时序地基SAR子影像集监测地震滑坡灾害研究

邹进贵，李 琴，2，朱勇超，王 鹏，张士勇

(1．武汉大学测绘学院，湖北 武汉420079;2．辽宁省交通高等专科学校，辽宁 沈阳110122;3．苏州科技学院，江苏 苏州215009)

一、引 言

我国是一个多山的国家，山地、丘陵和比较崎岖的高原占全国总面积的2/3，地震灾害给国家建设和人民生命财产造成严重损失，其引发的次生山体滑坡灾害也不容小觑。常规的滑坡灾害监测方法通常是GNSS测量、水准测量、位移计、应力计等。地基SAR技术是在星载SAR技术的基础上发展起来的，它将合成孔径雷达在地面设站进行测量，具有监测范围大、空间分辨率高、精度高等优势。

星载SAR中，为克服地表散射特性的变化导致的去相干以及大气条件变化引入的观测噪声，Ferretti等人提出永久散射体技术(PSInSAR)，基于PS点的时序星载SAR技术在地表形变监测中得到较为广泛的应用。但是地基SAR设备与星载SAR传感器无论是在雷达影像成像的算法和空间几何关系、系统工作模式还是在获取的雷达影像本身特征方面均存在较大差异，因此时序星载SAR技术实际上不能直接用于地基SAR影像序列的分析与处理。地基SAR将短时间内(数个小时的时长，与实际变形速率有关)采集到的影像序列看作一个子影像集，那么在长时间周期的变形监测中便可以获取一系列类似的子影像集，通过分析各子影像集内部连续影像信号强度与观测相位的变化规律，可削弱气象扰动和噪声影响。本文将星载SAR影像基于PS点的时序方法引入地基SAR中，利用子影像集研究时序地基SAR影像监测地震后滑坡灾害。

二、时序地基SAR监测形变算法

本文采用时序地基SAR子影像集的方法，首先获取子影像集，然后用平均热性噪比(TSNR)和平均相关系数双阈值提取PS候选点，接着用振幅离差阈值法(ADI)进一步筛选PS点，最后用PS相干目标点沉降模型进行沉降分析。

1．平均影像集的获取

通过分析各子集之间干涉相位的关联性，对长时间地表形变进行估计和提取。子集内的影像的观测相位和信号强度通常都具有较高的质量和稳定性。每一个子影像集合成一景影像是较为高效的处理方法，为提高该合成影像的信噪比可以采用类似干涉相位叠加方法。

在利用子影像集内观测相位序列进行平均计算之前需要进行相位解缠。首先在子影像集内部选择一景影像作为主影像，其他作为从影像均与主影像进行干涉计算。如果相位变化较为缓慢，可以直接对各PS候选点进行时域一维相位解缠而不必进行二维空间上的相位解缠。在对逐点完成相位解缠处理，计算邻域相差以剔除部分孤立的变形异常点目标。进而按照公式计算各PS候选点目标的平均相位。

式中，Nm为子影像集中GB-SAR影像总数;fm1和fmn分别是子影像集中选作主影像的首影像和第n景从影像;con j()为取复数的共轭;W－1()为相位解缠算子;∠()为相位提取操作。最后结合平均相位和平均信号强度，将子影像集融合为一景平均复影像图。

2．相干点目标的提取

星载SAR时序分析技术稳定点目标的选取，应用较为广泛的有以下几种基本方法:振幅离差阈值法(ADI)、相干系数阈值法和相位离差阈值法。在地面气象参数不断变化的条件下，地基SAR的所谓稳定点目标只能再相对较短的时间内保持稳定，在长时间序列下受周期波动变化的气象扰动影响较为严重。而由于波束宽度和辐射几何视场的差异，不同于星载SAR影像，地基SAR影像中存在大量虚假型号。如图1所示，边缘部分区域实际上没有任何反射目标，但在原始影像数据中仍然形成了微弱的信号值。虚假信号的时序解缠相位序列同样具有一定的稳定性和较低的ADI数值。因此，地基SAR PS点的选取，应采用多种阈值方法综合的手段，以达到可靠性和提取更多PS点的目的。

图1 热信噪比图

地基SAR的热性噪比(TSNR)由信号强度数据直接计算得来。TSNR图能够直观显示能量的相对强弱，强度图则反映了信号的真实强度信息，即影像序列的TSNR平均值为

式中，i、j分别对应GB-SAR影像像元的行序号和列序号;N对应参与PS点提取的SAR影像个数;TSNRave，i，j为像元(i，j)处的平均热信噪比。对TSNR设定一定的阈值，计算分析虚假信号的去除效果并进行调整，以达到去除大部分虚假信号以及部分低SNR像元的目的，即

按照式(3)计算影像序列平均相关系数，同样分析相关系数的分布情况并合理设定阈值，完成PS候选点的预选工作。

为确保目标像元变化的稳定性，同时应用ADI阈值方法对PS候选点作进一步地分析和剔除。影像的振幅离差或振幅离散指数(amplitude dispersion index，ADI)可表示为

式中，σA、mA分别对应影像时序集像素点振幅值A的标准差和均值。ADI阈值设置地较为苛刻，才能将虚假信号去除彻底，但同时提取的点目标势必大量减少。对于地基SAR连续变形监测影像序列，能够在长时间内依然保持稳定的点目标是非常少的，相应的，长时间序列下各像元的ADI数值实际上偏低，因此该步骤一般设定较为宽松的阈值。

3．沉降模型的建立

相比于星载SAR，地基SAR的监测空间基线为零，因此它不会有平地效应和地形效应的影响。它的干涉相位模型如下

对应的差分干涉模型为

地基SAR监测的形变中既包括线性变化的形变，也包括非线性变化的形变，因此差分干涉模型可线性表示为

式中，k1=－4π/λ;T为时间间隔;φnonlinear为非线性形变;φres为残余相位，包括气象扰动和噪声引起的相位变化。

为了估计出平均影像序列的形变速率，要先建立PS点网，对网中的各PS网边进行干涉处理，在空间上各网边之间形成稳定的空间图形，在时间上用模型进行拟合。对于PS网边的两个端点m、n，其差分干涉相位为

PS点之间的相差关系，类似于观测了PS边上两点的几何参数，类似水准点高差或GPS基线。每条有效的PS边相当于一条观测边，先对这些网边进行回归分析，再由其几何关系进行间接平差。平差过程中的观测量为相邻PS点之间的变形速率差，根据它可以建立平差模型。设vm为PS点m的变形速率，vn为PS点n的变形速率，根据m和n之间的速率差函数模型可以得到变形速率差Δvm，n

利用GAMMA公司的IPTA(interferometric point target analysis)回归分析的思想，用回归分析法得到它的估值，然后列出误差方程

式中，rv为相邻PS点变形速率差的残差值。建立观测方程组有

式中，B为系数矩阵;L为观测值;X为PS点的待估线性变形速率;R为残差。

可根据线性速率差初始估值的中误差确定各PS网边的先验权，即

利用间接平差可计算出X的加权最小二乘解

三、试验与分析

为了探讨时序地基SAR子影像集技术在地质灾害滑坡监测的可行性，对云南地震后鲁甸山体滑坡进行地基SAR监测工作。

1．研究区域及地基SAR影像数据

受云南昭通鲁甸8．03地震影响，在地震中心鲁甸县龙头山镇南偏东8．2 km处的牛栏江干流上，北岸山体大规模塌方形成堰塞湖。裸露新岩体与底部基岩带一致，整体处于稳定状态。但由于北岸裸露新岩体与边界层气象环境之间的相互作用，局部小范围的裂缝、岩体仍然处于较为活跃的状态。

采用地基SAR系统IBIS-L进行数据采集工作。外业影像数据采集利用自带的控制软件IBIS-L Controller进行。影像采集预设探测距离1300 m，地基SAR一景影像采集时长50 s，传感器滞留时间6 s，数据采集起始时间2014-09-15T 19:18:49，数据采集总时长7天11小时40分7秒。

2．数据处理与分析

监测区域所处的边界层气象变化较为复杂，特别是湿度变化对影像观测相位的影响非常剧烈。因此，项目中选取局部时段上的高质量连续监测影像序列，求取平均影像图。

首先在热信噪比图中按照数值高低选择多个点目标，分析其邻域干涉相位的变化规律。气象变化剧烈的，各点干涉相位的一致性降低，波动变化相应地也会变剧烈，基于这一特点利用多点邻域干涉相位筛选部分高质量的连续影像序列，如图2—图3所示，分析多个点的变化规律，进行高质量连续影像的选取，用于生成子影像集。

图2 9．15高质量观测时段与气象扰动过大的时段

17号凌晨开始持续降雨，连续多日的阴雨浓雾天气对雷达信号的干扰是非常剧烈的，部分时段的影像以及影像中的局部区域的观测相位受到破坏性的影响，无法利用其计算形变相位。但在气象变化稍微平缓的局部时间段内，仍然能够选择出连续多景质量较高的GB-SAR影像图。

共计选取了6个时段的高质量连续监测影像序列，见表1。为保证在各子影像集内部点目标选择的可靠性，需尽量保证子影像集中能够有15景以上的连续观测影像。

表1 子影像集选择

利用多个平均影像图的DInSAR方法提取长时间跨度影像之间的形变。平均热信噪比阈值设置为15 dB，振幅离差阈值设定为0．20，空间相关系数设定为0．70，最终结合6个子影像集，选取9108个相干点目标。

选定4个干涉对，利用时序DInSAR技术分析探测局部形变。主影像和从影像的选定见表2。

表2 子影像集平均影像干涉对

基于所选相干点目标构建Delaunay三角网，用于在空间上联系干涉相位。在实际计算中也可以去除长边，以减少由于距离过长引起的干涉相位精度降低的情况。

利用时序地基SAR技术，计算滑坡体形变值，计算结果如图4—图9所示。

d15到d16天气晴好，由于时间跨度较短(1d左右)，观测相位受气象扰动影响相对较低，因此解缠结果的可靠性相应地较高。从变形计算结果可以看出雷达影像中存在较为明显的变形。

d16到d18结果中也能够较为明显地看出中部有形变发生。后续的d18到d19、d19到d20也同样，局部的突发性崩塌变化在干涉形变图中都有所体现。

在此时间段，雷达中心点附近出现多次岩体形成大量碎石滑落至堰塞体北岸底部区域，图9显示中间一次较为明显的岩体崩塌垮落，监测结与实际情况正好吻合。

图4 PS点构网图

图5 变形计算结果－d16＆d15(单位:mm)

图6 变形计算结果－d18＆d16

图7 变形计算结果－d19＆d18

图8 变形计算结果－d20＆d19

图9 北岸边坡局部岩体崩塌垮落

四、结论与建议

地基SAR作为一种新型的监测手段，用于地质灾害滑坡监测是可行的，可以满足滑坡变化的监测工作。由于地基SAR具有连续全面的实时监测且不受恶劣的天气气候的影响，在滑坡的监测中，可作为一种高效、被广泛运用的手段。另外，采用地基SAR进行滑坡监测，还可以将获得的滑坡监测数据结果与三维点云激光数据模型进行融合，获得可视化的滑坡监测成果，这有利于滑坡监测的数据成果的直观化展现，有利于政府部门根据此监测成果做出相应的决策。

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