時序地基SAR子影像集監測地震滑坡災害研究

鄒進貴，李 琴，2，朱勇超，王 鵬，張士勇

(1．武漢大學測繪學院，湖北 武漢420079;2．遼寧省交通高等專科學校，遼寧 沈陽110122;3．蘇州科技學院，江蘇 蘇州215009)

一、引 言

我國是一個多山的國家，山地、丘陵和比較崎嶇的高原占全國總面積的2/3，地震災害給國家建設和人民生命財產造成嚴重損失，其引發的次生山體滑坡災害也不容小覷。常規的滑坡災害監測方法通常是GNSS測量、水準測量、位移計、應力計等。地基SAR技術是在星載SAR技術的基礎上發展起來的，它將合成孔徑雷達在地面設站進行測量，具有監測范圍大、空間分辨率高、精度高等優勢。

星載SAR中，為克服地表散射特性的變化導致的去相干以及大氣條件變化引入的觀測噪聲，Ferretti等人提出永久散射體技術(PSInSAR)，基于PS點的時序星載SAR技術在地表形變監測中得到較為廣泛的應用。但是地基SAR設備與星載SAR傳感器無論是在雷達影像成像的算法和空間幾何關系、系統工作模式還是在獲取的雷達影像本身特征方面均存在較大差異，因此時序星載SAR技術實際上不能直接用于地基SAR影像序列的分析與處理。地基SAR將短時間內(數個小時的時長，與實際變形速率有關)采集到的影像序列看作一個子影像集，那么在長時間周期的變形監測中便可以獲取一系列類似的子影像集，通過分析各子影像集內部連續影像信號強度與觀測相位的變化規律，可削弱氣象擾動和噪聲影響。本文將星載SAR影像基于PS點的時序方法引入地基SAR中，利用子影像集研究時序地基SAR影像監測地震后滑坡災害。

二、時序地基SAR監測形變算法

本文采用時序地基SAR子影像集的方法，首先獲取子影像集，然后用平均熱性噪比(TSNR)和平均相關系數雙閾值提取PS候選點，接著用振幅離差閾值法(ADI)進一步篩選PS點，最后用PS相干目標點沉降模型進行沉降分析。

1．平均影像集的獲取

通過分析各子集之間干涉相位的關聯性，對長時間地表形變進行估計和提取。子集內的影像的觀測相位和信號強度通常都具有較高的質量和穩定性。每一個子影像集合成一景影像是較為高效的處理方法，為提高該合成影像的信噪比可以采用類似干涉相位疊加方法。

在利用子影像集內觀測相位序列進行平均計算之前需要進行相位解纏。首先在子影像集內部選擇一景影像作為主影像，其他作為從影像均與主影像進行干涉計算。如果相位變化較為緩慢，可以直接對各PS候選點進行時域一維相位解纏而不必進行二維空間上的相位解纏。在對逐點完成相位解纏處理，計算鄰域相差以剔除部分孤立的變形異常點目標。進而按照公式計算各PS候選點目標的平均相位。

式中，Nm為子影像集中GB-SAR影像總數;fm1和fmn分別是子影像集中選作主影像的首影像和第n景從影像;con j()為取復數的共軛;W－1()為相位解纏算子;∠()為相位提取操作。最后結合平均相位和平均信號強度，將子影像集融合為一景平均復影像圖。

2．相干點目標的提取

星載SAR時序分析技術穩定點目標的選取，應用較為廣泛的有以下幾種基本方法:振幅離差閾值法(ADI)、相干系數閾值法和相位離差閾值法。在地面氣象參數不斷變化的條件下，地基SAR的所謂穩定點目標只能再相對較短的時間內保持穩定，在長時間序列下受周期波動變化的氣象擾動影響較為嚴重。而由于波束寬度和輻射幾何視場的差異，不同于星載SAR影像，地基SAR影像中存在大量虛假型號。如圖1所示，邊緣部分區域實際上沒有任何反射目標，但在原始影像數據中仍然形成了微弱的信號值。虛假信號的時序解纏相位序列同樣具有一定的穩定性和較低的ADI數值。因此，地基SAR PS點的選取，應采用多種閾值方法綜合的手段，以達到可靠性和提取更多PS點的目的。

圖1 熱信噪比圖

地基SAR的熱性噪比(TSNR)由信號強度數據直接計算得來。TSNR圖能夠直觀顯示能量的相對強弱，強度圖則反映了信號的真實強度信息，即影像序列的TSNR平均值為

式中，i、j分別對應GB-SAR影像像元的行序號和列序號;N對應參與PS點提取的SAR影像個數;TSNRave，i，j為像元(i，j)處的平均熱信噪比。對TSNR設定一定的閾值，計算分析虛假信號的去除效果并進行調整，以達到去除大部分虛假信號以及部分低SNR像元的目的，即

按照式(3)計算影像序列平均相關系數，同樣分析相關系數的分布情況并合理設定閾值，完成PS候選點的預選工作。

為確保目標像元變化的穩定性，同時應用ADI閾值方法對PS候選點作進一步地分析和剔除。影像的振幅離差或振幅離散指數(amplitude dispersion index，ADI)可表示為

式中，σA、mA分別對應影像時序集像素點振幅值A的標準差和均值。ADI閾值設置地較為苛刻，才能將虛假信號去除徹底，但同時提取的點目標勢必大量減少。對于地基SAR連續變形監測影像序列，能夠在長時間內依然保持穩定的點目標是非常少的，相應的，長時間序列下各像元的ADI數值實際上偏低，因此該步驟一般設定較為寬松的閾值。

3．沉降模型的建立

相比于星載SAR，地基SAR的監測空間基線為零，因此它不會有平地效應和地形效應的影響。它的干涉相位模型如下

對應的差分干涉模型為

地基SAR監測的形變中既包括線性變化的形變，也包括非線性變化的形變，因此差分干涉模型可線性表示為

式中，k1=－4π/λ;T為時間間隔;φnonlinear為非線性形變;φres為殘余相位，包括氣象擾動和噪聲引起的相位變化。

為了估計出平均影像序列的形變速率，要先建立PS點網，對網中的各PS網邊進行干涉處理，在空間上各網邊之間形成穩定的空間圖形，在時間上用模型進行擬合。對于PS網邊的兩個端點m、n，其差分干涉相位為

PS點之間的相差關系，類似于觀測了PS邊上兩點的幾何參數，類似水準點高差或GPS基線。每條有效的PS邊相當于一條觀測邊，先對這些網邊進行回歸分析，再由其幾何關系進行間接平差。平差過程中的觀測量為相鄰PS點之間的變形速率差，根據它可以建立平差模型。設vm為PS點m的變形速率，vn為PS點n的變形速率，根據m和n之間的速率差函數模型可以得到變形速率差Δvm，n

利用GAMMA公司的IPTA(interferometric point target analysis)回歸分析的思想，用回歸分析法得到它的估值，然后列出誤差方程

式中，rv為相鄰PS點變形速率差的殘差值。建立觀測方程組有

式中，B為系數矩陣;L為觀測值;X為PS點的待估線性變形速率;R為殘差。

可根據線性速率差初始估值的中誤差確定各PS網邊的先驗權，即

利用間接平差可計算出X的加權最小二乘解

三、試驗與分析

為了探討時序地基SAR子影像集技術在地質災害滑坡監測的可行性，對云南地震后魯甸山體滑坡進行地基SAR監測工作。

1．研究區域及地基SAR影像數據

受云南昭通魯甸8．03地震影響，在地震中心魯甸縣龍頭山鎮南偏東8．2 km處的牛欄江干流上，北岸山體大規模塌方形成堰塞湖。裸露新巖體與底部基巖帶一致，整體處于穩定狀態。但由于北岸裸露新巖體與邊界層氣象環境之間的相互作用，局部小范圍的裂縫、巖體仍然處于較為活躍的狀態。

采用地基SAR系統IBIS-L進行數據采集工作。外業影像數據采集利用自帶的控制軟件IBIS-L Controller進行。影像采集預設探測距離1300 m，地基SAR一景影像采集時長50 s，傳感器滯留時間6 s，數據采集起始時間2014-09-15T 19:18:49，數據采集總時長7天11小時40分7秒。

2．數據處理與分析

監測區域所處的邊界層氣象變化較為復雜，特別是濕度變化對影像觀測相位的影響非常劇烈。因此，項目中選取局部時段上的高質量連續監測影像序列，求取平均影像圖。

首先在熱信噪比圖中按照數值高低選擇多個點目標，分析其鄰域干涉相位的變化規律。氣象變化劇烈的，各點干涉相位的一致性降低，波動變化相應地也會變劇烈，基于這一特點利用多點鄰域干涉相位篩選部分高質量的連續影像序列，如圖2—圖3所示，分析多個點的變化規律，進行高質量連續影像的選取，用于生成子影像集。

圖2 9．15高質量觀測時段與氣象擾動過大的時段

17號凌晨開始持續降雨，連續多日的陰雨濃霧天氣對雷達信號的干擾是非常劇烈的，部分時段的影像以及影像中的局部區域的觀測相位受到破壞性的影響，無法利用其計算形變相位。但在氣象變化稍微平緩的局部時間段內，仍然能夠選擇出連續多景質量較高的GB-SAR影像圖。

共計選取了6個時段的高質量連續監測影像序列，見表1。為保證在各子影像集內部點目標選擇的可靠性，需盡量保證子影像集中能夠有15景以上的連續觀測影像。

表1 子影像集選擇

利用多個平均影像圖的DInSAR方法提取長時間跨度影像之間的形變。平均熱信噪比閾值設置為15 dB，振幅離差閾值設定為0．20，空間相關系數設定為0．70，最終結合6個子影像集，選取9108個相干點目標。

選定4個干涉對，利用時序DInSAR技術分析探測局部形變。主影像和從影像的選定見表2。

表2 子影像集平均影像干涉對

基于所選相干點目標構建Delaunay三角網，用于在空間上聯系干涉相位。在實際計算中也可以去除長邊，以減少由于距離過長引起的干涉相位精度降低的情況。

利用時序地基SAR技術，計算滑坡體形變值，計算結果如圖4—圖9所示。

d15到d16天氣晴好，由于時間跨度較短(1d左右)，觀測相位受氣象擾動影響相對較低，因此解纏結果的可靠性相應地較高。從變形計算結果可以看出雷達影像中存在較為明顯的變形。

d16到d18結果中也能夠較為明顯地看出中部有形變發生。后續的d18到d19、d19到d20也同樣，局部的突發性崩塌變化在干涉形變圖中都有所體現。

在此時間段，雷達中心點附近出現多次巖體形成大量碎石滑落至堰塞體北岸底部區域，圖9顯示中間一次較為明顯的巖體崩塌垮落，監測結與實際情況正好吻合。

圖4 PS點構網圖

圖5 變形計算結果－d16＆d15(單位:mm)

圖6 變形計算結果－d18＆d16

圖7 變形計算結果－d19＆d18

圖8 變形計算結果－d20＆d19

圖9 北岸邊坡局部巖體崩塌垮落

四、結論與建議

地基SAR作為一種新型的監測手段，用于地質災害滑坡監測是可行的，可以滿足滑坡變化的監測工作。由于地基SAR具有連續全面的實時監測且不受惡劣的天氣氣候的影響，在滑坡的監測中，可作為一種高效、被廣泛運用的手段。另外，采用地基SAR進行滑坡監測，還可以將獲得的滑坡監測數據結果與三維點云激光數據模型進行融合，獲得可視化的滑坡監測成果，這有利于滑坡監測的數據成果的直觀化展現，有利于政府部門根據此監測成果做出相應的決策。

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