基于合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR)的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)

尹萍

【摘 要】針對(duì)當(dāng)前滑坡預(yù)警、災(zāi)害范圍及規(guī)模預(yù)報(bào)研究中存在的不足，不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑坡的范圍和規(guī)模;也就不能準(zhǔn)確判斷具體什么位置，能產(chǎn)生多大危害，這樣就難以作出合理的預(yù)警和應(yīng)急管理。針對(duì)上述存在的缺陷和不足，將開展基于合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）的滑坡預(yù)警、災(zāi)害范圍及規(guī)模預(yù)報(bào)研究。

【關(guān)鍵詞】InSAR;滑坡監(jiān)測(cè);預(yù)警

中圖分類號(hào)： P642.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）34-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.021

Based on Synthetic Aperture Radar Interferometry （InSAR） Key Technologies of

Landslide Monitoring and Early Warning

YIN Ping

（Hunan Vocational College of Engineering，Changsha Hunan 410083，China）

【Abstract】In view of the deficiencies in the current study of landslide early warning， disaster scope and scale prediction，the scope and scale of landslide can not be accurately predicted.It is also impossible to accurately determine the specific location and how much harm can be caused，so it is difficult to make a reasonable early warning and emergency management.In view of the above shortcomings，landslide early warning，disaster scope and scale prediction based on synthetic aperture radar interferometry （InSAR） will be carried out.

【Key words】InSAR;Landslide monitoring;Early warning

0 引言

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）是近年來新興的區(qū)域地表變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，相比較常規(guī)的單點(diǎn)或小范圍滑坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有監(jiān)測(cè)范圍廣、空間分辨率高、測(cè)量精度好、全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，且不受氣候條件影響，為區(qū)域地表變形監(jiān)測(cè)和滑坡識(shí)別、評(píng)價(jià)提供了有效手段。立足地質(zhì)災(zāi)害工程應(yīng)用需要，但是目前合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）主要是點(diǎn)監(jiān)測(cè)，只知道是否有災(zāi)害點(diǎn)，并不準(zhǔn)確知道地質(zhì)災(zāi)害的范圍，及其規(guī)模。為了進(jìn)一步貫徹黨的十九大提出的加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治的總體要求，今年4月我省在全國率先出臺(tái)了《湖南省人民政府關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的意見》（湘政發(fā)〔2018〕12號(hào)，以下簡稱《意見》），并明確提出：推動(dòng)科技創(chuàng)新。設(shè)立一批重大科研課題，開展我省地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理、成災(zāi)模式、早期識(shí)別、勘查治理工程科學(xué)研究。充分發(fā)揮我省學(xué)會(huì)和行業(yè)組織、高校、科研院所、企事業(yè)單位人才和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)科研和防災(zāi)一線專業(yè)技術(shù)人員創(chuàng)新研發(fā)地質(zhì)災(zāi)害快速治理、綠色生態(tài)治理等新技術(shù)、新方法、新工藝、新材料，開展地質(zhì)災(zāi)害天空地一體化、無人機(jī)快速識(shí)別、臨災(zāi)快速監(jiān)測(cè)、微形變監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究。基于合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）的滑坡預(yù)警、災(zāi)害范圍及規(guī)模預(yù)報(bào)研究，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、測(cè)繪學(xué)等學(xué)科理論，建立區(qū)域地表變形監(jiān)測(cè)和滑坡早期識(shí)別方法體系，能夠提升利用InSAR解決相關(guān)地學(xué)問題的應(yīng)用能力和水平，為類似區(qū)域的滑坡災(zāi)害的早期識(shí)別和評(píng)價(jià)提供參考，為滑坡災(zāi)害管理和防治提供新思路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）既是微波遙感新技術(shù)，也是空間大地測(cè)量新技術(shù)。集電子、光學(xué)、圖像及信號(hào)處理等多學(xué)科知識(shí);分辨率包含有平行雷達(dá)飛行方向的方位向和垂直飛行方向的距離向。InSAR技術(shù)可獲取高程信息，獲取高程類似傳統(tǒng)的立體成像技術(shù)，從兩個(gè)不同成像點(diǎn)對(duì)同一地區(qū)獲取影像獲得“視差”，得到視差值得到相對(duì)高程值。本系統(tǒng)將開展地表形狀的精確匹配;利用InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地表特征精準(zhǔn)匹配，通過特征匹配技術(shù)確定各單元（區(qū)域）的變形情況及位移情況。InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量雖然很大，但是由于監(jiān)測(cè)面積較大，可能分辨率不是特別高，地表的精確匹配還是存在難度的。利用滑坡體表面形變和位移及滑坡體周邊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算滑坡體范圍、規(guī)模及滑坡體的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和已有的滑坡歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合貝葉斯理論和隨機(jī)場(chǎng)理論構(gòu)建土體參數(shù)空間變異性的概率反演模型。

1.1 InSAR遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、海量數(shù)據(jù)傳輸

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集之后，經(jīng)過很多信號(hào)處理之后，得到了干涉相位圖，可以轉(zhuǎn)換成波程差，可以獲得三維地形圖、地表形變圖。需要將地形相位、平地相位、噪聲、大氣擾動(dòng)都去除才能獲得純凈的形變相位。干涉相位圖與DEM的數(shù)據(jù)進(jìn)行形變估計(jì)信息處理，其處理流程如下：復(fù)影像獲取→影像配準(zhǔn)→干涉圖生成和相干系數(shù)的計(jì)算→去平地效應(yīng)→相位濾波→相位解纏→高程估算→地理編碼。

1.2 InSAR植被影響消除、地表植被對(duì)變形監(jiān)測(cè)影響研究

研究InSAR技術(shù)在滑坡中應(yīng)用中獲得DEM數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)區(qū)區(qū)域的土方量變化，來反映滑坡體變形情況，理想狀態(tài)下，是需要獲取同一裸地表在不同時(shí)期的地表信息。實(shí)驗(yàn)區(qū)是屬山地區(qū)域，植被茂密，人工地表稀少，傳統(tǒng)的技術(shù)所能提取的點(diǎn)目標(biāo)稀少，嚴(yán)重制約滑坡區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)和形變信息獲取，針對(duì)這一弊病，地表植被對(duì)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響情況，通過考慮現(xiàn)場(chǎng)地表植被因素提高InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，在試驗(yàn)區(qū)選擇具有高相干性的控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)的相位信息與初始相位中的殘余相位進(jìn)行對(duì)比估計(jì)，并與殘余地形相位進(jìn)行去除。

1.3 地表形狀的匹配、地表變形、位移參數(shù)提取

空間對(duì)地遙感技術(shù)特別是衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)量技術(shù)得到迅猛發(fā)展。大量研究與應(yīng)用實(shí)例表明，InSAR能夠應(yīng)用于長期緩慢地表形變的監(jiān)測(cè)。它利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息，進(jìn)行地表形變量的提取，其精度已達(dá)到mm級(jí)，且具有前所未有的連續(xù)空間覆蓋、高度自動(dòng)化和高精度監(jiān)測(cè)地表變形能力，為地表變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了全新方法。合成孔徑雷達(dá)影像的每一個(gè)單位像元是接受散射信號(hào)，記錄著每一個(gè)單元的后向散射強(qiáng)度、雷達(dá)天線距離相關(guān)的相位信息。SAR影像進(jìn)行干涉信息處理，從而獲取地表起伏、形變干涉相位條紋，利用InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地表特征精準(zhǔn)匹配，通過特征匹配技術(shù)確定各單元（區(qū)域）的變形情況及位移情況。借助于復(fù)數(shù)影像對(duì)成像時(shí)的幾何關(guān)系及形變的高程點(diǎn)，即可獲得每個(gè)單元的高程變化或形變量。

1.4 滑坡體狀態(tài)反演、滑坡范圍提取、滑坡規(guī)模計(jì)算

InSAR技術(shù)能對(duì)區(qū)域滑坡變形狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，利用滑坡體表面形變和位移及滑坡體周邊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算滑坡體范圍、規(guī)模及滑坡體的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和已有的滑坡歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合貝葉斯理論和隨機(jī)場(chǎng)理論構(gòu)建土體參數(shù)空間變異性的概率反演模型。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

綜上所述，地質(zhì)災(zāi)害智能化監(jiān)測(cè)在社會(huì)發(fā)展中占有十分重要位置，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法跟不上時(shí)代需要。通過開展地質(zhì)災(zāi)害天空地一體化、無人機(jī)快速識(shí)別、臨災(zāi)快速監(jiān)測(cè)、微形變監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究，加強(qiáng)國際國內(nèi)科技交流與合作，為防災(zāi)減災(zāi)提供科技支撐。科學(xué)開展監(jiān)測(cè)預(yù)警，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)有效監(jiān)控，并及時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警預(yù)報(bào)工作，不斷提高地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)精細(xì)化水平，較大程度上減少了人力、物力、財(cái)力等多方面損失。本文基于合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要技術(shù)路線如圖1所示。

對(duì)研究區(qū)已發(fā)生滑坡地災(zāi)隱患點(diǎn)進(jìn)一步繼續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡臺(tái)賬中存在的滑坡點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)未發(fā)生滑坡的地災(zāi)隱患點(diǎn)進(jìn)行提前預(yù)警，從而有效提高地質(zhì)災(zāi)害的時(shí)空預(yù)報(bào)精度，實(shí)現(xiàn)滑坡地質(zhì)災(zāi)害高精度、大范圍的監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高周圍隱患滑坡區(qū)域的排查和治理能力，為我省地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急管理提供可靠的科學(xué)依據(jù)。真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化結(jié)合，具有良好的應(yīng)用前景。

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