GB-InSAR技術(shù)及其形變監(jiān)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(huán)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(shù)及其形變監(jiān)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(huán)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(fā)展起來的一種相對較新的形變監(jiān)測技術(shù)。本文闡述了GB-InSAR技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、基于GB-InSAR技術(shù)的IBIS-L系統(tǒng)，以及GB-InSAR的基本原理、數(shù)據(jù)處理流程和關(guān)鍵技術(shù)，提出了GB-InSAR技術(shù)存在的主要問題及今后的發(fā)展方向。

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

關(guān)鍵詞：GB-InSAR；形變監(jiān)測；干涉測量；IBIS-L系統(tǒng)

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(huán)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(jiān)測。E-mail: sclong@hnust.edu.cn

一、GB-InSAR的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

GB-SAR是最近10年受到特別關(guān)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(shù)據(jù)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(tài)靈活的特點，可以實現(xiàn)對觀測區(qū)的全面多方位監(jiān)測，獲取任意視線方向的形變，真正實現(xiàn)零基線觀測，消除基線誤差影響[2-4]，其整個操作過程和數(shù)據(jù)后期處理簡便，是星載SAR和常規(guī)大地測量監(jiān)測手段的有效補充，是對局部區(qū)域形變進行監(jiān)測的一種新技術(shù)手段。

地基SAR技術(shù)基于微波探測主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像，通過合成孔徑和步進頻率技術(shù)實現(xiàn)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(shù)可實現(xiàn)毫米級的微變形監(jiān)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(xù)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(jiān)測建筑形變，并于2003年利用GB-SAR在連續(xù)模式下對意大利的Tessina滑坡進行了監(jiān)測，并將其測量結(jié)果與傳統(tǒng)光學測量結(jié)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(lián)合TLS和GB-SAR數(shù)據(jù)進行滑坡監(jiān)測[8]，兩種技術(shù)能夠互補，TLS可以生成高精度的數(shù)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(qū)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(guān)[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(jié)果。另外，2005年，Noferini在對意大利Citrin Valley的邊坡進行監(jiān)測時，首次在GB-SAR系統(tǒng)中應用PS技術(shù)來改正大氣相位[3]，其估計結(jié)果與GPS測量結(jié)果基本一致。此外，Herrera利用連續(xù)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(jié)果與差分GPS的測量結(jié)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(qū)的緊急滑坡進行了監(jiān)測[10]，根據(jù)GB-SAR測量的結(jié)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(jiān)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(jiān)測[11]，得到的形變量與綜合分析結(jié)果一致等。在自然現(xiàn)象監(jiān)測方面，Luzi等利用C波段的GB-SAR對高山冰川流速進行了監(jiān)測[12]，其測量出的最大移動速度與利用其他遙感技術(shù)獲取的結(jié)果一致。

國內(nèi)關(guān)于GB-InSAR技術(shù)的文獻相對較少，其中黃其歡等用IBIS-L系統(tǒng)對紫平鋪大壩和滑坡體進行監(jiān)測試驗[13-14]，獲得了毫米級的監(jiān)測精度。楊紅磊等采用IBIS-M系統(tǒng)對平朔露天礦邊坡進行監(jiān)測[4]，采用PS技術(shù)進行分析，得到了毫米級的觀測結(jié)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(shù)法結(jié)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(jiān)測中具有相當?shù)膬?yōu)勢，能獲取任意雷達視線方向形變，解決星載SAR數(shù)據(jù)量有限、重訪周期長和南北向形變監(jiān)測不敏感的缺陷。

二、GB-SAR的關(guān)鍵技術(shù)

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(xù)的圖像處理。GB-SAR的步進頻率連續(xù)波技術(shù)(SF-CW)，是利用頻率調(diào)制技術(shù)來改進距離向分辨率；利用合成孔徑雷達技術(shù)(SAR)可以改進方位向分辨率，而干涉(InSAR)技術(shù)可利用相位相干進行形變測量。

1. 步進頻率連續(xù)波技術(shù)

(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(shù)據(jù)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(fā)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(diào)頻以增加脈沖的頻譜帶寬。當對發(fā)射的信號進行濾波時，返回的波形將產(chǎn)生一個壓縮脈沖，這個壓縮脈沖的持續(xù)時間約等于調(diào)頻脈沖頻譜寬度的倒數(shù)。則距離向分辨率ΔR是帶寬的函數(shù)

(2)

式中，c為光速；τ為壓縮脈沖的持續(xù)時間；B為帶寬。

2. 合成孔徑雷達技術(shù)

只利用單一的距離測量不可能區(qū)分兩個位于同一距離處的不同目標，但如果聯(lián)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(jié)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(shù)將獲取的數(shù)據(jù)綜合成二維圖像。

3. 雷達干涉技術(shù)

干涉技術(shù)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(tǒng)

1. 早期的GB-SAR系統(tǒng)

從2000年前后開始，很多學者致力于利用地基干涉技術(shù)監(jiān)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(tǒng)對建筑物進行了監(jiān)測；2003年，Pieraccini M等將地基干涉技術(shù)應用于滑坡監(jiān)測，證實該技術(shù)可以對邊坡移動進行遠距離探測，所用的GB-SAR系統(tǒng)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(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)開展了地基雷達系統(tǒng)的研究。其中，由意大利IDS公司與佛羅倫薩大學經(jīng)6年時間共同研發(fā)的IBIS(image by interferometric survey)系統(tǒng),以及我國國防科學技術(shù)大學研制的地基步進頻率連續(xù)波合成孔徑雷達系統(tǒng)是基于合成孔徑技術(shù)，而由澳大利亞Reutech公司研制的MSR(movement and surveying radar)系統(tǒng)，以及瑞士GAMMA公司研制的GPRI(GAMMA portable radar interferometer)系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)有IBIS系統(tǒng)，該系統(tǒng)監(jiān)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(nèi)都能正常運行。雷達類型為步進頻率連續(xù)波，帶寬為300 MHz，使用Ku波段發(fā)射信號，射程為0.2~4 km。在該系統(tǒng)正式用于工程項目變形監(jiān)測之前，為了驗證其測量的可靠性與精度，國內(nèi)外學者已作了大量的對比試驗，試驗證明該系統(tǒng)能達到標稱的毫米級精度，且其在長時間觀測的情況下穩(wěn)定性可以得到保證。

不過IBIS系統(tǒng)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(tǒng)很有可能無法正確識別目標；設備安裝穩(wěn)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(shù)據(jù)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(tǒng)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?jīng)]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(jiān)測形變的工作原理

(6)

2. GB-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

GB-InSAR形變估計的主要數(shù)據(jù)處理步驟如圖2所示。

圖2　GB-InSAR形變估計數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集中長距離測量會增加獲取數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)期間如果線性掃描器不能保持穩(wěn)定就有可能產(chǎn)生聚焦錯誤。系統(tǒng)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(zhuǎn)就可能使目標在距離向產(chǎn)生米級的偏差，這種聚焦誤差會引入全局誤差，在圖像上產(chǎn)生局部形變，且不能被補償。

配準能使獲取的同一區(qū)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(zhuǎn)換問題。地理編碼所需要的數(shù)據(jù)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(tǒng)之間的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)融合

對地基SAR等數(shù)據(jù)結(jié)果進行融合，首先可根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等模擬推算初步形變場及其特征，優(yōu)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(shù)據(jù)，針對地基InSAR零空間基線、多時間基線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)精準處理的關(guān)鍵算法，并用GPS、水準等外部數(shù)據(jù)進行檢測，以確保地基SAR監(jiān)測結(jié)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(shù)，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(shù)時，可以進行配準窗口相關(guān)系數(shù)加權(quán)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(jiān)測結(jié)果直觀易懂地表達出來，并達到監(jiān)測結(jié)果比較與融合的目的，通常需要對InSAR監(jiān)測結(jié)果進行地理編碼，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)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(shù)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(xiàn)從地理對象空間到圖像空間的轉(zhuǎn)換，但要實現(xiàn)從圖像空間到對象地理空間的轉(zhuǎn)換，需要進行內(nèi)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(zhì)量會影響地理編碼和形變數(shù)據(jù)解算的精度。

3. 地基SAR與星載SAR監(jiān)測結(jié)果的融合

真實形變矢量的獲取，可將地基SAR監(jiān)測結(jié)果與星載SAR監(jiān)測結(jié)果進行融合。由于這些干涉雷達系統(tǒng)的所有空間測量矢量都不能構(gòu)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(jié)果(視線向形變矢量)在最優(yōu)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(guān)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(lián)合得到的形變結(jié)果組成方程組，采用加權(quán)最小二乘可求解最優(yōu)三維形變矢量。地基SAR和星載SAR可以具有不同的權(quán)，其中權(quán)值的確定可以采用方差分量估計或方差-協(xié)方差分量估計等方法試驗。

在此基礎(chǔ)上，可融合CR、GPS、高精度水準數(shù)據(jù)等進行InSAR監(jiān)測結(jié)果的驗證與分析，建立監(jiān)測結(jié)果準確性判定策略與取舍準則。

六、問題與展望

目前，國內(nèi)外的研究主要解決地基SAR形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的一些初步問題，還很難確保高精度穩(wěn)定形變監(jiān)測結(jié)果。如地基SAR影像的精密配準、監(jiān)測結(jié)果到地理坐標的精確轉(zhuǎn)換，以及與星載SAR等數(shù)據(jù)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(jiān)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(jié)果對其他測量結(jié)果能有效融合與補充，還需進一步研究。干涉雷達系統(tǒng)的所有空間測量矢量都不能構(gòu)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(xiàn)星載SAR和地基SAR差分干涉結(jié)果(視線向形變矢量)在最優(yōu)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(jiān)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(shù)的微變形監(jiān)測系統(tǒng)及其在大壩變形監(jiān)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(jiān)測儀在滑坡變形監(jiān)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(shù)研究[D]. 長沙: 國防科學技術(shù)大學, 2011.

中國(深圳)國際無人系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)技術(shù)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(mào)易促進委員會深圳市委員會、深圳市龍崗區(qū)人民政府、中國無人系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)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(gòu)、客戶資源、媒體支持、專家支持、服務支持，是中國國內(nèi)首屆國際化的專業(yè)無人系統(tǒng)展覽。展覽會計劃邀請境內(nèi)外參展商110家以上，參會客商5萬人次以上。展會擁有靜態(tài)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(nèi)唯一具有正規(guī)飛行表演臨時空域報批手續(xù)的專業(yè)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)