地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)在滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性評估中的應(yīng)用

劉　斌　葛大慶　張　玲　李　曼　王　艷　王　毅　張曉博　江利明　柳　林　孫亞飛　 高斌斌

1　中國國土資源航空物探遙感中心，北京市學(xué)院路31號，100083　2　中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢市徐東大街340號， 430077

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地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)在滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性評估中的應(yīng)用

劉斌1葛大慶1張玲1李曼1王艷1王毅1張曉博1江利明2柳林2孫亞飛2高斌斌2

1中國國土資源航空物探遙感中心，北京市學(xué)院路31號，1000832中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢市徐東大街340號， 430077

摘要：針對2014-09-01大樹場鎮(zhèn)大面積山體滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性，從IBIS-L地基雷達(dá)形變測量原理和關(guān)鍵技術(shù)(步進(jìn)頻率連續(xù)波和合成孔徑雷達(dá))入手，給出地基InSAR數(shù)據(jù)處理流程，獲得了滑坡災(zāi)后高精度、高時(shí)空分辨率的形變演化特征，測量精度達(dá)到亞mm級。地基InSAR結(jié)果表明，滑坡體滑動(dòng)幅度較大的區(qū)域位于滑坡體左側(cè)中上部(120 mm)和右側(cè)中上部(75 mm)?；瑒?dòng)主要由堆積松散土在裂隙水、雨水等作用下造成，產(chǎn)生較大次生災(zāi)害的可能性較小。

關(guān)鍵詞：地基合成孔徑雷達(dá)；步進(jìn)頻率連續(xù)波；合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)；滑坡形變監(jiān)測

地基合成孔徑雷達(dá)(ground-based synthetic aperture radar，GBSAR)能夠根據(jù)觀測目標(biāo)的形變特征靈活操作，彌補(bǔ)了星載InSAR重訪周期固定、入射角單一等不足，受到越來越多的關(guān)注。目前，國內(nèi)外已有多種成熟的商用地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)投入使用[1-4]，其中，IBIS是意大利IDS公司和佛羅倫薩大學(xué)研制的一種新型地基雷達(dá)系統(tǒng)，包括IBIS-S和IBIS-L型：IBIS-S型最大監(jiān)測距離為1 km，理論測量精度0.01 mm，能夠滿足橋梁或建筑物等動(dòng)態(tài)監(jiān)測的需要；IBIS-L型最大監(jiān)測距離為4 km，理論測量精度0.1 mm，主要用于大壩、山體滑坡、露天邊坡、冰川移動(dòng)等大型目標(biāo)的形變監(jiān)測。IBIS-L是利用一套雷達(dá)傳感器，沿著軌道運(yùn)動(dòng)并不斷發(fā)送和接收微波信號，利用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)獲得其成像。黃其歡[5]通過與千分表設(shè)置的位移對比，驗(yàn)證了IBIS-S的實(shí)際測量精度優(yōu)于0.1 mm。邱志偉[6]將隔河巖大壩IBIS-L系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與垂線監(jiān)測結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩種觀測數(shù)據(jù)誤差不超過±2 mm。由于觀測目標(biāo)的工況條件不同，IBIS系統(tǒng)的測量精度會(huì)有所差別，但基本上能保證mm級的測量精度。

本文從IBIS-L形變測量原理和關(guān)鍵技術(shù)入手，總結(jié)地基雷達(dá)干涉測量的數(shù)據(jù)處理流程。針對2014-09-01大樹場鎮(zhèn)大面積山體滑坡災(zāi)情，獲得滑坡災(zāi)后高精度、高時(shí)空分辨率的形變演化特征，測量精度達(dá)到亞mm級。

1　IBIS-L形變測量原理

圖1為利用GBSAR對目標(biāo)點(diǎn)P的干涉測量示意圖。設(shè)固定觀測基站監(jiān)測的目標(biāo)點(diǎn)P形變前后的相位為φM和φS，兩者的干涉相位可表示為：

(1)

可得目標(biāo)點(diǎn)P的形變量為：

(2)

圖1　GBSAR形變測量示意圖[7]Fig.1　Working principle of GBSAR for deformation measurement[7]

式(2)是在空間基線b為零，且不考慮干擾項(xiàng)(大氣延遲相位φatmo和相位噪聲φnoise)情況下得到的理論關(guān)系式。在非連續(xù)觀測模式下，空間基線b可能不等于零，需要消除地形相位φgeom。因此，干涉相位的完整表達(dá)式為：

ΔφMS=φgeom+φdefo+φatmo+φnoise+2kπ

(3)

2　IBIS-L關(guān)鍵技術(shù)

2.1步進(jìn)頻率連續(xù)波(SFCW)[7-12]

SFCW雷達(dá)通過均勻步進(jìn)的方式線性增加連續(xù)脈沖的頻率，利用較窄的瞬時(shí)帶寬合成較寬的信號工作帶寬，既實(shí)現(xiàn)了一維距離向的高分辨率，也降低了對發(fā)射機(jī)峰值功率的要求。SFCW雷達(dá)利用頻率調(diào)制系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射N個(gè)載頻線性跳變(頻率步進(jìn)量Δf)的窄帶寬脈沖序列，其中連續(xù)脈沖總數(shù)N與距離向分辨率δr和最大探測距離rmax有關(guān)，即N=2rmax/δr。為避免欠采樣，連續(xù)脈沖總數(shù)應(yīng)不少于分辨單元數(shù)。

如圖2，步進(jìn)頻率連續(xù)波信號帶寬B=NΔf，由于距離向最大分辨率取決于傳輸信號的帶寬δr=c/2B，c為光速，則頻率步進(jìn)量Δf=c/rmax。每個(gè)頻率采樣的持續(xù)時(shí)間Δt必須足夠長，Δt=2rmax/c，才能保證雷達(dá)終端接收到最遠(yuǎn)目標(biāo)的回波信號。

圖2　SFCW信號傳輸示意圖[8]Fig.2　Transmitted SFCW signal[8]

2.2合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)

根據(jù)SFCW的特點(diǎn)，IBIS-L地基雷達(dá)系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制SFCW雷達(dá)沿2 m的水平滑軌勻速滑動(dòng)，按照連續(xù)的“走-停”模式完成數(shù)據(jù)采集。雷達(dá)模塊的采樣間隔為5 mm，即雷達(dá)在滑軌上每移動(dòng)5 mm，連續(xù)地發(fā)射和接收一次觀測目標(biāo)的雷達(dá)后向散射信號，對雷達(dá)在不同位置接收的回波信號進(jìn)行聚焦，有效提高方位向分辨率[10-11]。這種利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)，將尺寸較小的真實(shí)天線孔徑合成較大的等效天線孔徑的技術(shù)，稱為合成孔徑雷達(dá)技術(shù)。

合成孔徑雷達(dá)方位向分辨率δc與軌道長度Ls和探測距離r有關(guān)：

(4)

其中，角度分辨率Δθ=λ/2Ls。由于Δθ為定值，因此方位向分辨率與測距有關(guān)。最終，IBIS-L地基雷達(dá)系統(tǒng)綜合SFCW和SAR技術(shù)，將掃描區(qū)域分割為許多二維的分辨單元，如圖3所示。

圖3　IBIS-L地基雷達(dá)系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.3　Working principle of IBIS-L GBSAR system

3　大樹場鎮(zhèn)滑坡災(zāi)后GB-InSAR觀測

2014-09-01 03：00，重慶奉節(jié)大樹場鎮(zhèn)發(fā)生大面積山體滑坡?；聟^(qū)山體總體上東高西低，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別位于滑坡區(qū)東側(cè)山頂和梅溪河支流崔家河河谷，主要地貌形態(tài)類型包括陡崖、斜坡、河谷堆積地貌。

3.1觀測站選址和數(shù)據(jù)采集方案

連續(xù)模式下GBSAR測量觀測基站選址主要考慮以下因素：1)測量設(shè)備牢固，在觀測過程中不能發(fā)生移動(dòng)；2)設(shè)備安裝位置能夠保證雷達(dá)視線向與形變方向盡可能一致；3)雷達(dá)入射角的選取需要權(quán)衡地距分辨率與后向散射信號強(qiáng)度的關(guān)系；4)監(jiān)測過程中必須確保設(shè)備安全；5)盡量避免影像陰影、疊掩、頂?shù)椎怪玫然儸F(xiàn)象。

本次觀測中地基雷達(dá)系統(tǒng)安置在滑坡對面的平坦場地，掃描區(qū)域完全覆蓋治理后的危巖帶和滑坡區(qū)。兩個(gè)觀測區(qū)域植被覆蓋稀少，非常適合GB-InSAR觀測。觀測時(shí)間09-23 17:06～09-26 08:53，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。大約每6 min采集一景雷達(dá)RAW影像，共獲得654景SAR影像。觀測期間，系統(tǒng)經(jīng)歷了高溫、陰雨和強(qiáng)降雨等惡劣天氣，溫度、濕度等外界因素的微小變化在穩(wěn)定點(diǎn)的GB-InSAR結(jié)果中均有所反映，驗(yàn)證了IBIS-L在邊坡穩(wěn)定性持續(xù)觀測中的可靠性和準(zhǔn)確性。

表1　IBIS-L地基雷達(dá)系統(tǒng)觀測參數(shù)配置

圖4　大樹場鎮(zhèn)滑坡災(zāi)后GB-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4　GB-InSAR processing flow after landslide of Dashuchang town

3.2數(shù)據(jù)處理

如圖4所示，大樹場鎮(zhèn)滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性GB-InSAR時(shí)序分析采用相鄰時(shí)刻影像兩兩干涉處理的簡單網(wǎng)絡(luò)組合方式，生成653個(gè)干涉圖，可以有效提高處理效率。由于本次觀測采用固定軌道的連續(xù)觀測模式，且觀測距離較短(<600 m)，空間基線為零，因此GB-InSAR數(shù)據(jù)處理無需進(jìn)行圖像配準(zhǔn)及地形相位補(bǔ)償。由于連續(xù)模式下數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，目標(biāo)形變速率v在相鄰的SAR影像獲取時(shí)間間隔Δt內(nèi)，一般能夠滿足|v|<λ/4Δt，因此避免了相位解纏過程。

設(shè)置估計(jì)信噪比、相干系數(shù)、相位穩(wěn)定性閾值分別為15 dB、0.5和2，篩選出穩(wěn)定的相干目標(biāo)點(diǎn)，在相干目標(biāo)點(diǎn)上進(jìn)行初始形變時(shí)間序列分析。由于IBIS-L系統(tǒng)采用Ku波段雷達(dá)，波長為17.4 mm，因此GB-InSAR的理論監(jiān)測精度能達(dá)到亞mm～mm級。初始形變時(shí)間序列分析得到的形變信息不但包含了實(shí)際的形變，還包括溫度、濕度、氣壓等大氣環(huán)境變化引起的相位變化。在觀測的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，選取一定數(shù)量的估計(jì)信噪比、相干性和相位穩(wěn)定性高的點(diǎn)作為參考點(diǎn)(GCP)(圖5)，通過對所有GCP點(diǎn)在視線向的形變時(shí)序曲線加權(quán)平均，建立大氣相位校正時(shí)序曲線。將每一相干目標(biāo)點(diǎn)的形變時(shí)序曲線減去大氣相位校正時(shí)序曲線，得到準(zhǔn)確的相干目標(biāo)點(diǎn)形變時(shí)序曲線。本次觀測選取位于治理后的危巖帶上的4個(gè)GCP點(diǎn)，由于觀測時(shí)間較短，滑坡體上部治理后的危巖體在觀測期間可認(rèn)為基本保持穩(wěn)定；另外，從當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門了解到，GPS長期觀測結(jié)果也表明危巖帶基本穩(wěn)定。因此，選取的GCP點(diǎn)可以用來估計(jì)大氣相位校正時(shí)序曲線，進(jìn)而校正GB-InSAR時(shí)序分析結(jié)果。

圖5　參考點(diǎn)視線向形變時(shí)序圖Fig.5　Time-series line of sight displacements of ground control points

3.3結(jié)果分析

圖6(a)為大氣校正后經(jīng)過時(shí)空濾波的累積形變圖。由圖可見，相干目標(biāo)在滑坡體中上部黃土裸露區(qū)域分布密集；下部由于被推倒的樹木和房屋覆蓋，相干目標(biāo)較少。累積形變結(jié)果表明：1)治理后的危巖帶基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門長期監(jiān)測的結(jié)果非常吻合；2)滑坡體上存在兩處顯著活動(dòng)區(qū)，分別位于左側(cè)中上部(區(qū)域Ⅰ)和右側(cè)中上部(區(qū)域Ⅱ)，這兩處形變過程主要是由堆積松散土的滑動(dòng)引起，其中滑移區(qū)域Ⅰ最大變形120 mm，滑移區(qū)域Ⅱ最大變形75 mm。

為進(jìn)一步分析災(zāi)后滑坡體形變特征，分別在治理后的危巖帶(P1)、區(qū)域Ⅰ(P2)和區(qū)域Ⅱ(P3、P4)兩處顯著活動(dòng)區(qū)選取典型特征點(diǎn)進(jìn)行形變時(shí)間序列分析(圖6(b))。特征點(diǎn)P1形變時(shí)序分析表明，治理后的危巖帶比較穩(wěn)固，形變幅度基本控制在[-0.5，+0.5] mm范圍內(nèi)，也驗(yàn)證了IBIS系統(tǒng)亞mm級的測量精度。兩處顯著活動(dòng)區(qū)的特征點(diǎn)(P2、P3、P4)時(shí)序形變特征大體一致： 09-23 17:00～09-24 10：00，當(dāng)?shù)靥鞖舛嘣妻D(zhuǎn)陰，空氣濕度70%～75%，3個(gè)特征點(diǎn)以較小的下滑速度滑移(P2下滑速率最大，約1.5 mm/h)；09-24 10：00左右，當(dāng)?shù)亻_始降小雨，空氣濕度陡升至90%左右，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ表面整體發(fā)生陡滑現(xiàn)象，最大下滑量約為4 mm；14：00降雨突然變大并持續(xù)2 h，滑移區(qū)域下滑速率加快，P3處達(dá)到5 mm/h。P2處至觀測結(jié)束仍處于快速下滑狀態(tài)，而P3、P4處在25日12：00基本處于穩(wěn)定。根據(jù)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ特征點(diǎn)的形變時(shí)序分析，降雨沖刷松散土表層是造成兩處活動(dòng)區(qū)加速下滑的主要原因，這種加速滑動(dòng)造成較大次生災(zāi)害的可能性很小。

圖6　大樹場鎮(zhèn)滑坡災(zāi)后地基InSAR累積形變圖及特征點(diǎn)形變時(shí)序分析圖Fig.6　Cumulative displacement of GB-InSAR flow after landslide of Dashuchang town，and displacement time-series analysis of pixels

4　結(jié)　語

本文研究了IBIS-L地基雷達(dá)系統(tǒng)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——步進(jìn)頻率連續(xù)波和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，給出地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程。針對2014-09-01大樹場鎮(zhèn)大面積山體滑坡災(zāi)情，IBIS-L地基雷達(dá)系統(tǒng)獲得了可靠的SAR原始數(shù)據(jù)，測量精度達(dá)到亞mm級。處理得到的滑坡災(zāi)后形變演化特征表明：

1)治理后的危巖帶基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門常規(guī)觀測結(jié)果相吻合。

2)滑坡體滑動(dòng)幅度較大的區(qū)域位于滑坡體左側(cè)中上部和右側(cè)中上部位置，主要是由堆積松散土在裂隙水、陰雨等作用下造成的滑動(dòng)，產(chǎn)生較大次生災(zāi)害的可能性較小。

致謝:本研究得到中國國土資源航空物探遙感中心、中國科學(xué)院測量與地球物理研究所和三峽大學(xué)的大力支持，三峽大學(xué)涂鵬飛高級工程師以及中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所李濱高級工程師等在研究中給予幫助，在此一并表示感謝！

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No. 41504048; Project of China Geological Survey, No. 12120114036401.About the first author:LIU Bin, PhD, senior engineer, majors in data processing of space-borne and ground-based InSAR, E-mail：lbin0226@163.com.

收稿日期：2015-09-11

第一作者簡介：劉斌，博士，高級工程師，主要從事星載和地基InSAR數(shù)據(jù)處理研究，E-mail：lbin0226@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.08.004

文章編號：1671-5942(2016)08-0674-04

中圖分類號：P315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of Monitoring Stability after Landslide Based on Ground-Based InSAR

LIUBin1GEDaqing1ZHANGLing1LIMan1WANGYan1WANGYi1ZHANGXiaobo1JIANGLiming2LIULin2SUNYafei2GAOBinbin2

1China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, 31 Xueyuan Road,Beijing 100083, China2Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, 340 Xudong Street,Wuhan 430077, China

Abstract:The IBIS-L ground-based SAR monitors the displacement of an observed object by combining of the stepped frequency continuous wave, synthetic aperture radar and an interferometry technique. To monitor the displacement after the landslide in Dashuchang town on September 1, 2014, we first discuss the key technology of the IBIS-L ground-based InSAR and the ground-based SAR system. Second, we summarize InSAR data processing flow. Then third, obtain displacement evolution characteristics with sub-millimeter precision and high spatial-temporal resolution. GB-InSAR results show that displacements of the middle-upper parts on the left and right sides of the landslide body are 120 mm and 75 mm respectively. This is caused by crack water and rain. Displacements of landslide body are impossible to produce larger secondary geological disasters.

Key words:ground-based synthetic aperture radar; stepped frequency continuous wave; synthetic aperture radar interferometry; landslide displacement monitoring

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金(41504048)；中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(12120114036401)。