GB-InSAR技術及其形變監測

龍四春，陳鵬琦，袁　英，蔣宗立，伍夢清

(1. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南

科技大學能源學院，湖南 湘潭 411201)

LONG Sichun,CHEN Pengqi,YUAN Ying,JIANG Zongli,WU Mengqing

GB-InSAR技術及其形變監測

龍四春1,2，陳鵬琦2，袁英2，蔣宗立1，伍夢清2

(1. 湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南

科技大學能源學院，湖南 湘潭 411201)

Ground-based Synthetic Aperture Radar Interferometry and Its Deformation Monitoring

LONG Sichun,CHEN Pengqi,YUAN Ying,JIANG Zongli,WU Mengqing

摘要：地基InSAR(GB-InSAR)是最近10年發展起來的一種相對較新的形變監測技術。本文闡述了GB-InSAR技術的國內外研究現狀、基于GB-InSAR技術的IBIS-L系統，以及GB-InSAR的基本原理、數據處理流程和關鍵技術，提出了GB-InSAR技術存在的主要問題及今后的發展方向。

引文格式： 龍四春，陳鵬琦，袁英,等. GB-InSAR技術及其形變監測[J].測繪通報，2015(9)：1-5.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0265

關鍵詞：GB-InSAR；形變監測；干涉測量；IBIS-L系統

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0001-05

收稿日期：2014-10-08

基金項目：國家自然科學基金(41474014；41004002)；大地測量與地球動力學國家重點實驗室基金(SKLGED2014-5-3-E)；桂科能基金(1207115-21)；煤炭資源與環保湖南省重點實驗室基金(E21221)

作者簡介：龍四春(1975—)，男，博士，副教授，主要研究方向為大地測量與形變監測。E-mail: sclong@hnust.edu.cn

一、GB-InSAR的國內外研究現狀

GB-SAR是最近10年受到特別關注的又一種有效形變測量方法，其測量原理與星載SAR的基本相同[1]，但是它可以提供時間間隔更短(約幾分鐘)的圖像，能夠克服星載SAR獲取數據的很多局限，且具有更好的空間分辨率。地基SAR還具有設站與觀測姿態靈活的特點，可以實現對觀測區的全面多方位監測，獲取任意視線方向的形變，真正實現零基線觀測，消除基線誤差影響[2-4]，其整個操作過程和數據后期處理簡便，是星載SAR和常規大地測量監測手段的有效補充，是對局部區域形變進行監測的一種新技術手段。

地基SAR技術基于微波探測主動成像方式獲取監測區域二維影像，通過合成孔徑和步進頻率技術實現雷達影像方位向和距離向的高空間分辨率觀測，通過干涉技術可實現毫米級的微變形監測。相對于其他測量方法，如全站儀或地面激光掃描儀(terrestrial laser scanner,TLS)等，GB-SAR具有對滑坡體等進行連續觀測的特性[5-6]。在地基SAR應用方面，意大利Tarchi D等最早提出采用地基InSAR監測建筑形變，并于2003年利用GB-SAR在連續模式下對意大利的Tessina滑坡進行了監測，并將其測量結果與傳統光學測量結果進行比較[7]，其控制點位移量的最大互差不超過3 mm。2008年，Lingua等提出聯合TLS和GB-SAR數據進行滑坡監測[8]，兩種技術能夠互補，TLS可以生成高精度的數字高程模型，SAR圖像可以利用該模型聚焦，從而獲取整個研究區域的相位信息。2004年，Luzi等利用Civitadi Bagnoregio滑坡作試驗，分析了由大氣影響和設備噪聲引起的相位失相關[2]，認為如果獲取的SAR圖像在不同的時間保持足夠的相干性，GB-InSAR就會得到有效的結果。另外，2005年，Noferini在對意大利Citrin Valley的邊坡進行監測時，首次在GB-SAR系統中應用PS技術來改正大氣相位[3]，其估計結果與GPS測量結果基本一致。此外，Herrera利用連續GB-SAR來建立位于比利牛斯山中部滑坡的預測模型[9]，選取31個基準點，將模型預測的結果與差分GPS的測量結果作比較，兩者的平均差值為7.7 mm，標準差為7.4 mm。Del Ventisette利用GB-SAR對位于意大利卡拉布里亞地區的緊急滑坡進行了監測[10]，根據GB-SAR測量的結果，認為該滑坡對高速公路沒有致命性的影響。還有學者利用GB-SAR監測建筑物形變與損傷，如Tarchi等對意大利的一個18世紀的建筑物進行了監測[11]，得到的形變量與綜合分析結果一致等。在自然現象監測方面，Luzi等利用C波段的GB-SAR對高山冰川流速進行了監測[12]，其測量出的最大移動速度與利用其他遙感技術獲取的結果一致。

國內關于GB-InSAR技術的文獻相對較少，其中黃其歡等用IBIS-L系統對紫平鋪大壩和滑坡體進行監測試驗[13-14]，獲得了毫米級的監測精度。楊紅磊等采用IBIS-M系統對平朔露天礦邊坡進行監測[4]，采用PS技術進行分析，得到了毫米級的觀測結果。張祥等對GB-SAR復圖像配準和大氣延遲相位展開研究[15]，提出采用Fourier-Mellin變化和相干系數法結合的圖像配準方法，獲得了亞像素級的配準精度。

可見，地基InSAR以其高時空分辨率、設站靈活等特點，在地表形變監測中具有相當的優勢，能獲取任意雷達視線方向形變，解決星載SAR數據量有限、重訪周期長和南北向形變監測不敏感的缺陷。

二、GB-SAR的關鍵技術

GB-SAR是一種成像雷達，不僅可以測量距離還可以生成圖像，雷達相位和幅度信息都被存儲下來進行后續的圖像處理。GB-SAR的步進頻率連續波技術(SF-CW)，是利用頻率調制技術來改進距離向分辨率；利用合成孔徑雷達技術(SAR)可以改進方位向分辨率，而干涉(InSAR)技術可利用相位相干進行形變測量。

1. 步進頻率連續波技術

(1)

對這串脈沖的回波信號用與其載頻相應的本振頻率進行混頻，再對混頻后的N個脈沖回波數據進行脈沖相參合成處理，這樣合成所得的脈沖寬度可達τ/N，即距離分辨率是單個脈沖測量時的N倍。

脈沖越短，分辨率越高，但發送的能量就越低。另外，短脈沖是由長脈沖得到的，這需要對長脈沖進行調頻以增加脈沖的頻譜帶寬。當對發射的信號進行濾波時，返回的波形將產生一個壓縮脈沖，這個壓縮脈沖的持續時間約等于調頻脈沖頻譜寬度的倒數。則距離向分辨率ΔR是帶寬的函數

(2)

式中，c為光速；τ為壓縮脈沖的持續時間；B為帶寬。

2. 合成孔徑雷達技術

只利用單一的距離測量不可能區分兩個位于同一距離處的不同目標，但如果聯合所有這些偏差位置獲取的同一場景的具有相干性的距離測量結果，則可組成一個合成的長天線，就有可能利用合成孔徑雷達技術將獲取的數據綜合成二維圖像。

3. 雷達干涉技術

干涉技術通過比較兩幅圖像(主影像和輔影像)的相位成分來測量相對距離差。由于大氣折射率、噪聲等的影響，干涉相位差可用表示為

(3)

三、GB-SAR系統

1. 早期的GB-SAR系統

從2000年前后開始，很多學者致力于利用地基干涉技術監測建筑物。2000年，Pieraccini M等用歐盟綜合研究中心研制的LiSA(linear SAR)系統對建筑物進行了監測；2003年，Pieraccini M等將地基干涉技術應用于滑坡監測，證實該技術可以對邊坡移動進行遠距離探測，所用的GB-SAR系統距離向和方位向分辨率均為2 m，兩次圖像采集間隔為14 min。

2. GB-SAR系統現狀

近年來，國內外多家研究機構開展了地基雷達系統的研究。其中，由意大利IDS公司與佛羅倫薩大學經6年時間共同研發的IBIS(image by interferometric survey)系統,以及我國國防科學技術大學研制的地基步進頻率連續波合成孔徑雷達系統是基于合成孔徑技術，而由澳大利亞Reutech公司研制的MSR(movement and surveying radar)系統，以及瑞士GAMMA公司研制的GPRI(GAMMA portable radar interferometer)系統等都是基于真實孔徑天線。

由于SAR相對于RAR具有更高的空間分辨率等優勢，因此在地基干涉測量中SAR的使用率更高。目前，較好的GB-SAR系統有IBIS系統，該系統監測目標的位移精度能達到0.1 mm，圖像采集時間為5 min，距離分辨率為0.5 m，在-20°C～50°C的范圍內都能正常運行。雷達類型為步進頻率連續波，帶寬為300 MHz，使用Ku波段發射信號，射程為0.2~4 km。在該系統正式用于工程項目變形監測之前，為了驗證其測量的可靠性與精度，國內外學者已作了大量的對比試驗，試驗證明該系統能達到標稱的毫米級精度，且其在長時間觀測的情況下穩定性可以得到保證。

不過IBIS系統也存在著不足，如IBIS雷達獲取的只是一維圖像，距離分辨率為0.5 m，在目標與雷達之間的距離不大時，IBIS系統很有可能無法正確識別目標；設備安裝穩定性要求較高，增加了設站的難度等，因此還有待進一步改進。

四、GB-SAR干涉測量原理與數據處理流程

1. GB-SAR干涉原理

利用GB-SAR進行形變測量的原理與星載SAR相似，如圖1所示。若要測量點P的位移，GB-SAR系統獲得前后相位φM和φS，假設該點位移為d，則可得干涉相位

(4)

則P點的位移d可以表示為

(5)

式中，λ為所用信號的波長。

但上述公式沒有考慮大氣影響、相位噪聲、傳感器位置改變等引起的相移，實際上干涉相位應表示為

圖1　GB-InSAR監測形變的工作原理

(6)

2. GB-InSAR數據處理流程

GB-InSAR形變估計的主要數據處理步驟如圖2所示。

圖2　GB-InSAR形變估計數據處理流程

數據采集中長距離測量會增加獲取數據的時間，即增加了聚焦錯誤的可能性，尤其是在有噪聲的情況下，其聚焦過程是將分散數據集成單一的輸出像元，如圖3所示。沿著線性掃描器從幾個方位向位置對一個目標點進行測量，雙曲線代表距離是方位位置的函數，然后利用SAR處理重建該目標點。

圖3　SAR圖像形成的簡化圖

在獲取數據期間如果線性掃描器不能保持穩定就有可能產生聚焦錯誤。系統線性掃描器頂部的傳感器移動引起的慣性非常敏感，如果設備有毫米級的旋轉就可能使目標在距離向產生米級的偏差，這種聚焦誤差會引入全局誤差，在圖像上產生局部形變，且不能被補償。

配準能使獲取的同一區域的兩個圖像彼此間對齊以利用相位信息，并計算分布在兩幅圖像中窗口的相干值。

(7)

而地理編碼過程實際上是解決從雷達極坐標系到表面幾何模型的轉換問題。地理編碼所需要的數據是一個表面模型、傳感器方位、表面模型與雷達本身參考系統之間的轉換。傳感器的位置和旋度由獲取圖像中的已知點計算得到，可以利用高后向散射的角反射器，用最小二乘估計來辨識確定足夠的角反射器點。

五、地基InSAR配準、地理編碼及數據融合

對地基SAR等數據結果進行融合，首先可根據基礎數據等模擬推算初步形變場及其特征，優化選取地基SAR的觀測站點及方位，獲取多個時間段零空間基線的地基InSAR重復觀測數據，針對地基InSAR零空間基線、多時間基線數據特點，研究地基SAR圖像配準、相干點目標提取、地理編碼等地基InSAR數據精準處理的關鍵算法，并用GPS、水準等外部數據進行檢測，以確保地基SAR監測結果準確無誤。

1. 高精度地基SAR影像配準

SAR影像在距離向或方位向降低處理器帶寬，即距離或方位向的頻譜分割為若干部分，得到分割后的SLC影像。再進行相干目標點識別與同名點確定，采用最小二乘求解配準多項式的系數，最后進行主影像空間的副影像重采樣。為了能更精確地進行主副影像配準，在確定多項式系數時，可以進行配準窗口相關系數加權處理。

2. 地理編碼與地理框架基準確定

要想把地基SAR和星載SAR的形變監測結果直觀易懂地表達出來，并達到監測結果比較與融合的目的，通常需要對InSAR監測結果進行地理編碼，轉化到同一地理坐標框架下(如DEM地理坐標系)。

地基SAR地理編碼是利用地圖投影坐標(地理坐標)和高程進行從圖像空間到對象空間的轉換。地基SAR傳感器模型將一個給定的像素和該像素對應的編碼點M(E，N，Z)聯系起來，可表示為

(8)

Z=S(E,N)

(9)

至于雷達圖像坐標，可以利用地基SAR傳感器參數距離向分辨率Δr、方位向分辨率Δθ、雷達天線指向角θ0，以及接收雷達圖像的中央列來表示

(10)

基于以上步驟，就能實現從地理對象空間到圖像空間的轉換，但要實現從圖像空間到對象地理空間的轉換，需要進行內插來找到與每個像元中心相對應的地理空間坐標，可見參考DEM的質量會影響地理編碼和形變數據解算的精度。

3. 地基SAR與星載SAR監測結果的融合

真實形變矢量的獲取，可將地基SAR監測結果與星載SAR監測結果進行融合。由于這些干涉雷達系統的所有空間測量矢量都不能構成一個完備的三維空間坐標基，利用地基SAR設站觀測靈活的特性，可得到星載SAR和地基SAR差分干涉結果(視線向形變矢量)在最優意義下準真實的三維空間形變矢量。

地基或星載SAR視線方向形變量(DLos)與真實空間三維形變矢量(DV為垂直向形變分量；DN為南北向形變分量；DE為東西向形變分量)之間的關系可以表示為

DLos=DVcosθ+DNsinφsinθ+DEcosφcosθ

(11)

式中,θ為地基或星載SAR入射角；φ為地基或星載SAR方位角。聯合得到的形變結果組成方程組，采用加權最小二乘可求解最優三維形變矢量。地基SAR和星載SAR可以具有不同的權，其中權值的確定可以采用方差分量估計或方差-協方差分量估計等方法試驗。

在此基礎上，可融合CR、GPS、高精度水準數據等進行InSAR監測結果的驗證與分析，建立監測結果準確性判定策略與取舍準則。

六、問題與展望

目前，國內外的研究主要解決地基SAR形變監測數據處理的一些初步問題，還很難確保高精度穩定形變監測結果。如地基SAR影像的精密配準、監測結果到地理坐標的精確轉換，以及與星載SAR等數據的有效融合還沒有很好地解決。此外，大部分研究只局限于單站監測，僅獲得SAR視線方向的形變量，對于垂直視線方向的形變則無能為力，無法完全準確反映變形體的整體形變場。同時，如何選取地基雷達天線運動走向，尋找最佳地基SAR視線方向，使得地基SAR干涉測量結果對其他測量結果能有效融合與補充，還需進一步研究。干涉雷達系統的所有空間測量矢量都不能構成一個完備的三維空間坐標基，利用地基SAR設站觀測的靈活性，可以實現星載SAR和地基SAR差分干涉結果(視線向形變矢量)在最優意義下準真實的三維空間形變矢量。

參考文獻：

[1]CASAGLI N, CATANI F, DEL VENTISETTE C, et al. Monitoring, Prediction, and Early Warning Using Ground-based Radar Interferometry[J]. Landslides, 2010, 7(3): 291-301.

[2]LUZI G, PIERACCINI M, MECATTI D, et al. Ground-based Radar Interferometry for Landslides Monitoring: Atmospheric and Instrumental Decorrelation Sources on Experimental Data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004, 42(11): 2454-2466.

[3]NOFERINI L, PIERACCINI M, MECATTI D, et al. Permanent Scatterers Analysis for Atmospheric Correction in Ground-based SAR Interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2005, 43(7): 1459-1471.

[4]楊紅磊, 彭軍還, 崔洪曜. GB-InSAR監測大型露天礦邊坡形變[J]. 地球物理學進展, 2012, 27(4): 1804-1811.

[5]PIERACCINI M, CASAGLI N, LUZI G, et al. Landslide Monitoring by Ground-based Radar Interferometry: A Field Test in Valdarno (Italy)[J]. International Journal of Remote Sensing, 2002, 24(6): 1385-1391.

[6]LEVA D, NICO G, TARCHI D, et al. Temporal Analysis of a Landslide by Means of a Ground-based SAR Interferometer[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003, 41(4): 745-752.

[7]TARCHI D, CASAGLI N, FANTI R, et al. Landslide Monitoring by Using Ground-based SAR Interferometry: An Example of Application to the Tessina Landslide in Italy[J]. Engineering Geology, 2003, 68(1-2): 15-30.

[8]LINGUA A, PIATTI D, RINAUDO F. Remote Monitoring of A Landslide Using an Integration of GB-InSAR and Lidar Techniques[C]∥The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 37 Part B1. Beijing：[s.n.], 2008.

[9]HERRERA G, FERNáNDEZ-MERODO J A, MULAS J, et al. A Landslide Forecasting Model Using Ground Based SAR Data: the Portalet Case Study[J]. Engineering Geology, 2009, 105(3-4): 220-230.

[10]Del VENTISETTE C, INTRIERI E, LUZI G, et al. UsingGround Based Radar Interferometry During Emergency: the Case of the A3 Motorway (Calabria Region, Italy) Threatened by a Landslide[J]. Natural Hazards and Earth System Science, 2011, 11(9): 2483-2495.

[11]TARCHI D, RUDOLF H, PIERACCINI M, et al. Remote Monitoring of Buildings Using a Ground-based SAR: Application to Cultural Heritage Survey[J]. International Journal of Remote Sensing, 2000, 21(18): 3545-3551.

[12]LUZI G, PIERACCINI M, MECATTI D, et al. Monitoring of an Alpine Glacier by Means of Ground-based SAR Interferometry[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2007, 4(3): 495-499.

[13]黃其歡, 張理想. 基于GBInSAR技術的微變形監測系統及其在大壩變形監測中的應用[J]. 水利水電科技進展, 2011, 31(3): 84-87.

[14]張建軍. 地形微變遠程監測儀在滑坡變形監測中的應用[J]. 人民珠江, 2011, 32(3): 67-70.

[15]張祥. 地基SFCW SAR差分干涉測量技術研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2011.

中國(深圳)國際無人系統技術成果交易展覽會將在深圳舉辦

[本刊訊]2015年11月17日至20日，中國(深圳)國際無人系統技術成果交易展覽會將在深圳大運中心舉辦。

展覽會是由中國國際貿易促進委員會深圳市委員會、深圳市龍崗區人民政府、中國無人系統產業聯盟共同主辦，獲得了深圳市人民政府的大力支持。本屆展覽會將作為深圳高交會首個分會場，與高交會共享組織架構、客戶資源、媒體支持、專家支持、服務支持，是中國國內首屆國際化的專業無人系統展覽。展覽會計劃邀請境內外參展商110家以上，參會客商5萬人次以上。展會擁有靜態展位10 000 m2，室外飛行展演場地15 000 m2。同時展覽會也是中國境內唯一具有正規飛行表演臨時空域報批手續的專業展覽會，屆時會舉辦精彩的無人機飛行表演及飛行比賽。

(本刊編輯部)