星載InSAR技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警中的精度分析

楊文喜

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局205 地質(zhì)隊(duì)，重慶 402160）

1 引言

星載InSAR 技術(shù)是一種對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，在信息技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展而來。近年來，星載InSAR 技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸趨于成熟，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域主動(dòng)、全天候、大面積、高精度監(jiān)測(cè)，并成為滑坡地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)的新技術(shù)、新手段，可提供精確的滑坡信息，成功探測(cè)地表微小形變，為滑坡災(zāi)害的預(yù)防處理提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考。由此，加強(qiáng)InSAR 技術(shù)的研究與應(yīng)用分析具有重要意義。且衛(wèi)星雷達(dá)監(jiān)測(cè)可穿透云層、無晝夜之分，可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)。

（2）高精度高分辨率。SAR 衛(wèi)星傳感器空間分辨率高，地表監(jiān)測(cè)精度達(dá)厘米甚至毫米級(jí)，可連續(xù)捕獲持續(xù)較慢發(fā)展的邊坡活動(dòng)。

（3）可監(jiān)測(cè)人員無法進(jìn)入?yún)^(qū)域，成本低。星載InSAR 技術(shù)使用衛(wèi)星SAR 數(shù)據(jù)，無需設(shè)置地面基準(zhǔn)點(diǎn)；從經(jīng)濟(jì)角度來看，每景數(shù)據(jù)成本高，但由于一次性監(jiān)測(cè)和分析面積大，總體造價(jià)較低。

2 星載InSAR 技術(shù)原理

星載InSAR 技術(shù)，即星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，利用雷達(dá)獲取同一區(qū)域SAR 復(fù)圖像對(duì)，若復(fù)圖像對(duì)之間存在相干條件，SAR 復(fù)圖像對(duì)共軛相乘得到目標(biāo)區(qū)域干涉圖，進(jìn)一步濾波、解纏等處理后，獲取兩次成像微波路程差，從而明確目標(biāo)平面位置、地面高程等信息[1]。

星載InSAR 技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，主要分為區(qū)域滑坡識(shí)別和單體滑坡識(shí)別。區(qū)域滑坡識(shí)別內(nèi)容包括滑坡位置、規(guī)模、數(shù)量與背景環(huán)境的速度差值、災(zāi)害發(fā)育程度等，單體滑坡識(shí)別監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括滑坡范圍、滑坡變形量、滑坡不同部位的變形差異、滑坡變形發(fā)展過程和發(fā)展趨勢(shì)、基于變形特征和地質(zhì)條件分析滑坡成因機(jī)制與穩(wěn)定性。

星載InSAR 技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)可歸納如下：

（1）大范圍全天候。星載InSAR 技術(shù)通過衛(wèi)星雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)，覆蓋范圍廣，可達(dá)幾百甚至上千平方公里，

3 星載InSAR 技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警中的精度分析

InSAR 變形監(jiān)測(cè)方法眾多，包括D-InSAR、PSInSAR、SBAS-InSAR、DS-InSAR、MAI 方法，本文圍繞最為成熟的D-InSAR 方法展開具體論述。

3.1 D-InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)精度

D-InSAR 技術(shù)引入外部DEM 去除InSAR 獲取的干涉圖中的地形相位，獲得差分干涉圖，也稱為差分干涉測(cè)量技術(shù)。按照差分處理所用影像數(shù)量的不同，可將D-InSAR 技術(shù)分為兩軌、三軌和四軌差分，兩軌法流程如圖1 所示。

D-InSAR 技術(shù)是在消除地形相位的前提下，獲取大范圍面狀、二維地表形變信息，精度可達(dá)厘米至毫米級(jí)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，此技術(shù)利用的是兩個(gè)時(shí)刻累積形變，使用的SAR 數(shù)據(jù)少，因此對(duì)干涉圖質(zhì)量、DEM 精度提出了更高要求，如：干涉圖相干性良好、空間與時(shí)間基線不能過大等等[2]。因此，控制各種誤差，有利于進(jìn)一步提高D-InSAR 形變監(jiān)測(cè)的精度，獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)警信息，保證區(qū)域安全。

圖1 兩軌法測(cè)量流程示意圖

3.2 D-InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)誤差控制

影響D-InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)誤差的因素主要分為兩大類：一是SAR 參數(shù)誤差；二是數(shù)據(jù)處理誤差。具體分析如下。

3.2.1 SAR 參數(shù)誤差

（1）時(shí)間去相干。此因素主要與地表地物自身性質(zhì)相關(guān)，如：巖石、干旱土地的散射特性較穩(wěn)定，其相干性可長久保持；植被覆蓋區(qū)域，由于植物會(huì)隨著季節(jié)變化發(fā)生較大改變，極易出現(xiàn)失相干的情況。由此，不同監(jiān)測(cè)目標(biāo)、監(jiān)測(cè)目的下，需選擇不同波長、不同時(shí)間間隔等SAR 干涉，以獲得最優(yōu)監(jiān)測(cè)效果。

（2）基線去相干。這是主動(dòng)影像傳感器對(duì)地表目標(biāo)視角不同所致的一種失相干現(xiàn)象。對(duì)此，在進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)選擇時(shí)，必須綜合考慮植被、變形、空間尺度等諸多因素。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理誤差

（1）配準(zhǔn)誤差。地形對(duì)相位變化十分敏感，影像配準(zhǔn)一旦失去準(zhǔn)確性，將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。當(dāng)兩幅影像匹配誤差超過一個(gè)像元，兩幅影像完全失相干。根據(jù)研究顯示，精配準(zhǔn)達(dá)1/8 像元，可有效遏制相位誤差。

（2）干涉圖噪聲。此因素嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，極易造成相位解纏無法實(shí)現(xiàn)，降低獲取DEM 的精度。對(duì)此，可采取多視、濾波等方法抑制干涉圖噪聲，具體需根據(jù)實(shí)際情況選用。

（3）大氣效應(yīng) 。大氣效應(yīng)較難消除，是制約D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)精度的重要因素，多采用以下兩種校正方法：①利用多幅SAR 影像干涉圖本身的圖像特性，結(jié)合統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行大氣校正，如干涉圖線性疊加法、隨機(jī)濾波法、永久散射體法；②利用外部獨(dú)立數(shù)據(jù)（如GPS、MODIS、MERIS、地面氣象數(shù)據(jù)等）獲得大氣效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)，從干涉圖中減去這部分影響。

（4）外部DEM 誤差。根據(jù)兩軌法分析可知，需要引入外部DEM 模擬地形相位，外部DEM 誤差控制十分關(guān)鍵。兩軌法處理數(shù)據(jù)時(shí)，有效基線越長，DEM 精度對(duì)形變結(jié)果的敏感度就越大，對(duì)此，需盡量選取較短有效基線[3]。

4 星載InSAR 技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目背景

重慶市武隆區(qū)石橋鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)滑坡群一級(jí)專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警項(xiàng)目包含6 個(gè)滑坡、3 個(gè)不穩(wěn)定斜坡和1 個(gè)潛在深部順層滑移區(qū)，總體量8600×104m3，滑坡范圍達(dá)4.5 km2，威脅當(dāng)?shù)鼐用?258 人及武務(wù)路（省道）約4.8 km。其中潛在深部順層滑移區(qū)滑移體量約1143×104m3，對(duì)石橋鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)及居民聚居區(qū)共1007 人造成極大威脅。目前處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 監(jiān)測(cè)方案

本項(xiàng)目采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)各滑坡點(diǎn)進(jìn)行周期性的地質(zhì)觀察和測(cè)量，結(jié)合InSAR 新技術(shù)建立完善的“空、天、地”一體的多維度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析，對(duì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行更為專業(yè)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)警目的。

4.3 星載InSAR 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

由于工作區(qū)面積較大，約5 平方公里，本次采用星載InSAR 覆蓋滑坡群全域監(jiān)測(cè)，汛前4 月1 次，汛后10 月一次。無需購買、安裝星載InSAR 監(jiān)測(cè)所需設(shè)備，每輪次購置1 景衛(wèi)星數(shù)據(jù)，共購置2 景衛(wèi)星數(shù)據(jù)。 為實(shí)現(xiàn)面域風(fēng)險(xiǎn)區(qū)早期識(shí)別和地表變形速率評(píng)估兩大主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)，考慮到核心監(jiān)測(cè)區(qū)屬于植被覆蓋相對(duì)較密的區(qū)域，并且季節(jié)性降雨時(shí)存在潛在的大氣干擾可能性，因而選取3 米ALOS-2L 長波衛(wèi)星獲取的SAR 影像作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源，利用星載InSAR 技術(shù)進(jìn)一步獲取多景SAR衛(wèi)星影像針對(duì)的目標(biāo)區(qū)域的形變信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域在指定時(shí)域尺度內(nèi)的形變信息數(shù)據(jù)獲取。

4.4 星載InSAR 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)分析流程，如圖2 所示。

圖2 星載InSAR數(shù)據(jù)處理流程

（2）數(shù)據(jù)分析處理方法。選取合適的雷達(dá)衛(wèi)星，進(jìn)而選取監(jiān)測(cè)時(shí)間獲取相應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目選取3米分辨率的ALOS-2L長波D-InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)，具體處理方法如圖3 所示。

圖3 星載InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法流程

（3）數(shù)據(jù)精度控制。InSAR 數(shù)據(jù)處理結(jié)果采用變形年速率中誤差進(jìn)行監(jiān)測(cè)精度評(píng)定 ；將不同SAR 數(shù)據(jù)、不同處理方法的結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)；根據(jù)高精度DEM進(jìn)行形態(tài)分析，疊加顯示嚴(yán)重變形區(qū)的滑坡部位；采用分辨率優(yōu)于3 米的遙感影像解譯滑坡拉裂縫、后緣陡坎、前緣膨脹等地質(zhì)特征與變形量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；野外實(shí)地調(diào)查坡體變形特征和其上的建（構(gòu)）筑物變形破壞情況；采用GPS 觀測(cè)點(diǎn)等高精度地面觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證InSAR 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4.5 星載InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析

以變形的空間分布和量值為主要依據(jù)，輔助坡體形態(tài)、高程、坡度、植被類型、巖土體性質(zhì)、居民點(diǎn)分布，采用層次分析法綜合識(shí)別劃分變形滑坡。

對(duì)于降雨誘發(fā)滑坡，根據(jù)重點(diǎn)部位變形速率和時(shí)程曲線，結(jié)合滑坡地質(zhì)特征，分析變形趨勢(shì)，判斷其危險(xiǎn)性；對(duì)于受同一因素誘發(fā)的滑坡，危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)應(yīng)結(jié)合已有滑坡案例和區(qū)域統(tǒng)計(jì)特征分析其危險(xiǎn)性；應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與相關(guān)地質(zhì)、地理和地物要素分布進(jìn)行空間分析，與地質(zhì)調(diào)查、勘察結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性；應(yīng)開展T-InSAR 監(jiān)測(cè)的滑坡變形時(shí)程曲線中的大變形時(shí)間段與雨季、地震、人類工程活動(dòng)時(shí)間相干性的分析。

通過本期監(jiān)測(cè)結(jié)果與前期監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，計(jì)算出滑坡累計(jì)變形量、平均變形速率和月變形速率等，利用以上分析結(jié)果，確定滑坡變形動(dòng)態(tài)。

5 結(jié)語

綜上所述，滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警是一項(xiàng)重要工作，直接關(guān)系到區(qū)域安全問題，星載InSAR 技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于監(jiān)測(cè)精度高、覆蓋范圍大、全天時(shí)作業(yè)。在實(shí)際使用中，星載InSAR 技術(shù)也會(huì)因?yàn)闀r(shí)間、基線失相干以及配準(zhǔn)誤差、干涉圖噪聲、大氣效應(yīng)等因素，影響監(jiān)測(cè)精度。因此，必須合理選擇InSAR 檢測(cè)設(shè)備，規(guī)范開展數(shù)據(jù)分析工作，做好數(shù)據(jù)處理結(jié)果的驗(yàn)證與精度評(píng)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確評(píng)估。