應(yīng)用CRInSAR技術(shù)監(jiān)測三峽庫區(qū)滑坡形變＊

涂鵬飛 諶 華 甘衛(wèi)軍

(1)三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室,宜昌 443002 2)中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心國家八六三計劃微波遙感技術(shù)實驗室,北京 100190 3)中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點實驗室,北京 100029)

應(yīng)用CRInSAR技術(shù)監(jiān)測三峽庫區(qū)滑坡形變＊

涂鵬飛1)諶 華2)甘衛(wèi)軍3)

(1)三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室,宜昌 443002 2)中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心國家八六三計劃微波遙感技術(shù)實驗室,北京 100190 3)中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點實驗室,北京 100029)

在對 CR InSAR技術(shù)的基本理論和處理算法及實際應(yīng)用進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,比較 CR InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)InSAR技術(shù)的異同后認(rèn)為,CR InSAR技術(shù)更適合三峽庫區(qū)的滑坡監(jiān)測。

角反射器;合成孔徑雷達(dá)干涉測量;三峽庫區(qū);滑坡監(jiān)測;形變

1 引言

傳統(tǒng) InSAR差分技術(shù)在地震同震場形變提取、火山活動和冰川漂移等目標(biāo)范圍大的形變監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)取得很好的研究成果[1-3],但將其應(yīng)用于目標(biāo)范圍較小的形變監(jiān)測,如山體滑坡、城市局部地表沉降監(jiān)測、礦山開采引起的地面沉降等研究領(lǐng)域時遇到了很多困難,主要原因在于像元尺度較大,在較小的范圍內(nèi)很難形成有效的干涉條紋,如,ERS-1/2和ENV ISAT-1的 SAR數(shù)據(jù)的一個像元對應(yīng)地表范圍是 30 m×30 m,這樣,對于一個范圍僅有幾十米或幾百米的滑坡體,其在干涉圖像中才幾個或幾十個像元,由此很難形成有效的干涉條紋來對其進(jìn)行監(jiān)測。

而近年來的研究熱點角反射器 (CR)+InSAR技術(shù)是在傳統(tǒng) InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,利用角反射器的角反射效應(yīng),將接收到的雷達(dá)波束經(jīng)過幾次反射后,形成很強的回波信號,在所獲得的SAR圖像中形成很亮的星狀亮斑,可以在 SAR圖像上被準(zhǔn)確地識別出來,在重點監(jiān)測目標(biāo)上架設(shè)角反射器用以在 SAR圖像中識別出需要監(jiān)測的目標(biāo)物,同時利用其后向散射特性穩(wěn)定、相干性強的特點提高較長時間間隔的 SAR圖像序列的相干性。目前,國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)開展 CR InSAR技術(shù)的應(yīng)用研究,并在滑坡監(jiān)測、城市局部地表沉降監(jiān)測、礦山開采引起的地面沉降等研究領(lǐng)域取得了一定成果[4-7]。

2 CRInSAR基本理論及處理算法流程

2.1 CR基本概念

角反射器 (CR),特指那些利用導(dǎo)電性能和導(dǎo)磁性能良好、電容率大的金屬材料 (一般選鋁)做成規(guī)則幾何形狀(如二面角或三面角),表面為實體或網(wǎng)狀的一種點狀人工地物目標(biāo)。因為幾何形狀規(guī)則,雷達(dá)散射截面可以精確計算出來,如三面角角反射器的最大雷達(dá)截面(RCS)的計算公式為：

這里,l表示角反射器棱邊邊長,λ是雷達(dá)波波長。從公式(1)知道,最大雷達(dá)截面與雷達(dá)波長成反比,與角反射器尺寸成正比。也就是說,雷達(dá)波頻率越高,角反射器尺寸越大,散射截面越大。相對雷達(dá)圖像分辨率而言,角反射器的回波信號可以被視為一個點散射體[4]:

式中,x表示方位坐標(biāo),t表示斜距時間,R表示衛(wèi)星與目標(biāo)的最小距離,Ls表示合成孔徑,τp表示脈沖寬度,k表示頻率,B表示發(fā)射波波束寬度,D表示天線長,ρr表示斜距向分辨率,ρa表示方位向分辨率。響應(yīng)峰值表達(dá)為[4]:

這里的距離向和方位向都是 sinc函數(shù)形式的。

2.2 CR的設(shè)計與架設(shè)

角反射器的設(shè)計主要根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的要求和實際架設(shè)區(qū)域的情況來確定。實際研究中,可供選擇的星載 SAR數(shù)據(jù)主要為 C波段和L波段。為了保證角反射器在雷達(dá)圖像中能被準(zhǔn)確地識別出來,必須考慮角反射器周圍地物的后向散射特性和角反射器自身的尺寸。一般地面植被背景的散射截面為-5分貝～-10分貝,沒有植被的較粗糙地表的散射截面要略大,但以分貝計一般也是負(fù)的。式 (1)表明,散射截面與材料特性沒有顯式關(guān)系。但電磁波理論表明,材料表面越光滑,材料導(dǎo)電性越好,反射能力越強,反射效率越高,實現(xiàn)最大散射截面的可能性越大。

在架設(shè)過程中,必須保證雷達(dá)波入射方向與角反射器的法線方向重合,這樣,角反射器才會有最大的散射截面,在 SAR圖像中表現(xiàn)出更為明顯的特征。而要保證這一點,必須滿足以下兩個條件：1)根據(jù)所要選取的 SAR數(shù)據(jù)模式,升軌或降軌,來調(diào)整角反射器的底邊方位角,使角反射器的底邊與衛(wèi)星飛行方向平行;2)根據(jù)所要選取的 SAR數(shù)據(jù)的入射角模式(如 ENV ISAT衛(wèi)星的ASAR數(shù)據(jù),其入射角就是可變的,變化范圍為 15°～45°),來調(diào)整角反射器的仰角,使角反射器的法線方向與雷達(dá)波入射方向重合。圖 1給出了衛(wèi)星飛行模式、照射模式和角反射器底邊方位角、仰角的關(guān)系示意圖,這里給出這幾者之間更為精確的數(shù)學(xué)關(guān)系,角反射器底邊方位角β和衛(wèi)星軌道傾角α、角反射器所在緯度ξ的關(guān)系如下[4]:

圖 1 衛(wèi)星飛行模式和角反射器底邊方位角的關(guān)系示意圖 (a)及照射模式和仰角的關(guān)系示意圖 (b)Fig.1 Relation bet ween the satellite flight mode and the azimuth of angular flactor’s bottowside(a)and relation between the shiningmode and angle of elevation(b)

式中,ξ是角反射器安裝地點的緯度,β是角反射器底邊與經(jīng)線方向 (南北向)的夾角。若獲取數(shù)據(jù)是升軌數(shù)據(jù),則 cosα前取正;若是降軌數(shù)據(jù)則取負(fù)。

2.3 處理算法流程

在差分干涉處理中,差分干涉相位φ能夠被寫成如下形式:

這里,φdefo表示地表形變相位,φatmos表示大氣水汽相位,φoffset表示隨機誤差相位,φdem_error表示 DEM殘差相位,φnoise表示由噪聲引起的殘差相位。且假定大氣相位偏差φoffset和大氣影響貢獻(xiàn)值對于整個處理區(qū)域是一個常數(shù)。在將穩(wěn)定區(qū)域的相位值進(jìn)行均值處理后,可以得到φatmos+φoffset的估計值,去除這些選項后:

這里,φnoise代表通用噪聲,這些噪聲可能是由殘余大氣影響而產(chǎn)生的殘余相位。下面將對φatmos_corr_int做進(jìn)一步的分析。從式(5)可以得:

具體算法處理流程見圖 2。

圖2 算法處理流程圖Fig.2 Flowchart of the algorithm

3 應(yīng)用研究

選取 ENV ISAT衛(wèi)星的ASAR數(shù)據(jù)的降軌模式。在設(shè)計角反射器時,綜合材料方面的散射效率的考慮,選擇邊長為 1米的角反射器,這樣,對 C波段的SAR而言,邊長為 1米的角反射器的最大雷達(dá)截面為 31.25分貝,所以角反射器的散射截面比周圍一般地表背景要大很多。為保證對雷達(dá)波的反射效果,角反射器的材料選擇鋁板和鍍鋅鐵皮雙層結(jié)構(gòu)。根據(jù)公式(4),在計算出角反射器的底邊方位角和仰角后,在研究區(qū)域完成了角反射器的架設(shè)工作,并在獲取的 SAR圖像中識別出了角反射器 (圖 3)。與此同時,在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,使用 EV-InSAR處理軟件,得到了時間序列差分干涉紋圖系列和平均后向散射圖等處理結(jié)果(圖 4和圖 5)。但由于目前的 SAR數(shù)據(jù)積累不足,還沒能得到最后的處理報告。

4 結(jié)論與展望

圖 3 在研究試驗區(qū)架設(shè)的角反射器及影像特征Fig.3 Angular flector installed in the experimental field and the image features

圖4 時間序列差分干涉紋圖系列Fig.4 Differential fringe series of time series

通過研究可以看出,CR InSAR技術(shù)在研究目標(biāo)、研究條件和研究方法等方面都有了很大的改變。從研究目標(biāo)來看,CR InSAR監(jiān)測更側(cè)重于尺度范圍小的地表或需要重點監(jiān)測的微量形變目標(biāo)物;從研究條件來看,CR InSAR的限定條件增多：1)必須架設(shè)相當(dāng)數(shù)量的角反射器;2)在監(jiān)測區(qū)域中必須有穩(wěn)定區(qū)域的存在;3)需要大量的 SAR數(shù)據(jù)(至少 15景以上)。從研究方法來看,CR InSAR處理中所關(guān)注的誤差因素比傳統(tǒng)的 InSAR技術(shù)多,不僅要考慮DEM的誤差、隨機誤差,更要去除大氣的影響,這樣才能監(jiān)測到重點目標(biāo)上的微量形變。

通過比較知道,CR InSAR技術(shù)非常適合三峽庫區(qū)的滑坡監(jiān)測研究,期待在不久的將來,能夠?qū)R InSAR技術(shù)實用化、工程化,為三峽庫區(qū)的滑坡監(jiān)測及防治工作做出貢獻(xiàn)。

圖5 平均后向散射圖Fig.5 I mage ofmean backward scattering

1 Massonet D et al.The displacement field of the Landers earthquake Mapped by Radar Interferometry[J].Nature, 1993,364：138-142.

2 MassonnetD,Briol P andArnaud A.Deflation ofMount Etna monitored by spaceborne radar interferometry[J].Nature,1995,375：567-570.

3 Fuji wara S,et al.Crustal deformation measurements using repeat-pass JERS-1 synthetic aperture radar interferometry near Izu peninsula.Japan[J].J.Geophys.Res.1998,103 (B2)：2 411-2 426.

4 Xia Y,Kaufmann H and Guo X F.Differential SAR interferometry using corner reflectors[A].IGARSS[C].2002,Toronto Canada,24-28 June 2002,1 243-1 246.

5 Ludger Timmen,et al.Monitoring of s mallmotions in mining areas by SAR interferometry[S].FR I NGE 96.1996.

6 Linlin Ge,et al.Quantitative subsidence monitoring：The integrated InSAR,GPS and GIS approach[A].The 6th International Symposium on SatelliteNavigation Technology Including Mobile Positioningamp;Location Serivces[C].Melbourne,Australia,22-25 July 2003.

7 薛懷平,等.三峽庫區(qū)秭歸 GPS-CR滑坡監(jiān)測網(wǎng)的建立[J].大地測量與地球動力學(xué),2006,(增刊)：178-180, 184.

APPL ICATION OF CRInSAR INMONITORING LANDSL IDE DEFORMATION IN THREE GORGES RESERVO IR AREA

Tu Pengfei1),Chen Hua2)and GanWeijun3)

(1)Key Laboratory of Geological Hazards in Three Gores ReservoirA rea,China Three Gorges University, M inistry of Education,Yichang 443002 2)Center for Space Scienceamp;Applied Research,Chinese Academ yof Sciences,N ationalM icrowave Rem ote Sensing Lab.,Beijing 100190 3)State Key Laboratory of Earthquake Dynam ics,Institute of Geology,CEA,B eijing 100029)

A certain research on the basic theory,processing algorithm and practical application of CR InSAR is made.Having compared the difference between conventional InSAR and CR InSAR,the feasibility of applying CR In-SAR formonitoring the landslides in Three gorges reservoir region is discussed.

Corner Reflectors(CR);InSAR;Three Gorges reservoir region;landslide monitoring;deformation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0126-04

2010-05-10

湖北省自然科學(xué)基金重點項目(2008CDA096);中國地震局地震行業(yè)科研專項(20070813)

涂鵬飛,男,1965年生,碩士,高級工程師,主要從事地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報的科研與教學(xué)工作.E-mail：tupengfei2000@163.com

PTU198+.2

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