InSAR技術(shù)及其應(yīng)用介紹

文|閆永奇 北京東方至遠(yuǎn)科技股份有限公司

一、引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市安全面臨的問題也日漸增多。其中，城市地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生給人們的經(jīng)濟(jì)、生活帶來了頗為嚴(yán)重的災(zāi)害，而絕大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害是由于地表形變導(dǎo)致的地面沉降，這些災(zāi)害目前已成為影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)是近年來隨著雷達(dá)衛(wèi)星的發(fā)展而產(chǎn)生的對地形變監(jiān)測行之有效的新技術(shù)，在城市安全方面取得了較為突出的進(jìn)展。

二、InSAR技術(shù)原理介紹

1.InSAR技術(shù)原理

在地質(zhì)災(zāi)害安全隱患監(jiān)測方面，以往普遍采用傳統(tǒng)測量手段，主要包括兩類：一類是接觸式測量，包括水準(zhǔn)儀、傾斜儀、GPS、無線傳感器等。此類方法測量精度高、年形變監(jiān)測誤差可達(dá)毫米級甚至亞毫米級，但其需要在監(jiān)測區(qū)內(nèi)布設(shè)測點(diǎn)，而一些危險區(qū)很難實(shí)施布設(shè)，同時，只能觀測離散點(diǎn)，且存在空間盲區(qū)，人力物力耗費(fèi)量大，GPS測量手段還會受到可視衛(wèi)星數(shù)量限制；另一類是傳統(tǒng)的非接觸式測量，包括近景攝影、激光掃描等。此類方法能實(shí)現(xiàn)面域數(shù)據(jù)獲取，觀測某些人為難以到達(dá)地方，但其極易受天氣影響，有的甚至無法夜間成像。因此，無論是接觸式測量還是傳統(tǒng)的非接觸式測量，都存在各自的技術(shù)限制，無法滿足當(dāng)前的緊迫需求，無法同時實(shí)現(xiàn)對地面沉降風(fēng)險場景進(jìn)行全覆蓋、長時間和高精度的形變監(jiān)測。

InSAR技術(shù)是將合成孔徑雷達(dá)（SAR）置于衛(wèi)星上，通過兩副天線同時觀測（單軌模式），或兩次近平行的觀測（重復(fù)軌道模式），對目標(biāo)場景進(jìn)行照射，獲取地表同一景觀的復(fù)圖像對，其重訪周期最高可達(dá)幾天/次。這項(xiàng)技術(shù)無需設(shè)置地面觀測站，僅需通過雷達(dá)衛(wèi)星對地監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲取分析，即可實(shí)現(xiàn)主動式、全天時、全天候數(shù)據(jù)獲取，且單次監(jiān)測范圍可達(dá)成百至上千平方公里。更重要的是，InSAR技術(shù)投入成本相對較低，性價比極高（如圖1）。

圖1 SAR衛(wèi)星拍攝示意圖

InSAR技術(shù)是基于SAR影像獲取地表的三維信息和變化信息的新型空間對地觀測技術(shù)，它可以高精度地監(jiān)測大面積微小地面形變，實(shí)現(xiàn)對地表形變毫米級的幾何測量（對于X頻段的雷達(dá)衛(wèi)星，測量精度可高達(dá)毫米量級），近年來，由于具備高精度形變監(jiān)測能力，InSAR技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

由于目標(biāo)與兩天線位置的幾何關(guān)系，在多時相SAR影像上產(chǎn)生了相位差，InSAR技術(shù)就是根據(jù)這種相位差形成干涉條紋圖，干涉條紋圖中包含了斜距向上的點(diǎn)與兩天線位置之差的精確信息。因此，根據(jù)相位差以及傳感器高度、雷達(dá)波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系，InSAR技術(shù)可以精確地測量出圖像上每一點(diǎn)的三維位置和微小變化信息（如圖2）。

圖2 InSAR平面幾何原理

InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)的GPS、水準(zhǔn)測量等基于離散點(diǎn)的形變監(jiān)測技術(shù)相比，對于地表形變探測，有其明顯的特點(diǎn)和長處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）監(jiān)測精度高。雷達(dá)圖像分辨率可達(dá)米級，InSAR技術(shù)可監(jiān)測到毫米級的地表形變。

2）監(jiān)測范圍廣。目前獲取數(shù)據(jù)的雷達(dá)主要以衛(wèi)星或飛機(jī)作為搭載平臺，它的特點(diǎn)是飛得高、視域廣、監(jiān)測范圍大，一次就可監(jiān)測地表上百至上千平方千米的范圍，能夠?qū)Τ菂^(qū)及山區(qū)實(shí)現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測。

3）監(jiān)測連續(xù)性。雷達(dá)按一定的時間間隔對地面同一目標(biāo)進(jìn)行周期或非周期的長期觀測，數(shù)據(jù)更新快，數(shù)據(jù)量豐富，可監(jiān)測地面目標(biāo)在時間序列上的連續(xù)形變過程。

4）全天時全天候，受天氣影響小。雷達(dá)發(fā)射微波信號，使用探測頻段較長，在夜晚、大霧、云和雨等條件下也能對目標(biāo)進(jìn)行形變監(jiān)測，受天氣影響較小，可全天時全天候獲取數(shù)據(jù)，具備長時間連續(xù)工作的能力。但是，在極惡劣天氣條件下，相位信息受噪聲影響較大，形變測量精度可能會降低。

5）監(jiān)測實(shí)施方便容易。傳統(tǒng)航測監(jiān)測方法需要布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，而雷達(dá)沉降監(jiān)測不受這些條件的限制，一般只需衛(wèi)星獲取地表影像就可以，給沉降監(jiān)測帶來很大的便利。

6）成本相對低。不需要觀測網(wǎng)的布設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，而數(shù)據(jù)的成本相對不高，所以，對于大面積、時間長的沉降監(jiān)測服務(wù)好，而成本相對較低。

InSAR技術(shù)具備獨(dú)特的優(yōu)勢，現(xiàn)已經(jīng)成為地表形變監(jiān)測領(lǐng)域極有發(fā)展?jié)摿Φ男率侄?，也是國際上地面沉降變形監(jiān)測方法研究的主要方向之一。

2.數(shù)據(jù)源衛(wèi)星介紹

合成孔徑雷達(dá)作為一種主動式微波遙感，具有全天時、全天候、穿透能力強(qiáng)、無需設(shè)置地面觀測站等特性，具有多頻率多極化多角度的工作模式，能提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些的信息，是推動遙感與地理信息產(chǎn)業(yè)等的重要技術(shù)保障，針對大范圍區(qū)域能提供較大的數(shù)據(jù)保障，可作為光學(xué)數(shù)據(jù)空缺時的補(bǔ)充。

目前尚在工作中的雷達(dá)衛(wèi)星主要為X、C、L頻段。不同頻段的雷達(dá)衛(wèi)星穿透能力不同，且不同衛(wèi)星的參數(shù)不同，導(dǎo)致各自的適用范圍不盡相同。

（1）X頻段衛(wèi)星

X頻段雷達(dá)具有高頻（短波長）的特點(diǎn)，其波長在3cm左右，且發(fā)射和接收的波束均很窄，絕大部分的能量都集中在主波束里，每一束波都包含一系列的電磁脈沖信號。X頻段的雷達(dá)一般定位更準(zhǔn)確，但作用范圍短，由于波長較短，對于城市區(qū)域建（構(gòu)）筑物的微小形變監(jiān)測優(yōu)勢凸出，但在植被茂盛區(qū)域監(jiān)測效果不太理想。

代表衛(wèi)星如COSMO-SkyMed雷達(dá)衛(wèi)星星座：COSMO-SkyMed衛(wèi)星星座是意大利航天局與國防部聯(lián)合發(fā)展的軍民兩用X頻段雷達(dá)成像衛(wèi)星，由于波長較短，對于城市區(qū)域的微小的形變監(jiān)測更有優(yōu)勢。該星座是由4顆衛(wèi)星共同組網(wǎng)，解決了衛(wèi)星重訪周期的限制，16天可以實(shí)現(xiàn)4次重訪，最近的兩顆衛(wèi)星重訪周期為一天，可以在較短的時間獲取更多的衛(wèi)星影像。該衛(wèi)星編程拍攝方便，可以根據(jù)用戶需求獲取高質(zhì)量、易于處理的SAR影像數(shù)據(jù)。

COSMO-SkyMed系統(tǒng)具有很好的連續(xù)性，在COSMO-SkyMed一代星座之后，還將發(fā)射COSMO-SkyMed二代衛(wèi)星星座，并且將與2018年發(fā)射的L頻段SAOCOM衛(wèi)星聯(lián)合，既保證了數(shù)據(jù)服務(wù)的延續(xù)性，又?jǐn)U大了數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。

（2）C頻段衛(wèi)星

C頻段介于L頻段與X頻段之間，其穿透能力優(yōu)于X頻段，次于L頻段。C頻段對稀疏的植被有一定的穿透能力，但空間分辨率不高，無法對單體目標(biāo)做精細(xì)化監(jiān)測。

代表衛(wèi)星如Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星：Sentinel-1衛(wèi)星是歐洲航天局針對哥白尼全球?qū)Φ赜^測項(xiàng)目研制的首顆衛(wèi)星，于2014年4月發(fā)射，由兩顆衛(wèi)星組成，載有C頻段合成孔徑雷達(dá)，可以采用預(yù)編程、無沖突的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)全球陸地、海岸帶、航線的高分辨率監(jiān)測，也可實(shí)現(xiàn)全球海洋的大區(qū)域覆蓋。Sentinel-1 有4種成像模式，常用于InSAR監(jiān)測的數(shù)據(jù)空間分辨率為20m。

RADARSAT-2雷達(dá)衛(wèi)星：RADARSAT-2衛(wèi)星是加拿大太空署MDA公司合作發(fā)射的SAR衛(wèi)星，載波為C頻段，影像最高分辨率為3m，常用于InSAR監(jiān)測的分辨率為5m。RADARSAT-2具有多種分辨率成像能力、多種極化方式，可根據(jù)指令進(jìn)行左右視切換，增加了立體數(shù)據(jù)的獲取能力，同時，該衛(wèi)星具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲功能和高精度姿態(tài)測量及控制能力。但是RADARSAT-2數(shù)據(jù)獲取的周期較長，為24天，如果用于應(yīng)急則容易錯過最佳應(yīng)急時間；如果用于長時間監(jiān)測，每年的數(shù)據(jù)累積不足，無法得到更精確的形變測量結(jié)果。

（3）L頻段衛(wèi)星

L頻段衛(wèi)星，波長較長，對森林植被有一定的穿透性，可以在山區(qū)獲取較好的相位信息，干涉性能好。但是在城市地區(qū)，L頻段的干涉影像對建筑區(qū)域細(xì)微的形變刻畫不夠精細(xì)。

代表衛(wèi)星如ALOS-2衛(wèi)星：ALOS-2衛(wèi)星是日本對地觀測L頻段SAR衛(wèi)星，是目前市面上用于InSAR監(jiān)測的唯一L頻段SAR衛(wèi)星。但ALOS-2影像編程拍攝不便，無法滿足用戶高頻次拍攝的需求。

SAOCOM雷達(dá)衛(wèi)星星座：SAOCOM雷達(dá)衛(wèi)星星座于2018年發(fā)射，該星座由2顆L頻段的雷達(dá)衛(wèi)星構(gòu)成，分辨率為2.5×10m，能檢測到大于8m的物體，以作用于地災(zāi)預(yù)防監(jiān)測。而且，SAOCOM星座將與COSMO-SkyMed星座聯(lián)合組成意大利-阿根廷SIASGE星座用于高精度、快速反應(yīng)的應(yīng)急管理工作。

3.數(shù)據(jù)量

北京東方至遠(yuǎn)科技股份有限公司（簡稱東方至遠(yuǎn)）已建成雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋全球、累積超過7-10年的中國城市健康大數(shù)據(jù)庫，其中包括我國400多座城市的高精度數(shù)據(jù)庫，可調(diào)動覆蓋全國的中分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)。

“全國地表形變一張圖”的構(gòu)建，從多個維度充分考慮安全城市、智慧城市的規(guī)劃、建設(shè)，可有效幫助決策者及相關(guān)企業(yè)輔助規(guī)劃、建設(shè)管理、安全監(jiān)管與預(yù)警、應(yīng)急處置、在線監(jiān)測等綜合應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)共享及分析。

三、InSAR技術(shù)在城市中的應(yīng)用

東方至遠(yuǎn)作為中國領(lǐng)先的城市地災(zāi)遙感監(jiān)測解決方案供應(yīng)商，基于對城市地災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域的深刻理解，憑借在對地觀測領(lǐng)域的深厚積累，攜合作伙伴推出基于遙感技術(shù)的城市健康體檢工程化綜合解決方案，助力各級政府應(yīng)對城市地災(zāi)的應(yīng)急防治和統(tǒng)籌決策。

利用InSAR等相關(guān)技術(shù)，通過重構(gòu)歷史影像，識別城市不穩(wěn)定地區(qū)的地面運(yùn)動位移情況，從而實(shí)現(xiàn)對城市及其建筑物、構(gòu)筑物等人工設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營全過程進(jìn)行普查、詳查以及監(jiān)測、分析，從面上及時發(fā)現(xiàn)存在形變和破壞風(fēng)險的設(shè)施與區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市安全風(fēng)險的預(yù)警防范和應(yīng)急處治。此外，根據(jù)地表形變的獨(dú)特征兆，還可以為城市地下空間工程的施工、運(yùn)營提供風(fēng)險監(jiān)測支持。

以深圳市地災(zāi)監(jiān)測為案例。深圳市以低山、丘陵和臺地為主，地形起伏大，地質(zhì)條件較復(fù)雜，部分自然山體斜坡穩(wěn)定性較差，強(qiáng)降雨作用下易發(fā)生滑坡、崩塌等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，頻繁危害周邊群眾生命財產(chǎn)安全，其中需要重點(diǎn)應(yīng)對的主要突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害為山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害和山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害。東方至遠(yuǎn)通過工程化應(yīng)用基于雷達(dá)衛(wèi)星的城市健康體檢平臺，在高性價比顯著降低深圳市地災(zāi)危害人數(shù)和財產(chǎn)的情況下，還大大提升了深圳市地災(zāi)普查、監(jiān)測和預(yù)警的響應(yīng)能力。

四、InSAR技術(shù)在地災(zāi)中的應(yīng)用

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最多的國家之一，地災(zāi)會嚴(yán)重危害人民的生命和財產(chǎn)安全。常見的地質(zhì)災(zāi)害分為崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質(zhì)作用有關(guān)的災(zāi)害，其中，絕大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害由地表形變引起。地質(zhì)災(zāi)害防治，就是要利用各種技術(shù)手段來保障人們安居樂業(yè)，而地質(zhì)災(zāi)害防治的最好結(jié)果就是在災(zāi)害發(fā)生前識別災(zāi)害點(diǎn)，進(jìn)而有效保障人們生命財產(chǎn)安全。以InSAR、offset-tracking等技術(shù)為代表的遙感大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠獲得大面積區(qū)域在一定時間內(nèi)的地表形變情況，并根據(jù)形變特征發(fā)現(xiàn)相對活躍的區(qū)域，從而為地質(zhì)災(zāi)害及其次生災(zāi)害發(fā)生的預(yù)警預(yù)防工作提供高效、可靠、大范圍的低成本科技手段，真正體現(xiàn)“防”重于“治”，實(shí)現(xiàn)“人防”向“技防”的轉(zhuǎn)變。

以金沙江山體滑坡為例。2018年10月11日7時，四川省甘孜州白玉縣與西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣交界處發(fā)生山體滑坡，阻斷金沙江干流形成堰塞湖，危及甘孜州白玉縣、巴塘縣、得榮縣等下游地區(qū)人民群眾生命財產(chǎn)安全，并對多個水電站造成威脅。

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、四川省第二測繪地理信息工程院、東方至遠(yuǎn)三方共同組建的“地質(zhì)災(zāi)害InSAR技術(shù)研究中心”啟動應(yīng)急工作機(jī)制，開展災(zāi)區(qū)雷達(dá)衛(wèi)星影像拍攝和InSAR遙感監(jiān)測分析。東方至遠(yuǎn)第一時間提供了災(zāi)區(qū)歷史影像數(shù)據(jù)，利用COSMO-SkyMed衛(wèi)星星座跟蹤拍攝災(zāi)害點(diǎn)及上下游區(qū)域，連續(xù)獲取了災(zāi)區(qū)最新雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并連同分析報告一并報送自然資源部、應(yīng)急管理部等相關(guān)部門（如圖3）。

圖3 金沙江滑坡監(jiān)測與評估

五、InSAR+云計算，打造地理信息綜合服務(wù)技術(shù)

東方至遠(yuǎn)將全國重點(diǎn)城市的InSAR分析結(jié)果存儲于“云”端，實(shí)現(xiàn)信息的備份、共享，用戶可通過登錄后臺，訪問自身所關(guān)注的城市，縮短數(shù)據(jù)獲取周期，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需分配。當(dāng)前，InSAR+云計算主要應(yīng)用到以下兩個方面：

1.InSAR數(shù)據(jù)服務(wù)

支持面向工程設(shè)施的形變風(fēng)險在線辨識，提供主要城市的InSAR數(shù)據(jù)成果在線瀏覽與初步形變分析，快速實(shí)現(xiàn)對建筑物、地鐵、道路、高鐵、電力、水利、能源等工程設(shè)施的風(fēng)險篩查、分析、預(yù)防等。

2.房屋形變分析

通過對InSAR監(jiān)測結(jié)果的進(jìn)一步挖掘，分析每棟房屋的形變信息，發(fā)現(xiàn)城市內(nèi)存在潛在風(fēng)險的房屋，幫助用戶及時了解房屋的安全狀態(tài)，為房屋設(shè)計、施工及運(yùn)維階段的安全管理提供數(shù)據(jù)支撐。

六、小結(jié)

在《全國地質(zhì)災(zāi)害防治“十三五”規(guī)劃》中，明確提出災(zāi)害防治要以最大限度避免和減少人員傷亡及財產(chǎn)損失為目標(biāo)，盡心盡力維護(hù)群眾權(quán)益，全面完成山地丘陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和重點(diǎn)地區(qū)地面沉降、地裂縫和巖溶塌陷調(diào)查，全面完成全國重點(diǎn)防治區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治高標(biāo)準(zhǔn)“十有縣”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)山地丘陵區(qū)市、縣兩級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報工作全覆蓋，完善提升以群測群防為基礎(chǔ)的群專結(jié)合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，基本完成已發(fā)現(xiàn)的威脅人員密集區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害隱患的工程治理。北京東方至遠(yuǎn)科技股份有限公司將始終聚焦城鄉(xiāng)安全治理和設(shè)施健康診治，依托遙感、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)，對城鄉(xiāng)地質(zhì)和設(shè)施風(fēng)險災(zāi)害的事前預(yù)警預(yù)防、事中科學(xué)應(yīng)急、事后救援指導(dǎo)全過程提供高效率、低成本、近實(shí)時的綜合解決方案，為政府提供科學(xué)、高效、及時的決策支持，為行業(yè)提供專業(yè)、全面、高性價比的綜合服務(wù)。