基于Matlab的地基SAR數(shù)據(jù)后處理

馬金玉 黃夢玲

1.信陽市江淮水利水電工程建設監(jiān)理站 河南 信陽 464000；

2.信陽市水利勘測設計院 河南 信陽 464000

引言

近年來，隨著星載InSAR技術(shù)的逐步發(fā)展與完善，雷達干涉測量技術(shù)由高空逐步延伸至陸地，形成了一項新的地表形變監(jiān)測技術(shù)。相較于星載InSAR，地基SAR雖然不能夠提供更大范圍的區(qū)域形變監(jiān)測，但分別在采集頻率、監(jiān)測周期、觀測視角及觀測精度等方面提供了更多的可行性[1-2]。地基SAR是一種基于雷達的地面遙感成像系統(tǒng)，它由一個發(fā)射和接收微波脈沖的雷達傳感器組成，當傳感器沿固定軌道重復移動時便可利用合成孔徑雷達技術(shù)實現(xiàn)成像能力[3]。導軌的長度決定了采集圖像的方位分辨率，導軌越長方位向分辨率越高。通過使用干涉測量技術(shù)，可以利用相位測量來獲得觀測場景的形變和地形信息。地基SAR干涉測量技術(shù)主要應用于變形監(jiān)測，它對微小變形的高靈敏度、全天候、遠距離測量（長達數(shù)公里）和大范圍成像能力都是地基SAR系統(tǒng)與其他現(xiàn)有地表變形測量技術(shù)互補的特征。自第一篇關(guān)于地基SAR用于變形監(jiān)測的論文以來，該技術(shù)在各項變形監(jiān)測領(lǐng)域逐步得到擴展，按應用類型和監(jiān)測類型可分為C-GBSAR（連續(xù)地基SAR）或D-GBSAR（非連續(xù)地基SAR）兩大類應用系統(tǒng)。在露天礦中應用最廣泛的是C-GBSAR邊坡監(jiān)測，并在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理層面都經(jīng)歷了強勁的發(fā)展，提供了一種可操作的早期預警工具[4]，每隔幾分鐘測量數(shù)千個點并檢測小的局部變化能力是該應用的基礎(chǔ)。監(jiān)測不同現(xiàn)象的失穩(wěn)邊坡，如巖滑[5]、滑坡[6]和火山[7]是地基SAR的另一個主要應用。地基SAR的其他重要應用包括城市監(jiān)測[8]、結(jié)構(gòu)監(jiān)測[9]、大壩監(jiān)測[10]和堤防監(jiān)測[11]等方面。除了高時空采樣能力外，地基SAR在城市和結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面的一個主要優(yōu)勢是能夠遠程探測小位移。在城市和結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，地基SAR數(shù)據(jù)的優(yōu)化利用需要對實測點進行精確的地理編碼。地基SAR也提供了一種可靠的工具來測量在遠距離和高分辨率下發(fā)生在冰川體內(nèi)的相對位移[12]。本文以地基SAR施工地鐵邊坡監(jiān)測工程應用為例，采用地基SAR數(shù)據(jù)處理軟件與Matlab軟件相結(jié)合的方法削弱雷達信號受擾的影響，并結(jié)合高精度全站儀觀測結(jié)果對地基SAR監(jiān)測精度與邊坡狀況進行了分析。

1 邊坡變形監(jiān)測

1.1 數(shù)據(jù)預處理

本次地鐵邊坡監(jiān)測同步采集了地基SAR與高精度全站儀數(shù)據(jù)，地基SAR與全站儀的采集頻率分別設置為10min與2h，觀測時常為36h，并分別獲取216景地基SAR影像與19組同名點全站儀位移數(shù)據(jù)。通過SAR影像的聚焦、干涉處理、相干像素選擇、相位噪聲濾波、相位解纏及大氣效應改正等一系列SAR處理便得到圖1所示的邊坡整體LOS向（雷達視線向）累計位移圖。其中，T1～T4為布設在邊坡表面的角反射器，在增加場景反射強度與減少失相干的同時也提供了兩套測量方案的同名觀測點。可以看出在雷達視角范圍內(nèi)的水泥邊坡具有較強的反射強度，整體位移圖直觀地反映了邊坡各區(qū)域的位移情況，有遠離也有靠近雷達的形變發(fā)生，總的范圍在（-16mm，16mm）區(qū)間。

圖1 邊坡累計位移圖

為具體分析邊坡在監(jiān)測期間的變化趨勢與變化量，提取了角反射器形變時間序列曲線，如圖2所示。可以看出，在數(shù)據(jù)采集至80～130區(qū)間形變曲線發(fā)生了不規(guī)則的大幅度上下震蕩，這也是圖1中整體累計位移產(chǎn)生不規(guī)則形變的原因。據(jù)監(jiān)測記錄可知，該時段為雷達前方施工所致，車流與行人對于雷達信號的長期間斷遮擋導致回波信號異常。為了能夠得到真實的邊坡形變信息，需要將這些干擾信號進行剔除。

圖2 角反射器LOS向形變時間序列

1.2 Matlab后處理

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及圖2角反射器形變時間序列圖，可知由遮擋所引入的偽回波信號與真實的形變信號相比具有較大的幅值，其對應的形變值也即可判定為離群值。所以，通過Matlab濾波的方法對PS點形變時間序列進行離群值消除，進而削弱偽信號對于邊坡真實形變的干擾。為此，本文采用了一種適用于離群值檢測的穩(wěn)健的Lowess方法，通過設置合理的平滑窗口對角反射器形變時間序列進行了濾波處理，結(jié)果如圖3所示。通過濾波消除了大幅值的干擾信號，濾波后的形變曲線較好地貼合了邊坡波動的整體趨勢，并將監(jiān)測精度控制在了（-1mm，1mm）內(nèi)，很好地解決了偽回波信號的影響，得到了真實的邊坡形變信息。

圖3 濾波后的角反射器LOS向形變時間序列

1.3 監(jiān)測結(jié)果對比分析

為驗證地基SAR邊坡監(jiān)測的精度及穩(wěn)健的Lowess濾波方法的有效性，根據(jù)施工坐標系與雷達坐標系間的關(guān)系將同名點同時段的全站儀測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到雷達視線向，并與相應的地基SAR測量結(jié)果進行對比分析，如圖4所示。因儀器固有精度（地基SAR距離向測量精度：0.1mm；全站儀測距精度：1mm+1.5x10-6D/2.4s）、邊坡的實際運動情況及坐標轉(zhuǎn)換的精度影響，全站儀數(shù)據(jù)更適合作為判定邊坡在此期間是否具有較大明顯趨勢的形變發(fā)生。由角反射器全站儀測量數(shù)據(jù)可知，在觀測期間邊坡并沒有具有趨勢的明顯位移，且隨著時間的推移全站儀測量誤差也在隨之增加。相較而言，地基SAR在整個觀測過程中則保持了高精度的連續(xù)觀測，能夠更直觀和精確地反應邊坡在各時段的變化過程及變化趨勢，更適合連續(xù)的大面積高精度變形監(jiān)測。

圖4 地基SAR與全站儀同名點形變時間序列對比圖

2 結(jié)束語

本文利用地基SAR干涉測量技術(shù)對施工地鐵邊坡進行監(jiān)測，以研究地鐵施工對于護砌邊坡穩(wěn)定性的影響。在此過程中，因施工作業(yè)干擾而引入了偽回波信號。為削弱偽信號誤差的影響并保留地基SAR監(jiān)測結(jié)果的連續(xù)性，本文采用了基于Matlab軟件穩(wěn)健的Lowess方法對地基SAR形變信號離群值進行濾波處理，并將處理后的結(jié)果與同時期精密全站儀數(shù)據(jù)進行對比分析。結(jié)果表明：基于Matlab的地基SAR后處理方法很好地削弱了偽回波信號所引入的錯誤形變信號，且地基SAR在大面積連續(xù)變形監(jiān)測方面的性能明顯優(yōu)于高精度全站儀。