D—InSAR技術(shù)在地表變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張英俊

【摘 要】傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測(cè)技術(shù)如GPS、水準(zhǔn)測(cè)量等，存在監(jiān)測(cè)范圍小、費(fèi)用高和僅能獲取點(diǎn)目標(biāo)形變信息的局限性。D-InSAR技術(shù)具有全天時(shí)、全天候，能夠獲得面式數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。本文選取龍灘水電站附近36KM2的范圍為主研究區(qū)域，以Radarsat-2為數(shù)據(jù)源，采用GAMMA軟件對(duì)該地區(qū)5景數(shù)據(jù)進(jìn)行了完整的差分干涉處理，提取變化量并對(duì)地表變形趨勢(shì)作出了分析，得出了幾處主要形變區(qū)域在時(shí)間上和空間上的形變趨勢(shì)，對(duì)庫(kù)區(qū)的安全監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】D-InSAR；變形監(jiān)測(cè)；相位解纏

0 引言

變形在自然界中是普遍存在的，它是指變形體在各種載荷作用下，在時(shí)間上和空間上大小、形狀及其位置的變化。自然界的變形危害非常普遍，如地震、地表沉陷、滑坡、巖崩、潰壩橋梁與建筑物的倒塌等。它不僅嚴(yán)重破壞了自然環(huán)境和資源，而且對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。近幾年，人類活動(dòng)空間不斷擴(kuò)大，大型交通、水利及資源開(kāi)發(fā)工程項(xiàng)目大量實(shí)施，致使地表變形發(fā)生的頻率變得越來(lái)越高，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，必須要引起警惕。

龍灘水電站工程的施工建設(shè)期間以及蓄水運(yùn)行以后，壩址基坑和庫(kù)區(qū)邊坡等都曾發(fā)生過(guò)巨大的變形，造成了嚴(yán)重危害，其穩(wěn)定性是大壩及水庫(kù)設(shè)計(jì)和建設(shè)的潛在問(wèn)題之一，也是必須要考慮的重要方面。

1 地表變形常用監(jiān)測(cè)方法及其局限性

常用的地表變形監(jiān)測(cè)方法有很多種，主要包括高精度地面監(jiān)測(cè)技術(shù)、GPS監(jiān)測(cè)法及攝影測(cè)量方法等。下面對(duì)幾種重要的監(jiān)測(cè)方法作簡(jiǎn)單的介紹：

1.1 GPS監(jiān)測(cè)法

GPS可以進(jìn)行全天時(shí)全天候的監(jiān)測(cè)，不受氣候條件的影響，而且具有定位精度高、速度快、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但它也有缺點(diǎn)：有比較嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)，衛(wèi)星信號(hào)在復(fù)雜地區(qū)比較容易被遮擋，這些一定程度上影響測(cè)量的精度。

1.2 大地精密測(cè)量法

該方法是指采用高精度光電和光學(xué)測(cè)量?jī)x器，如全站儀、精密水準(zhǔn)儀等儀器，通過(guò)測(cè)量角度、邊長(zhǎng)和高程的變化來(lái)完成變形監(jiān)測(cè)任務(wù)。大地精密測(cè)量法是目前變形監(jiān)測(cè)的主要手段，具有如下優(yōu)點(diǎn)：能夠有效確定邊坡地表變形的范圍；能夠觀測(cè)到邊坡體的絕對(duì)位移量，靈活性大，精度高。缺點(diǎn)是地形和氣象條件對(duì)它的實(shí)施有很大的限制，而且周期長(zhǎng)，進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的能力較差，其工作量也比較大。

1.3 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)它不需要接觸物體，白天和夜間都不影響外業(yè)工作，監(jiān)測(cè)速度快，測(cè)量精度高，能夠很好的反映坡體的總體變形趨勢(shì)。其缺點(diǎn)是，儀器價(jià)格非常昂貴，在山區(qū)儀器攜帶不太方便，測(cè)站需要有穩(wěn)定的架設(shè)場(chǎng)所，由于受到掃描距離的限制，必須要保證目標(biāo)和儀器之間沒(méi)有大的障礙。

1.4 光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)法

利用遙感技術(shù)，不直接接觸地面目標(biāo)，根據(jù)其與電磁波的相互作用，收集其信息并且對(duì)其進(jìn)行識(shí)別分類、判讀和分析，最終得到其變形信息。缺點(diǎn)是不能夠精確的提供地表變形動(dòng)態(tài)信息，只是提供了宏觀的定性或者說(shuō)是半定量的成果。

2 InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表變形的優(yōu)勢(shì)

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）是近幾年來(lái)國(guó)際遙感界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，能以獲得某一地區(qū)厘米量級(jí)甚至更小尺度連續(xù)的地表形變信息，它們?cè)诘匦沃茍D、土地利用分類、速度場(chǎng)探測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)以及地表形變監(jiān)測(cè)等方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景，具體優(yōu)勢(shì)介紹如下：

2.1 全天時(shí)，全天候

因合成孔徑雷達(dá)（SAR）是主動(dòng)式遙感，容易產(chǎn)生在時(shí)間序列上不缺失的雷達(dá)遙感圖像。

2.2 精度高

D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表微小形變的精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至更小尺度的量級(jí)。

2.3 時(shí)效性

隨著高精度衛(wèi)星星座的運(yùn)營(yíng)，衛(wèi)星之間的重訪間隔可以達(dá)到20秒，完全能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)持續(xù)較慢地表變形活動(dòng)的連續(xù)捕獲。

2.4 高空間分辨率

與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法得到的單點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果不同，SAR可以得到研究區(qū)域連續(xù)的面式地表形變信息。

2.5 大面積覆蓋，成本相對(duì)低廉。與其他傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比整體成本較低。

3 三軌法D-INSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程

D-InSAR技術(shù)原理是利用至少三次拍攝影像構(gòu)成兩個(gè)像對(duì)，對(duì)這兩個(gè)像對(duì)進(jìn)行干涉處理而得到兩幅干涉條紋圖。對(duì)干涉圖進(jìn)行二次差分處理，用來(lái)消除因地形起伏以及雷達(dá)成像的幾何而形成的相位差，則剩余的相位差即是在成像期間地表發(fā)生的變化所引起的。

三軌差分干涉需要三幅SAR圖像，將其中一幅圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)作為參考坐標(biāo)系，那么在參考圖像和另外兩幅圖像之間將形成兩幅干涉圖。選擇相同圖像作為參考影像確保了生成的干涉產(chǎn)品都具有相同的坐標(biāo)系，而不需要進(jìn)行額外的配準(zhǔn)和重采樣。三軌差分干涉只有一幅干涉圖包含了差分干涉的相位信息，另外一幅是作為參考消除由于地形所引起的相位變化，在精度和實(shí)效上要優(yōu)于二軌，其基本流程如圖1所示。

1）對(duì)選取的SLC數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的配準(zhǔn)。SLC數(shù)據(jù)即包括相位信息又包括強(qiáng)度信息，強(qiáng)度信息用于配準(zhǔn)，對(duì)相位信息進(jìn)行處理就可以得到形變值。

2）主圖像與第二幅圖像經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后，經(jīng)干涉處理形成干涉像對(duì)1，然后復(fù)共軛相乘從而獲得干涉條紋圖。

3）干涉條紋圖中常常包含有噪聲干擾，而且平坦地表因沒(méi)有高程的變化，也會(huì)產(chǎn)生線性變化的干涉相位，稱之為平地效應(yīng)。平地效應(yīng)使干涉相位圖呈現(xiàn)為密集相見(jiàn)的條紋，一定程度上掩蓋了地形變化引起的干涉條紋變化。因此干涉條紋圖需要首先去除平地效應(yīng)，最后再把去平地效應(yīng)的干涉圖進(jìn)行濾波處理。

4）對(duì)去平地效應(yīng)和濾波后的干涉條紋圖進(jìn)行相位解纏。主圖像與第三幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)干涉處理形成的干涉像對(duì)2，再去除平地效應(yīng)，進(jìn)行濾波處理。

5）對(duì)解纏后得到的兩幅干涉條紋圖作差分處理，此時(shí)得到的結(jié)果是斜距坐標(biāo)，最后需經(jīng)過(guò)地理編碼轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系下的地表形變圖。

4 三軌法D-InSAR技術(shù)在龍灘水電站地表變形中的應(yīng)用

4.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)介紹

研究區(qū)域處于龍灘水電站附近，采用的是Radarsat-2數(shù)據(jù)，綜合考慮雨季時(shí)間段，斜坡的傾斜角，分辨率，滑坡的朝向等因素，所選用數(shù)據(jù)是超精細(xì)HH極化產(chǎn)品模式、分辨率是3m、幅寬是6*6 km的降軌數(shù)據(jù) ，入射角為39.57°。

4.2 數(shù)據(jù)處理實(shí)例

采用三軌法對(duì)Radarsat-2數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，影像1與影像2以影像1為參考形成干涉像對(duì)1，只包含地形信息，分別與影像3、4、5形成干涉像對(duì)2，包含了形變信息。

4.3 差分干涉圖的形成

①圖像配準(zhǔn)：利用上述影像，進(jìn)行圖像配置流程如下：生成偏移值文件→偏移量的初始估計(jì)→生成精密偏差估計(jì)多項(xiàng)式→生成偏移多項(xiàng)式；最終配準(zhǔn)誤差為：距離向0.0847個(gè)像元 方位向0.0118個(gè)像元，配準(zhǔn)誤差小于0.1個(gè)像元，符合標(biāo)準(zhǔn)。

②生成干涉圖：利用GAMMA軟件生成干涉圖效果如圖3。

③去除平地效應(yīng)，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算相干性→干涉圖濾波，獲得去平后的干涉圖3。

④相位解纏。利用GAMMA軟件，完成解纏掩膜的生成、自適應(yīng)降低掩膜的采樣、加權(quán)內(nèi)插填補(bǔ)解纏后圖像的缺口，用內(nèi)插后的解纏相位為模板解纏初始干涉圖3。

⑤差分干涉圖的生成：生成用于差分干涉的參數(shù)文件，然后相位轉(zhuǎn)換為形變圖。

4.4 變形區(qū)域的識(shí)別

在處理的過(guò)程中，很多環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致獲得的SAR數(shù)據(jù)及生成的干涉圖產(chǎn)生偏差，從而影響分析結(jié)果。為了盡可能的去除誤差引起的錯(cuò)誤值，把研究區(qū)域內(nèi)的處理結(jié)果根據(jù)相關(guān)系數(shù)的高低，位移值的大小等因素進(jìn)行一定的過(guò)濾處理。本文選用了8月17日和10月25日的兩期數(shù)據(jù)來(lái)分析研究區(qū)域的形變情況，對(duì)比光學(xué)影像，找到變形的區(qū)域，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查確定可信的變形區(qū)域，對(duì)變形作出分析。

區(qū)域1部分發(fā)生了沉降，并且形變比較明顯，呈現(xiàn)出一種時(shí)間上變化的連續(xù)性，而且變化的數(shù)值和范圍逐步變大。從空間上看，監(jiān)測(cè)結(jié)果中一直呈面狀分布，說(shuō)明該處處于整體滑動(dòng)狀態(tài)，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證此處為一處于活動(dòng)狀態(tài)的古堆積體。區(qū)域2部分發(fā)生抬升，其在雨季的變動(dòng)量較大，在此區(qū)域的上面可能發(fā)生了滑坡，松散土層、碎石土、風(fēng)化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生變形面下滑，這些土、巖下滑到此區(qū)域，導(dǎo)致出現(xiàn)地面抬升的現(xiàn)象。此移動(dòng)區(qū)域離壩址較遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)產(chǎn)生太大影響。

5 問(wèn)題及其展望

D-InSAR處理過(guò)程中受到時(shí)間失相干、空間失相干和大氣影響等各種誤差的制約，雖本文在處理過(guò)程中結(jié)合了可信區(qū)域分析和過(guò)濾處理，這些處理能較好的減少一些無(wú)效的監(jiān)測(cè)值，但最后提取出變動(dòng)區(qū)域的形變值還包括大氣效應(yīng)等引起的誤差值。這對(duì)區(qū)域地表位移的動(dòng)態(tài)識(shí)別并不產(chǎn)生影響，卻會(huì)影響監(jiān)測(cè)位移值的精度。

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[責(zé)任編輯：曹明明]