D—InSAR技术在地表变形监测中的应用

张英俊

【摘 要】传统的地表变形监测技术如GPS、水准测量等，存在监测范围小、费用高和仅能获取点目标形变信息的局限性。D-InSAR技术具有全天时、全天候，能够获得面式数据等优点。本文选取龙滩水电站附近36KM2的范围为主研究区域，以Radarsat-2为数据源，采用GAMMA软件对该地区5景数据进行了完整的差分干涉处理，提取变化量并对地表变形趋势作出了分析，得出了几处主要形变区域在时间上和空间上的形变趋势，对库区的安全监测具有重要的意义。

【关键词】D-InSAR；变形监测；相位解缠

0 引言

变形在自然界中是普遍存在的，它是指变形体在各种载荷作用下，在时间上和空间上大小、形状及其位置的变化。自然界的变形危害非常普遍，如地震、地表沉陷、滑坡、岩崩、溃坝桥梁与建筑物的倒塌等。它不仅严重破坏了自然环境和资源，而且对人民的生命财产安全造成严重威胁。近几年，人类活动空间不断扩大，大型交通、水利及资源开发工程项目大量实施，致使地表变形发生的频率变得越来越高，造成经济损失和人员伤亡，必须要引起警惕。

龙滩水电站工程的施工建设期间以及蓄水运行以后，坝址基坑和库区边坡等都曾发生过巨大的变形，造成了严重危害，其稳定性是大坝及水库设计和建设的潜在问题之一，也是必须要考虑的重要方面。

1 地表变形常用监测方法及其局限性

常用的地表变形监测方法有很多种，主要包括高精度地面监测技术、GPS监测法及摄影测量方法等。下面对几种重要的监测方法作简单的介绍：

1.1 GPS监测法

GPS可以进行全天时全天候的监测，不受气候条件的影响，而且具有定位精度高、速度快、操作简单的优点。但它也有缺点：有比较严重的多路径效应，卫星信号在复杂地区比较容易被遮挡，这些一定程度上影响测量的精度。

1.2 大地精密测量法

该方法是指采用高精度光电和光学测量仪器，如全站仪、精密水准仪等仪器，通过测量角度、边长和高程的变化来完成变形监测任务。大地精密测量法是目前变形监测的主要手段，具有如下优点：能够有效确定边坡地表变形的范围；能够观测到边坡体的绝对位移量，灵活性大，精度高。缺点是地形和气象条件对它的实施有很大的限制，而且周期长，进行连续观测的能力较差，其工作量也比较大。

1.3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术它不需要接触物体，白天和夜间都不影响外业工作，监测速度快，测量精度高，能够很好的反映坡体的总体变形趋势。其缺点是，仪器价格非常昂贵，在山区仪器携带不太方便，测站需要有稳定的架设场所，由于受到扫描距离的限制，必须要保证目标和仪器之间没有大的障碍。

1.4 光学遥感监测法

利用遥感技术，不直接接触地面目标，根据其与电磁波的相互作用，收集其信息并且对其进行识别分类、判读和分析，最终得到其变形信息。缺点是不能够精确的提供地表变形动态信息，只是提供了宏观的定性或者说是半定量的成果。

2 InSAR技术监测地表变形的优势

合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）是近几年来国际遥感界的一个研究热点，能以获得某一地区厘米量级甚至更小尺度连续的地表形变信息，它们在地形制图、土地利用分类、速度场探测、洪水监测以及地表形变监测等方面表现出极好的应用前景，具体优势介绍如下：

2.1 全天时，全天候

因合成孔径雷达（SAR）是主动式遥感，容易产生在时间序列上不缺失的雷达遥感图像。

2.2 精度高

D-InSAR技术监测地表微小形变的精度可以达到厘米级甚至更小尺度的量级。

2.3 时效性

随着高精度卫星星座的运营，卫星之间的重访间隔可以达到20秒，完全能达到实时监测的要求，可实现对持续较慢地表变形活动的连续捕获。

2.4 高空间分辨率

与传统监测方法得到的单点数据结果不同，SAR可以得到研究区域连续的面式地表形变信息。

2.5 大面积覆盖，成本相对低廉。与其他传统监测方法相比整体成本较低。

3 三轨法D-INSAR技术的数据处理流程

D-InSAR技术原理是利用至少三次拍摄影像构成两个像对，对这两个像对进行干涉处理而得到两幅干涉条纹图。对干涉图进行二次差分处理，用来消除因地形起伏以及雷达成像的几何而形成的相位差，则剩余的相位差即是在成像期间地表发生的变化所引起的。

三轨差分干涉需要三幅SAR图像，将其中一幅图像的坐标系统作为参考坐标系，那么在参考图像和另外两幅图像之间将形成两幅干涉图。选择相同图像作为参考影像确保了生成的干涉产品都具有相同的坐标系，而不需要进行额外的配准和重采样。三轨差分干涉只有一幅干涉图包含了差分干涉的相位信息，另外一幅是作为参考消除由于地形所引起的相位变化，在精度和实效上要优于二轨，其基本流程如图1所示。

1）对选取的SLC数据进行精确的配准。SLC数据即包括相位信息又包括强度信息，强度信息用于配准，对相位信息进行处理就可以得到形变值。

2）主图像与第二幅图像经过配准后，经干涉处理形成干涉像对1，然后复共轭相乘从而获得干涉条纹图。

3）干涉条纹图中常常包含有噪声干扰，而且平坦地表因没有高程的变化，也会产生线性变化的干涉相位，称之为平地效应。平地效应使干涉相位图呈现为密集相见的条纹，一定程度上掩盖了地形变化引起的干涉条纹变化。因此干涉条纹图需要首先去除平地效应，最后再把去平地效应的干涉图进行滤波处理。

4）对去平地效应和滤波后的干涉条纹图进行相位解缠。主图像与第三幅图像进行配准，经过干涉处理形成的干涉像对2，再去除平地效应，进行滤波处理。

5）对解缠后得到的两幅干涉条纹图作差分处理，此时得到的结果是斜距坐标，最后需经过地理编码转换为地理坐标系下的地表形变图。

4 三轨法D-InSAR技术在龙滩水电站地表变形中的应用

4.1 研究区域及数据介绍

研究区域处于龙滩水电站附近，采用的是Radarsat-2数据，综合考虑雨季时间段，斜坡的倾斜角，分辨率，滑坡的朝向等因素，所选用数据是超精细HH极化产品模式、分辨率是3m、幅宽是6*6 km的降轨数据 ，入射角为39.57°。

4.2 数据处理实例

采用三轨法对Radarsat-2数据进行差分干涉处理，影像1与影像2以影像1为参考形成干涉像对1，只包含地形信息，分别与影像3、4、5形成干涉像对2，包含了形变信息。

4.3 差分干涉图的形成

①图像配准：利用上述影像，进行图像配置流程如下：生成偏移值文件→偏移量的初始估计→生成精密偏差估计多项式→生成偏移多项式；最终配准误差为：距离向0.0847个像元 方位向0.0118个像元，配准误差小于0.1个像元，符合标准。

②生成干涉图：利用GAMMA软件生成干涉图效果如图3。

③去除平地效应，然后经过计算相干性→干涉图滤波，获得去平后的干涉图3。

④相位解缠。利用GAMMA软件，完成解缠掩膜的生成、自适应降低掩膜的采样、加权内插填补解缠后图像的缺口，用内插后的解缠相位为模板解缠初始干涉图3。

⑤差分干涉图的生成：生成用于差分干涉的参数文件，然后相位转换为形变图。

4.4 变形区域的识别

在处理的过程中，很多环节都有可能产生误差，导致获得的SAR数据及生成的干涉图产生偏差，从而影响分析结果。为了尽可能的去除误差引起的错误值，把研究区域内的处理结果根据相关系数的高低，位移值的大小等因素进行一定的过滤处理。本文选用了8月17日和10月25日的两期数据来分析研究区域的形变情况，对比光学影像，找到变形的区域，并结合实地调查确定可信的变形区域，对变形作出分析。

区域1部分发生了沉降，并且形变比较明显，呈现出一种时间上变化的连续性，而且变化的数值和范围逐步变大。从空间上看，监测结果中一直呈面状分布，说明该处处于整体滑动状态，后经现场验证此处为一处于活动状态的古堆积体。区域2部分发生抬升，其在雨季的变动量较大，在此区域的上面可能发生了滑坡，松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低，容易产生变形面下滑，这些土、岩下滑到此区域，导致出现地面抬升的现象。此移动区域离坝址较远，不会对库区产生太大影响。

5 问题及其展望

D-InSAR处理过程中受到时间失相干、空间失相干和大气影响等各种误差的制约，虽本文在处理过程中结合了可信区域分析和过滤处理，这些处理能较好的减少一些无效的监测值，但最后提取出变动区域的形变值还包括大气效应等引起的误差值。这对区域地表位移的动态识别并不产生影响，却会影响监测位移值的精度。

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[责任编辑：曹明明]