GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

劉龍龍，張繼賢，趙 爭，康 琪，郗曉菲

(1. 蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830； 3. 國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，北京 100830； 4. 北京四象愛數(shù)科技有限公司，北京 100089)

地基合成孔徑雷達(dá)(ground-based synthetic aperture radar，GB-SAR)是近十多年發(fā)展起來的地面主動(dòng)微波遙感技術(shù)[1]。GB-SAR技術(shù)是將干涉變形監(jiān)測技術(shù)從空基轉(zhuǎn)化到地基，該技術(shù)能夠不受自然條件限制，對感興趣的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全天候、全天時(shí)、大范圍、遠(yuǎn)距離的偵查監(jiān)視，為變形監(jiān)測領(lǐng)域帶來一次新的技術(shù)革命。隨著變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式逐漸無法滿足不斷深化的應(yīng)用需求，如大壩、橋梁、建筑物、冰川、滑坡等應(yīng)用領(lǐng)域都亟須一種精確、無損、穩(wěn)定、遠(yuǎn)程、長期而又實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的誕生，為實(shí)現(xiàn)這樣一種新型安全的監(jiān)測提供了技術(shù)保障。鑒于此，開展新型GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)在人造大型建筑和自然災(zāi)害等領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

GB-SAR技術(shù)成功綜合了合成孔徑雷達(dá)成像原理與電磁波干涉技術(shù)，利用傳感器的系統(tǒng)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道之間的幾何關(guān)系等精確測量地表某一點(diǎn)的空間位置及微小變化，可以探測毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)的地表形變。對于小范圍的區(qū)域監(jiān)測，地基SAR比星載SAR更加穩(wěn)定，它可以專門為目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域建立特定的幾何場景，得到該區(qū)域的變形趨勢和總體變形特征，是星載SAR技術(shù)的有效補(bǔ)充[2]。相比星載SAR而言，地基SAR有安置方便、可任意調(diào)整觀測角度、實(shí)時(shí)監(jiān)測能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸受到國內(nèi)外專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本文圍繞GB-SAR變形監(jiān)測方法及其應(yīng)用展開論述，對當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和評述，分析GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢和不足，總結(jié)當(dāng)前研究中存在的難點(diǎn)問題，旨在讓更多學(xué)者了解、認(rèn)識(shí)地基合成孔徑雷達(dá)，促進(jìn)GB-SAR在國內(nèi)的發(fā)展。最后，綜合考慮GB-SAR的特點(diǎn)及當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用需求，對GB-SAR的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 GB-SAR技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 地基雷達(dá)干涉測量原理

地基雷達(dá)干涉測量的基本原理是將兩張雷達(dá)圖像進(jìn)行比較，然后從一張測量的相位圖像中減去另一張圖像的相位值，從而得到觀測目標(biāo)的形變相位。在GB-SAR系統(tǒng)中，相位是與距離r有關(guān)的一個(gè)函數(shù)，r是傳感器與目標(biāo)之間的距離，可表示為

(1)

(2)

觀測相位φw(即纏繞相位)為一個(gè)相對相位，因?yàn)樗偸抢p繞在區(qū)間(-π,π)之間。絕對相位(即解纏相位)與相對相位φw之間的關(guān)系可表示為

φw=w{φ}=mod{φ+π,2π}-π=φ-2πn

(3)

式中，w{φ}為纏繞相位；相位模糊度n(即相位總和的整倍數(shù))是未知的，即沿視線方向(LOS)發(fā)射信號(hào)和散射信號(hào)之間的相位周期總和是未知的，因此雷達(dá)傳感器與目標(biāo)之間的絕對距離無法確定，僅能獲取相對距離Δr。GB-SAR差分干涉測量如圖1所示，干涉條紋通常用呈規(guī)律性變化的彩色條紋來顯示，并以2π為周期進(jìn)行規(guī)律性變化。

2張影像的干涉相位φw包括地形相位(φtopo)、大氣相位(φatmo)、位移相位(φdisp)和系統(tǒng)噪聲相位(φnoise)，即

φw=φtopo+φatmo+φdisp+φnoise-2πn

(4)

對于絕大多數(shù)變形監(jiān)測而言，感興趣的為φdisp。因此，只需從差分干涉圖中識(shí)別并去除其他相位，便可以得到監(jiān)測目標(biāo)的變形結(jié)果。與星載和機(jī)載SAR系統(tǒng)相比，地基SAR系統(tǒng)的優(yōu)勢在于天線位置在兩次數(shù)據(jù)采集(零基線)之間不會(huì)發(fā)生變化。在這種特殊情況下，φtopo可忽略不計(jì)。然而，對于長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測和間斷的重復(fù)監(jiān)測，則可能發(fā)生與儀器重新定位相關(guān)的錯(cuò)誤，然后從而引起空間基線的變化。這時(shí)，則必須考慮φtopo的影響，可用監(jiān)測區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)校正地形相位。

1.2 GB-SAR系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近十多年來，國內(nèi)外廠商在GB-SAR硬件系統(tǒng)方面進(jìn)行了各種努力和創(chuàng)新。目前，常見的地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)按雷達(dá)傳感器核心技術(shù)分為以下3類：①以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。②以步進(jìn)頻率連續(xù)波(SFCW)技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。③以線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，F(xiàn)MCW技術(shù)很早就在國外引起重視，與之前的GB-SAR系統(tǒng)相比，F(xiàn)MCW SAR傳感器能夠更快地掃描，掃描時(shí)間減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。除了上述介紹的系統(tǒng)之外，還產(chǎn)生了一些新型的系統(tǒng)，如烏克蘭國家科學(xué)院(NASU)的基于噪聲雷達(dá)技術(shù)的GBNWSAR系統(tǒng)[3]，歐洲聯(lián)盟綜合研究中心(JRC)的基于MIMO技術(shù)的Melissa系統(tǒng)[4]。表1列舉了已有文獻(xiàn)中描述的主要GB-SAR系統(tǒng)及其參數(shù)指標(biāo)，其中澳大利亞Ground Probe公司的SSR邊坡穩(wěn)定性系統(tǒng)為非嚴(yán)格的SAR系統(tǒng)[5]，它還可以提供復(fù)雜的雷達(dá)圖像，可以通過干涉測量進(jìn)行變形監(jiān)測。相比國外，國內(nèi)市場還沒有國產(chǎn)的地基SAR商用系統(tǒng)，GB-SAR系統(tǒng)的研制也主要集中在科研院所與高校，如中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的SATRO系統(tǒng)、北京理工大學(xué)的SDMR-1系統(tǒng)和國防科技大學(xué)的SFCW SAR系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)室未轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。因此，為了推廣GB-SAR變形監(jiān)測方法在我國大型基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)急救災(zāi)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，積極開展地基SAR商用系統(tǒng)的研究迫在眉睫，以解決GB-SAR進(jìn)口設(shè)備昂貴、技術(shù)壟斷等問題。

表1 現(xiàn)有主要GB-SAR系統(tǒng)

2 GB-SAR變形監(jiān)測的應(yīng)用與進(jìn)展

GB-SAR按數(shù)據(jù)采集模式可分為連續(xù)監(jiān)測模式(C-GBSAR)和非連續(xù)監(jiān)測模式(D-GBSAR)。連續(xù)監(jiān)測模式為最常用的數(shù)據(jù)采集方法，該方法將設(shè)備固定到同一個(gè)位置，設(shè)置一個(gè)時(shí)間間隔后自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，如每隔幾分鐘。非連續(xù)監(jiān)測模式根據(jù)監(jiān)測對象的實(shí)際形變情況，人為設(shè)定一個(gè)合理的監(jiān)測周期進(jìn)行定點(diǎn)觀測，如每周、每月或每年，從而減輕變形監(jiān)測的人力、物力成本，難點(diǎn)為每隔一段時(shí)間安裝儀器之后獲取的影像之間需重新配準(zhǔn)，對儀器安裝的精度要求較高。相比而言，C-GBSAR更適合對目標(biāo)進(jìn)行短期快速的實(shí)時(shí)監(jiān)測，如形變量級(jí)為mm/d或m/d的形變對象，該模式對滑坡等突發(fā)性災(zāi)害的應(yīng)急救援特別有益，可有效預(yù)警二次災(zāi)害發(fā)生；D-GBSAR則可以監(jiān)測緩慢變化的對象。總體來說，文獻(xiàn)中涉及的GB-SAR技術(shù)一般都使用C-GBSAR模式，但隨著GB-SAR系統(tǒng)的深入研究，D-GBSAR模式的應(yīng)用也越來越多。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施變形監(jiān)測

自從1999年文獻(xiàn)[6]提出GB-SAR是一種基于合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的地面遙感成像系統(tǒng)，發(fā)表了第一篇將該技術(shù)應(yīng)用于大壩監(jiān)測的文章。GB-SAR技術(shù)便開始廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁、高速鐵路、電力設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施的變形監(jiān)測。文獻(xiàn)[7]研究了GB-SAR系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用，獲取了橋梁視線向的變形曲線和自振頻率，充分驗(yàn)證了其在橋梁健康監(jiān)測中巨大的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[8]運(yùn)用GB-SAR系統(tǒng)進(jìn)行了大壩的變形監(jiān)測試驗(yàn)和分析研究，為大型水利設(shè)施的健康監(jiān)測提供了新的思路。文獻(xiàn)[9—10]將GB-SAR系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電塔群組的監(jiān)測當(dāng)中，為風(fēng)輪機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了可能，并提出可用GB-SAR技術(shù)檢測目標(biāo)高度。文獻(xiàn)[11]利用意大利IDS公司的IBIS-L系統(tǒng)對紫坪鋪大壩進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可獲取高精度的大壩壩體形變信息，可為大壩的高精度監(jiān)測提供保障。文獻(xiàn)[12—14]對IBIS-S和IBIS-L系統(tǒng)進(jìn)行精度檢定，并利用IBIS-S系統(tǒng)對橋梁進(jìn)行了監(jiān)測試驗(yàn)，證明地基雷達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中的可行性。文獻(xiàn)[15]利用GAMMA Remote Sensing公司的GPRI-Ⅱ系統(tǒng)對香港Ting Kau大橋進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，展示了GPRI-Ⅱ系統(tǒng)在橋梁變形或振動(dòng)監(jiān)測中的能力，為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供開辟了一條新途徑。文獻(xiàn)[16]利用荷蘭Metasensing公司的Fast-GBSAR系統(tǒng)對大壩進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，該系統(tǒng)將采集單景影像的時(shí)間縮短到5 s，極大地解決了SAR影像容易失相干的問題。盡管GB-SAR技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施的變形監(jiān)測中取得了較好的應(yīng)用效果，但是GB-SAR技術(shù)在監(jiān)測過程中易受大氣影響。連續(xù)監(jiān)測模式下的配準(zhǔn)問題后續(xù)還需深入研究。

2.2 滑坡災(zāi)害監(jiān)測

GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)早期主要應(yīng)用于滑坡等自然災(zāi)害的監(jiān)測，并取得了一系列有益的結(jié)果。文獻(xiàn)[17]利用地基SAR系統(tǒng)對意大利Tessina滑坡進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，并與已有傳統(tǒng)光學(xué)測量結(jié)果相比較，其控制點(diǎn)最大誤差不超過3 mm，GB-SAR技術(shù)的監(jiān)測性能得以驗(yàn)證。文獻(xiàn)[18]利用地基SAR系統(tǒng)對澳大利亞某滑坡進(jìn)行監(jiān)測，并與GPS數(shù)據(jù)相比較，證明該技術(shù)應(yīng)用于快速形變體的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[19]對意大利古鎮(zhèn)Civitadi Bagnoregio一處滑坡進(jìn)行試驗(yàn)，分析了連續(xù)監(jiān)測模式下設(shè)備噪聲和大氣影響引起的失相關(guān)對數(shù)據(jù)精度的影響。文獻(xiàn)[20]對意大利Citrin峽谷邊坡進(jìn)行監(jiān)測，首次提出在GB-SAR系統(tǒng)中運(yùn)用永久散射體技術(shù)(permanent scatterers,PS)改正大氣相位，得到了較好的改正結(jié)果。文獻(xiàn)[21—22]研究了融合三維激光掃描數(shù)據(jù)和GB-SAR數(shù)據(jù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測區(qū)域形變量的可視化表達(dá)。文獻(xiàn)[23]利用IBIS-L對四川雅安境內(nèi)一處滑坡進(jìn)行監(jiān)測，驗(yàn)證了地基雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜地形下監(jiān)測的可行性。地基SAR系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于突發(fā)性滑坡的救援工作當(dāng)中，以其非接觸遠(yuǎn)程自動(dòng)化的卓越監(jiān)測性能，有效地對二次災(zāi)害進(jìn)行了預(yù)警，極大地保障了救援人員的生命安全。然而，因滑坡區(qū)域及其形成機(jī)理的復(fù)雜性，后續(xù)還需研究多維度、多傳感器的監(jiān)測模式，以更好地預(yù)測滑坡變形的發(fā)生。

2.3 露天礦變形監(jiān)測

地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)已成功應(yīng)用于露天礦變形的監(jiān)測，在該領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為露天礦斜坡預(yù)警提供了一個(gè)有效的早期預(yù)警工具。不足之處是獲取數(shù)據(jù)易受不均勻大氣、失相干等因素的影響。文獻(xiàn)[24]利用GB-SAR系統(tǒng)對加泰羅尼亞中部開采鹽礦誘發(fā)的城市地表沉降進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明監(jiān)測精度可達(dá)毫米級(jí)。文獻(xiàn)[25]在意大利托斯卡納一個(gè)采石場利用GB-SAR系統(tǒng)進(jìn)行了40天的監(jiān)測試驗(yàn)，并自動(dòng)生成研究區(qū)域的干涉DEM，對采石場的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，取得了良好的結(jié)果。文獻(xiàn)[26]利用IBIS-M系統(tǒng)對我國某露天礦邊坡進(jìn)行了監(jiān)測試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)可為露天礦邊坡監(jiān)測提供實(shí)時(shí)、精確的形變信息。文獻(xiàn)[27]使用中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研制的地基SAR系統(tǒng)對福建紫金山金銅礦露天采場進(jìn)行了監(jiān)測試驗(yàn)，并與全站儀同步監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了國產(chǎn)地基雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[28]將GB-SAR變形數(shù)據(jù)通過Oracle數(shù)據(jù)庫和ArcSDE與GIS結(jié)合起來，利用GIS強(qiáng)大的顯示、分析功能，為露天礦的安全監(jiān)測提供了新思路。文獻(xiàn)[29]將遙感影像和高程數(shù)據(jù)添加到地基雷達(dá)系統(tǒng)獲取的變形數(shù)據(jù)當(dāng)中，豐富了GB-SAR數(shù)據(jù)的可視化程度。目前，GB-SAR技術(shù)主要著眼于礦區(qū)形變監(jiān)測和預(yù)警，且系統(tǒng)僅能獲取二維形變圖，對于如何獲取礦區(qū)三維形變圖和深度分析變形機(jī)理等問題仍需進(jìn)行深入研究。

2.4 雪崩和冰川運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

由于微波對冰/雪面有一定的穿透能力，傳統(tǒng)的星載SAR已用于繪制積雪圖，以及模擬和預(yù)測融雪徑流等，展現(xiàn)了合成孔徑雷達(dá)技術(shù)在雪、冰動(dòng)態(tài)監(jiān)測中巨大的潛力。受星載SAR技術(shù)的啟迪，文獻(xiàn)[30]通過地基SAR試驗(yàn)監(jiān)測了降雪變化對雪崩的影響，在約一年的時(shí)間里成功監(jiān)測近100次自然雪崩、5次人為引發(fā)的雪崩，充分展示了GB-SAR技術(shù)的對微小形變的靈敏度。文獻(xiàn)[31]利用C波段的GB-SAR系統(tǒng)對冰川流速進(jìn)行了監(jiān)測，為局部區(qū)域冰川運(yùn)動(dòng)監(jiān)測開辟了一條新的途徑。文獻(xiàn)[32]利用IBIS-L系統(tǒng)對新疆和靜縣境內(nèi)的一處山地冰川流速進(jìn)行研究，驗(yàn)證了地基雷達(dá)技術(shù)測量冰川表面流速的可行性，拓展了該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用場景。近幾年來，利用GB-SAR技術(shù)研究冰川運(yùn)動(dòng)的研究也逐漸增多，該技術(shù)為測量高分辨率冰川發(fā)生的相對位移提供了一種可靠的工具。但因雪崩和冰川運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，未來還需考慮結(jié)合地球物理、自然地理等知識(shí)深入分析變化原理，以便有效地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。

2.5 文物保護(hù)監(jiān)測

GB-SAR技術(shù)除了較高的時(shí)空采樣能力之外，還能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)測極小的位移。文獻(xiàn)[33]創(chuàng)新性地提出將GB-SAR技術(shù)應(yīng)用于歷史建筑文物的變形監(jiān)測。文獻(xiàn)[34]和文獻(xiàn)[35]利用GB-SAR系統(tǒng)對比薩斜塔、喬托鐘樓等世界著名遺跡進(jìn)行了監(jiān)測，為文物保護(hù)提供了一種無損、遠(yuǎn)程、高精度的監(jiān)測方式。GB-SAR技術(shù)在文物保護(hù)監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用潛力。如何在實(shí)際監(jiān)測中融合三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對歷史文物進(jìn)行深度形變分析，將是一個(gè)棘手的問題，將是未來該技術(shù)在該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

3 GB-SAR變形監(jiān)測的挑戰(zhàn)

目前，GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但是還有很多不足之處。主要問題包括以下幾個(gè)方面。

3.1 大氣相位校正

在雷達(dá)干涉測量中，大氣相位是測量誤差的一個(gè)重要來源，目前還沒有比較完善的大氣相位改正策略，極大地約束了該技術(shù)的變形監(jiān)測能力。地基雷達(dá)為提高自身監(jiān)測精度，一般都使用短波高頻的雷達(dá)系統(tǒng)，直接導(dǎo)致GB-SAR系統(tǒng)對大氣延遲有高靈敏度，容易受其影響。因此，獲取目標(biāo)的真實(shí)形變相位必須先進(jìn)行大氣校正。與大氣相位相干的影響因子主要有氣壓、溫度和濕度，其中濕度對大氣相位的影響最為顯著。文獻(xiàn)[36]在陡峭地形下進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，研究表明在地基雷達(dá)數(shù)據(jù)中可能存在高度相關(guān)的大氣相位分量。在陡峭的山區(qū)地形中，大氣效應(yīng)對干涉圖有強(qiáng)烈的擾動(dòng)，即使在幾分鐘內(nèi)的短暫觀測也是如此。大氣擾動(dòng)主要是由不同時(shí)間太陽光照射的差異引起的大氣濕度變化導(dǎo)致。目前，大氣相位改正的常見方法有氣象數(shù)據(jù)校正法、相位累計(jì)法及永久散射體技術(shù)，但這3種方法都有各自的局限性，針對不同的監(jiān)測對象可以合理選擇或結(jié)合運(yùn)用合適的方法。

3.2 相位解纏

一切將相位由主值(模為2π)恢復(fù)到真值的方法統(tǒng)稱為相位解纏[37]。運(yùn)用相位解纏技術(shù)是由觀測相位的模糊性決定的。從干涉圖中得到的相位僅是真實(shí)相位的主值部分，其取值范圍在(-π,π)之間，這是由arctan函數(shù)自身定義限制的[37]，要得到形變相位必須加上2π的整數(shù)倍。干涉圖像的相位解纏是GB-SAR數(shù)據(jù)處理中重要的組成部分，直接決定了后面提取形變的精度。GB-SAR技術(shù)一個(gè)關(guān)鍵的制約因素是相位纏繞，也就是干涉相位的模糊性，這將導(dǎo)致形變估計(jì)出現(xiàn)偏差，尤其是對形變位移特別大的區(qū)域更易受其影響。文獻(xiàn)[38]提出一種非干涉GB-SAR方法，該方法探測形變的能力降低，但可不受相位模糊性影響，對目標(biāo)做出正確的形變估計(jì)。相位解纏是一個(gè)三維問題，包括時(shí)間解纏和空間解纏。星載SAR常見的解纏方法有支切法、路徑跟蹤法、最小二乘法、卡爾曼濾波法、最小費(fèi)用流法等。地基SAR一般先利用卡爾曼濾波器進(jìn)行時(shí)間維度解纏，然后再利用最小費(fèi)用流法進(jìn)行空間維度解纏，最后得到解纏后的干涉圖。

3.3 相干性

GB-SAR干涉測量數(shù)據(jù)的相干性至關(guān)重要，但對于有些場景很難滿足這一要求，尤其是非連續(xù)監(jiān)測模式(D-GBSAR)，因此，在進(jìn)行監(jiān)測之前均需制定可行性分析，若有必要可在監(jiān)測區(qū)域布設(shè)人工角反射器來增加相干性。差分干涉圖定量評估的基本條件是影像的相干性。相干性是散射目標(biāo)在不同采集時(shí)間的散射系數(shù)的相關(guān)程度。GB-SAR系統(tǒng)空間基線為零，因此時(shí)間去相關(guān)對相干性的影響最為重要。相干性的好壞取決于監(jiān)測對象的表面覆蓋特性或位移梯度，一般植被區(qū)域的快速去相關(guān)現(xiàn)象可以在很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，主要由風(fēng)改變目標(biāo)的后向散射強(qiáng)度引起[39]。由于相干性是表征地面分辨單元穩(wěn)定性的定量參數(shù)，因此可以利用相干性的變化判斷監(jiān)測目標(biāo)中發(fā)生的變化，如雪崩、巖石墜落、滑坡等失相干的監(jiān)測對象。通常情況下，相干系數(shù)大于0.8的圖像才適合進(jìn)行干涉處理。

3.4 設(shè)備和儀器精度

因受GB-SAR系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)僅能觀測視線向形變的限制，與雷達(dá)視線方向垂直的位移無法測量，如完全平坦區(qū)域的垂直位移無法測量，約束了該技術(shù)監(jiān)測垂直向位移的可能，傳感器的改進(jìn)需進(jìn)一步完善[38]。GB-SAR系統(tǒng)的精度取決于很多因素，如系統(tǒng)頻率、傳感器的降噪性能等。從技術(shù)角度講，大多數(shù)GB-SAR系統(tǒng)均采用Ku波段，這樣設(shè)備便能獲得高分辨率和對微小形變的高靈敏度。文獻(xiàn)[40]研究表明瑞士GAMMA Remote Sensing公司Ku波段的傳感器(GPRI)信噪比為30 dB時(shí)相當(dāng)于0.04 mm的形變值。文獻(xiàn)[19]計(jì)算了C波段的傳感器(LISA)的監(jiān)測靈敏度為0.7 mm。通常情況下，儀器的精度是指在沒有大氣擾動(dòng)情況下的測量精度，精度往往隨儀器和監(jiān)測目標(biāo)距離的增加而降低。因此，通過進(jìn)行一定的大氣改正和對多幅干涉圖相位平均來降低相位噪聲，都可以顯著提高監(jiān)測精度。

3.5 精度評定

目前，GB-SAR變形監(jiān)測結(jié)果基本都依賴于實(shí)地測量數(shù)據(jù)(如水準(zhǔn)、GPS等)來檢核其精度和可靠性。其中最科學(xué)合理的方法是在研究區(qū)域布設(shè)人工角反射器，在SAR影像獲取時(shí)刻利用實(shí)地測量手段對角反射器進(jìn)行精密測量，并以此為標(biāo)準(zhǔn)對GB-SAR結(jié)果進(jìn)行精度評定。然而值得注意的是，有些區(qū)域布設(shè)角反射器往往存在各種各樣的困難。綜上所述，目前GB-SAR精度評定受限于實(shí)地測量數(shù)據(jù)的數(shù)量和可靠性，因此未來有必要研究一種不依賴于外部數(shù)據(jù)的GB-SAR精度評價(jià)方法。受星載SAR精度評定的啟發(fā)，可利用GB-SAR干涉圖的相干性衡量監(jiān)測精度，相關(guān)問題可待進(jìn)一步研究。另外，方差分量估計(jì)理論可以通過平差得到的觀測值改正數(shù)來迭代估計(jì)觀測量的方差，不受任何先驗(yàn)信息的限制，有望在GB-SAR精度評定中取得突破[41]。

4 總結(jié)與展望

雖然國內(nèi)目前有關(guān)GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)的研究還處于初期探索階段，但其潛在的應(yīng)用價(jià)值已受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。綜合考慮目前實(shí)際應(yīng)用需求及GB-SAR系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，對該技術(shù)今后的發(fā)展進(jìn)行展望：

(1) 為解決GB-SAR僅能觀測視線向形變的問題，可將地基SAR和星載SAR技術(shù)相結(jié)合，利用星載SAR數(shù)據(jù)彌補(bǔ)垂直于地基SAR視線向形變數(shù)據(jù)缺失的問題，從而得到監(jiān)測對象的三維形變量。將星載SAR監(jiān)測范圍廣和地基SAR設(shè)站靈活的優(yōu)勢相結(jié)合，構(gòu)建天地一體化的變形監(jiān)測體系，對大型人工設(shè)施(如三峽大壩、港珠澳大橋等)進(jìn)行全方位多角度觀測具有非常重要的意義。

(2) 針對GB-SAR測量易受大氣擾動(dòng)影響的問題，可利用非干涉測量的方法獲取形變，該方法繼承了星載SAR時(shí)間序列干涉技術(shù)提取形變的思想。非干涉測量法利用GB-SAR強(qiáng)度圖像的幾何信息，并通過影像匹配估計(jì)變形，精度可達(dá)毫米級(jí)。為保證良好的影像匹配質(zhì)量，該技術(shù)需在監(jiān)測區(qū)域布設(shè)人工角反射器。大氣相位改正的問題，仍是未來亟須研究的熱點(diǎn)問題之一。

(3) 針對GB-SAR僅能獲取監(jiān)測目標(biāo)二維形變，難以精確判讀變形產(chǎn)生位置的問題，將地基雷達(dá)數(shù)據(jù)有效投影到三維激光掃描儀獲取的三維空間數(shù)據(jù)中，進(jìn)而增加地基雷達(dá)數(shù)據(jù)的可視化程度，易于后期進(jìn)行深度分析，從而有效提高災(zāi)害的預(yù)測水平。

(4) 為充分挖掘監(jiān)測對象變形機(jī)理，將GB-SAR技術(shù)和工程地質(zhì)、地球物理、氣象等學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各技術(shù)間優(yōu)勢互補(bǔ)、優(yōu)化集成，這是未來GB-SAR技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。

本文通過梳理國內(nèi)外有關(guān)GB-SAR技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，表明GB-SAR技術(shù)是一種極具潛力的變形監(jiān)測技術(shù)，它可以精確量化監(jiān)測目標(biāo)的形變，并已在基礎(chǔ)設(shè)施、自然災(zāi)害、露天礦、冰川運(yùn)動(dòng)、文物保護(hù)等領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。但是，目前GB-SAR商用設(shè)備僅能從國外進(jìn)口且費(fèi)用高昂，極大地阻礙了國內(nèi)學(xué)者的研究和其工程化的推廣。相信隨著GB-SAR變形監(jiān)測技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，GB-SAR理論和設(shè)備的研究都會(huì)有良好的發(fā)展。