結果。文獻[17]利用地基SAR系統對意大利Tessina滑坡進行監測試驗，并與已有傳統光學測量結果相比較，其控制點最大誤差不超過3 mm，GB-SAR技術的監測性能得以驗證。文獻[18]利用地基SAR系統對澳大利亞某滑坡進行監測，并與GPS數據相比較，證明該技術應用于快速形變體的優越性。文獻[19]對意大利古鎮Civitadi Bagnoregio一處滑坡進行試驗，分析了連續監測模式下設備噪聲和大氣影響引起的失相關對數據精度的影響。文獻[20]對意大利Citrin峽谷邊坡進行監測，首次提出在GB-SAR系統中運用永久散射體技術(permanent scatterers,PS)改正大氣相位，得到了較好的改正結果。文獻[21—22]研究了融合三維激光掃描數據和GB-SAR數據在滑坡監測中的應用，實現了監測區域形變量的可視化表達。文獻[23]利用IBIS-L對四川雅安境內一處滑坡進行監測，驗證了地基雷達系統在復雜地形下監測的可行性。地基SAR系統已廣泛應用于突發性滑坡的救援工作當中，以其非接觸遠程自動化的卓越監測性能，有效地對二次災害進行了預警，極大地保障了救援人員的生命安全。然而，因滑坡區域及其形成機理的復雜性，后續還需研究多維度、多傳感器的監測模式，以更好地預測滑坡變形的發生。

2.3 露天礦變形監測

地基合成孔徑雷達技術已成功應用于露天礦變形的監測，在該領域得到廣泛的應用，為露天礦斜坡預警提供了一個有效的早期預警工具。不足之處是獲取數據易受不均勻大氣、失相干等因素的影響。文獻[24]利用GB-SAR系統對加泰羅尼亞中部開采鹽礦誘發的城市地表沉降進行了深入研究，結果表明監測精度可達毫米級。文獻[25]在意大利托斯卡納一個采石場利用GB-SAR系統進行了40天的監測試驗，并自動生成研究區域的干涉DEM，對采石場的邊坡穩定性進行了分析研究，取得了良好的結果。文獻[26]利用IBIS-M系統對我國某露天礦邊坡進行了監測試驗，試驗表明該系統可為露天礦邊坡監測提供實時、精確的形變信息。文獻[27]使用中國安全生產科學研究院研制的地基SAR系統對福建紫金山金銅礦露天采場進行了監測試驗，并與全站儀同步監測的數據進行對比，驗證了國產地基雷達系統的可靠性。文獻[28]將GB-SAR變形數據通過Oracle數據庫和ArcSDE與GIS結合起來，利用GIS強大的顯示、分析功能，為露天礦的安全監測提供了新思路。文獻[29]將遙感影像和高程數據添加到地基雷達系統獲取的變形數據當中，豐富了GB-SAR數據的可視化程度。目前，GB-SAR技術主要著眼于礦區形變監測和預警，且系統僅能獲取二維形變圖，對于如何獲取礦區三維形變圖和深度分析變形機理等問題仍需進行深入研究。

2.4 雪崩和冰川運動監測

由于微波對冰/雪面有一定的穿透能力，傳統的星載SAR已用于繪制積雪圖，以及模擬和預測融雪徑流等，展現了合成孔徑雷達技術在雪、冰動態監測中巨大的潛力。受星載SAR技術的啟迪，文獻[30]通過地基SAR試驗監測了降雪變化對雪崩的影響，在約一年的時間里成功監測近100次自然雪崩、5次人為引發的雪崩，充分展示了GB-SAR技術的對微小形變的靈敏度。文獻[31]利用C波段的GB-SAR系統對冰川流速進行了監測，為局部區域冰川運動監測開辟了一條新的途徑。文獻[32]利用IBIS-L系統對新疆和靜縣境內的一處山地冰川流速進行研究，驗證了地基雷達技術測量冰川表面流速的可行性，拓展了該技術在國內的應用場景。近幾年來，利用GB-SAR技術研究冰川運動的研究也逐漸增多，該技術為測量高分辨率冰川發生的相對位移提供了一種可靠的工具。但因雪崩和冰川運動的復雜性，未來還需考慮結合地球物理、自然地理等知識深入分析變化原理，以便有效地進行災害預警。

2.5 文物保護監測

GB-SAR技術除了較高的時空采樣能力之外，還能夠遠距離監測極小的位移。文獻[33]創新性地提出將GB-SAR技術應用于歷史建筑文物的變形監測。文獻[34]和文獻[35]利用GB-SAR系統對比薩斜塔、喬托鐘樓等世界著名遺跡進行了監測，為文物保護提供了一種無損、遠程、高精度的監測方式。GB-SAR技術在文物保護監測中具有廣泛的應用潛力。如何在實際監測中融合三維激光掃描儀的點云數據對歷史文物進行深度形變分析，將是一個棘手的問題，將是未來該技術在該領域研究的熱點。

3 GB-SAR變形監測的挑戰

目前，GB-SAR變形監測技術研究已經取得了顯著的進展，但是還有很多不足之處。主要問題包括以下幾個方面。

3.1 大氣相位校正

在雷達干涉測量中，大氣相位是測量誤差的一個重要來源，目前還沒有比較完善的大氣相位改正策略，極大地約束了該技術的變形監測能力。地基雷達為提高自身監測精度，一般都使用短波高頻的雷達系統，直接導致GB-SAR系統對大氣延遲有高靈敏度，容易受其影響。因此，獲取目標的真實形變相位必須先進行大氣校正。與大氣相位相干的影響因子主要有氣壓、溫度和濕度，其中濕度對大氣相位的影響最為顯著。文獻[36]在陡峭地形下進行監測試驗，研究表明在地基雷達數據中可能存在高度相關的大氣相位分量。在陡峭的山區地形中，大氣效應對干涉圖有強烈的擾動，即使在幾分鐘內的短暫觀測也是如此。大氣擾動主要是由不同時間太陽光照射的差異引起的大氣濕度變化導致。目前，大氣相位改正的常見方法有氣象數據校正法、相位累計法及永久散射體技術，但這3種方法都有各自的局限性，針對不同的監測對象可以合理選擇或結合運用合適的方法。

3.2 相位解纏

一切將相位由主值(模為2π)恢復到真值的方法統稱為相位解纏[37]。運用相位解纏技術是由觀測相位的模糊性決定的。從干涉圖中得到的相位僅是真實相位的主值部分，其取值范圍在(-π,π)之間，這是由arctan函數自身定義限制的[37]，要得到形變相位必須加上2π的整數倍。干涉圖像的相位解纏是GB-SAR數據處理中重要的組成部分，直接決定了后面提取形變的精度。GB-SAR技術一個關鍵的制約因素是相位纏繞，也就是干涉相位的模糊性，這將導致形變估計出現偏差，尤其是對形變位移特別大的區域更易受其影響。文獻[38]提出一種非干涉GB-SAR方法，該方法探測形變的能力降低，但可不受相位模糊性影響，對目標做出正確的形變估計。相位解纏是一個三維問題，包括時間解纏和空間解纏。星載SAR常見的解纏方法有支切法、路徑跟蹤法、最小二乘法、卡爾曼濾波法、最小費用流法等。地基SAR一般先利用卡爾曼濾波器進行時間維度解纏，然后再利用最小費用流法進行空間維度解纏，最后得到解纏后的干涉圖。

3.3 相干性

GB-SAR干涉測量數據的相干性至關重要，但對于有些場景很難滿足這一要求，尤其是非連續監測模式(D-GBSAR)，因此，在進行監測之前均需制定可行性分析，若有必要可在監測區域布設人工角反射器來增加相干性。差分干涉圖定量評估的基本條件是影像的相干性。相干性是散射目標在不同采集時間的散射系數的相關程度。GB-SAR系統空間基線為零，因此時間去相關對相干性的影響最為重要。相干性的好壞取決于監測對象的表面覆蓋特性或位移梯度，一般植被區域的快速去相關現象可以在很短的時間內出現，主要由風改變目標的后向散射強度引起[39]。由于相干性是表征地面分辨單元穩定性的定量參數，因此可以利用相干性的變化判斷監測目標中發生的變化，如雪崩、巖石墜落、滑坡等失相干的監測對象。通常情況下，相干系數大于0.8的圖像才適合進行干涉處理。

3.4 設備和儀器精度

因受GB-SAR系統傳感器設計僅能觀測視線向形變的限制，與雷達視線方向垂直的位移無法測量，如完全平坦區域的垂直位移無法測量，約束了該技術監測垂直向位移的可能，傳感器的改進需進一步完善[38]。GB-SAR系統的精度取決于很多因素，如系統頻率、傳感器的降噪性能等。從技術角度講，大多數GB-SAR系統均采用Ku波段，這樣設備便能獲得高分辨率和對微小形變的高靈敏度。文獻[40]研究表明瑞士GAMMA Remote Sensing公司Ku波段的傳感器(GPRI)信噪比為30 dB時相當于0.04 mm的形變值。文獻[19]計算了C波段的傳感器(LISA)的監測靈敏度為0.7 mm。通常情況下，儀器的精度是指在沒有大氣擾動情況下的測量精度，精度往往隨儀器和監測目標距離的增加而降低。因此，通過進行一定的大氣改正和對多幅干涉圖相位平均來降低相位噪聲，都可以顯著提高監測精度。

3.5 精度評定

目前，GB-SAR變形監測結果基本都依賴于實地測量數據(如水準、GPS等)來檢核其精度和可靠性。其中最科學合理的方法是在研究區域布設人工角反射器，在SAR影像獲取時刻利用實地測量手段對角反射器進行精密測量，并以此為標準對GB-SAR結果進行精度評定。然而值得注意的是，有些區域布設角反射器往往存在各種各樣的困難。綜上所述，目前GB-SAR精度評定受限于實地測量數據的數量和可靠性，因此未來有必要研究一種不依賴于外部數據的GB-SAR精度評價方法。受星載SAR精度評定的啟發，可利用GB-SAR干涉圖的相干性衡量監測精度，相關問題可待進一步研究。另外，方差分量估計理論可以通過平差得到的觀測值改正數來迭代估計觀測量的方差，不受任何先驗信息的限制，有望在GB-SAR精度評定中取得突破[41]。

4 總結與展望

雖然國內目前有關GB-SAR變形監測技術的研究還處于初期探索階段，但其潛在的應用價值已受到國內學者的廣泛關注。綜合考慮目前實際應用需求及GB-SAR系統自身的特點，對該技術今后的發展進行展望：

(1) 為解決GB-SAR僅能觀測視線向形變的問題，可將地基SAR和星載SAR技術相結合，利用星載SAR數據彌補垂直于地基SAR視線向形變數據缺失的問題，從而得到監測對象的三維形變量。將星載SAR監測范圍廣和地基SAR設站靈活的優勢相結合，構建天地一體化的變形監測體系，對大型人工設施(如三峽大壩、港珠澳大橋等)進行全方位多角度觀測具有非常重要的意義。

(2) 針對GB-SAR測量易受大氣擾動影響的問題，可利用非干涉測量的方法獲取形變，該方法繼承了星載SAR時間序列干涉技術提取形變的思想。非干涉測量法利用GB-SAR強度圖像的幾何信息，并通過影像匹配估計變形，精度可達毫米級。為保證良好的影像匹配質量，該技術需在監測區域布設人工角反射器。大氣相位改正的問題，仍是未來亟須研究的熱點問題之一。

(3) 針對GB-SAR僅能獲取監測目標二維形變，難以精確判讀變形產生位置的問題，將地基雷達數據有效投影到三維激光掃描儀獲取的三維空間數據中，進而增加地基雷達數據的可視化程度，易于后期進行深度分析，從而有效提高災害的預測水平。

(4) 為充分挖掘監測對象變形機理，將GB-SAR技術和工程地質、地球物理、氣象等學科的先進技術相結合，實現各技術間優勢互補、優化集成，這是未來GB-SAR技術發展的重要趨勢之一。

本文通過梳理國內外有關GB-SAR技術的相關文獻，表明GB-SAR技術是一種極具潛力的變形監測技術，它可以精確量化監測目標的形變，并已在基礎設施、自然災害、露天礦、冰川運動、文物保護等領域取得成功應用。但是，目前GB-SAR商用設備僅能從國外進口且費用高昂，極大地阻礙了國內學者的研究和其工程化的推廣。相信隨著GB-SAR變形監測技術在我國的廣泛應用，GB-SAR理論和設備的研究都會有良好的發展。