D—InSAR技术在地震滑坡监测中的应用

任峰

摘 要：该文首先在全面回顾该技术在国内外滑坡监测中的应用现状和实例的基础上，详细地推导了D-InSAR技术监测形变的原理公式并介绍了方法和数据处理流程，选取研究区2007-2009年10景ALOS PALSAR数据，通过分析时空基线构建4个干涉对，分别获取了震前和震后不同时段的滑坡分布及滑坡位移，并对滑坡位移及相干图进行了分析。与传统监测方法相比较，INSAR技术在滑坡监测方面主要具有全天候、大范围、高分辨率、高精度等优势。试验证明基于雷达干涉测量技术联合多源观测数据是进行滑坡地质灾害定量监测的最有效的手段之一。

关键词：ALOS PALSAR数据 InSAR D-InSAR 汶川地震 滑坡监测

中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0022-03

地震诱发的滑坡、崩塌等地质灾害因其巨大的致灾力而广泛引起人们的关注，仅20世纪，地震地质灾害已经造成数十万人丧生和几十亿美元的损失。强烈地震时，地震诱发的滑坡灾害，特别是山岳地区，其危害比地震直接造成的损失还要大。

遥感技术因具有覆盖范围广、图像获取方便等特点，能够客观、全面地反映地震后灾区的景观，能为震害调查、损失快速评估提供科学依据，对地震经济损失评估也具有重要意义。我国曾对1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震等大震进行了震后灾区航空摄影，并积累了丰富的震害遥感影像判读经验（陈鑫连，1995；魏成阶等，1993）。在2003年的伽师6.8级地震中，王晓青等根据以往震害影像统计并结合该次地震震害遥感特征，提出了遥感震害分级分类标准和地震烈度划分标准，进而得到基于震害遥感影像的伽师地震等震线图（王晓青等，2003）。然而光学影像由于受天气状况的制约，如果震后出现云雨等恶劣天气，则利用光学影像进行震害调查就会受到极大限制。

由于雷达波可以穿透云雾，并且具有全天时、全天候获取地面散射特性的能力，就可以克服上述弱点。因此，SAR遥感平台获取的雷达影像数据越来越受到人们的关注。Yonezawa和Takeuchi（2001）對1995年日本兵库县南部（Hyogoken-nanbu）地震前后的ERS-1/SAR图像的相干性进行研究，发现地震前后的两幅SAR图像有明显的失相干性，这种失相干性的大小、分布与地震中地面破坏程度、房屋倒塌情况及其分布状况有明显的关系。2001年Ferretti以覆盖意大利Ancona地区34幅ERS SAR影像为数据源，成功监测了该地区的滑坡形变，结果表明滑坡体PS点的线性形变速度超过3mm/a。之后，Colesanti等对Ancona滑坡体进行了再次研究，采用1992-2000年的61幅ERS卫星雷达影像，探测了4×5km2的滑坡体形变，结果与水准测量一致。

国内采用SAR技术监测滑坡形变的研究起步比较晚。张景发等（2002）曾利用合成孔径雷达（synthetic aperture radar，简写为SAR）图像对张北地震进行了震害评估研究；另外，2008年程滔等使用EnviSat数据监测了陕北黄土地区的滑坡，根据InSAR地表形变监测数值大小划定了4个重点滑坡区域；2011年王桂杰等采用3景ALOS/PALSAR影像对金沙江下游乌东德水电库区内的滑坡分布进行了详细的研究，获得研究区域内地表高精度形变位移值，根据位移速率和位移大小成功辨别出可能发生的滑坡位置和滑动较大的区域；2013年王志勇等以北京房山区史家营滑坡为实验区，选取7景PALSAR雷达数据构建4个干涉对，获取了不同时段的滑坡分布和滑坡位移，以地面实测GPS数据为参考，结果表明雷达干涉测量监测滑坡精度可以达到1 cm。

针对我国当前的主要地质灾害类型及其分布特征，SAR卫星数据的应用主要集中在地质环境变化过程中的地质灾害应急响应、灾害现状调查、形变监测三个方面，形变监测主要应用SAR数据相位信息，其他两个方面则主要利用SAR数据强度信息。利用高轨SAR数据实施应急监测，及时获取灾情信息，为抗震救灾和应急救援提供预警和决策支持。

1 基本原理

1.1 D-InSAR技术

D-InSAR（Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar）即合成孔径雷达差分干涉技术，是在主动式微波合成孔径雷达SAR相干成像基础上，如果空间基线足够小利用多次重复观测可以进行地表微小形变检测的技术。它是迄今为止独一无二的基于面观测的形变遥感监测手段，可补充已有的基于点观测的地空间分辨率大地测量技术。通过差分干涉雷达技术获取地表的形变信息，主要有3种方法即已知DEM的二轨法、三轨法和四轨法。

该文采用的是二轨法差分干涉处理方法。它是利用研究区地表变化前后两幅影像生成干涉纹图，从干涉纹图中去除地形信息就得到地表变化信息。这种方法的优点是无需进行相位解缠，减少处理工作量；缺点是在无DEM的地区无法采用上述方法，另外在引入DEM数据的同时可能带来新的误差。

1.2 SAR强度图像比值变化检测

对于突变型滑坡，由于变化速度快，形变量可能超出干涉测量的形变监测梯度，所以可以采用变化检测的方法，通过对变化前后的幅度影像进行差值、比值处理，保留强度比值中过大或过小区域，进行滑坡区域的探测及定位，以实现形变区域提取。采用两幅SAR影像之间的强度比值的方法检测图像发生变化区域，保留强度比值中过大或过小区域，进行滑坡区域的探测及定位，检测原理如下式：

Ratio为最终形变检测结果。

要进行变化检测，首先要对两景影像进行配准。两期配准精度小于1/8像元。对于精确配准的两个时相图像来检测变化，最常规的方法是图像相减或比值处理。其他的处理方法，如多时相数据分类及主成分变化等，已被光学遥感数据处理的经验证明效果不如图像相减或比值方法。而比值的分布只依赖于相对变化，因此从统计模型来看，比值方法比图像相减方法更适用于变化检测。此外，由于很多辐射误差是乘性的，比值方法对辐射误差有更强的适应性。但是，差值法获得的SAR图像差异信息也能起到重要的补充作用。endprint

1.3 偏移量跟踪技术

偏移量跟踪技术可以同时获取地表二维形变场：斜距向（或地距向）及方位向形变量，此方法不需要解缠，适合应用于形变量较大，超过InSAR技术可监测最大形变梯度的情况。偏移量反映了地表点在两幅影像中的位置偏差，包含系统偏移量及局部偏移量，系统偏移量可使用影像匹配去除，采用二次多项式函数拟合可匹配到1/8像元；局部偏移量主要由地表形变引起，运用偏移量追踪法可使影像在距离向与方位向的配准精度优于1/30像元，即此方法理论上求取的形变量精度可达1/30像元。

2 数据结果处理与分析

2.1 D-InSAR数据处理与分析

（1）原始数据处理。

通过雷达成像算法进行多普勒参数估计与成像处理，由原始信号数据生成单视复数据及相应的参数文件，生成主影像SLC和副影像SLC。

（2）复数影像配准。

影像配准主要是获取副影像中个点相对于主影像在方位向和距离相的偏移量，对副影像重采样，然后与主影像配准。配准精度需要达到子像素级才具备干涉的条件，如配准误差大于或等于一个像素，则主副影像是完全不相关的，即相应点间相关系数为0，得到干涉图纯粹为噪声。

（3）计算干涉相位及多视处理。

经过InSAR图像精确配准后，便可通过两个复数影像共轭相乘计算每一个同名像点上的相位差，即干涉相位。

（4）相干性估计。

得到干涉图后，干涉图质量评价主要有相干图、伪相干图、相位导数变化图以及最大相位梯度图。相干系数图沿着汶川地震的主断裂带，受地震的严重破坏两次成像期间地面发生很大变化，图上比较暗，相干性小。

（5）去地形效应。

要获取形变干涉图需要消除地形相位信息，本文使用二轨差分法，借助外部DEM数据，先配准，再模拟地形干涉相位，消除地形影响。

（6）去平地效应。

平地效应（Flat-earth Effect）是高度不变的平地在干涉图中所表现出来的干涉条纹，使干涉纹图的频率产生偏移。消除干涉图中平地效应引起的相位的过程即称为“去平地效应”。去除平地效应后利于后期的相位解缠。所以，在进行干涉图滤波增强和相位解缠前就进行去平地效应处理。

（7）相位解缠。

利用干涉测量技术生成的差分干涉图中，所得到的差分相位值是必须解缠的。由于实际上得到的相位值只是相位的缠绕值（即相位主值），其取值范围在（-π，π）之间，为了得到真实的差分相位值，必须在这个范围的基础上加上或者减小2π的整倍数，求解出真实差分相位值，这个过程就是相位解缠。所以将干涉纹图的相位主值或相位差值恢复到真实值得过程统称为相位解缠。

（8）滑坡灾害识别。

对2007年12月21日和2009年12月26日两期影像对进行差分干涉处理，其中，干涉对的空间基线571m，时间基线736天。通过观察编码后的差分干涉图，对滑坡进行识别。

2.2 SAR强度图像比值数据处理与分析

由于汶川地震造成了研究区内大量滑坡，故选取震前20080507与震后20080622两景影像对研究区进行滑坡变化检测。图2为20080507_20080622强度比值图、20080507强度图、20080622强度图进行RGB的合成图。

2.3 偏移量跟踪数据处理与分析

由于汶川大地震造成剧烈形变，导致失相干严重，利用常规D-InSAR手段很难反演出地震区域的形变情况，所以利用偏移量跟踪技术对地震中心区域的形变进行反演。

该次采用2007年12月和2009年12月两景数据进行偏移量跟踪技术试验。干涉对空间基线571m，时间相隔736天。设定64×256搜索窗口，搜索区域设置成距离向64个像元和方位向256个像元。距离向采样参数设置为12个像元，方位向采用28个像元。对偏移量进行精确估计。然后将距离向和方位向的偏移值转换为形变量。图3、图4所示为20071221_20091226干涉对的地距向和方位向形变。

从图3、4中可以明显看出断裂带的形变方向，并计算出了断裂带附近地距向与方位向的形变量，其中地距向靠近卫星方位为正，方位向沿卫星飞行方向为正，从图中可以看出断裂的地理位置及空间走向。

此次偏移量跟踪计算得到的距离向和方位向形变量整体偏大。在计算方位向与距离向偏移量时，耗时很长，并且与采样参数大小相关。采样参数小，耗时长，可达十几个小时，由于时间关系，该次采用距离向12和方位向28的采样参数，因而像元偏大，导致计算得到的形变量级也偏大；另一方面，偏移量跟踪技术可用于断裂带的空间定位于形变走向定性研究，但利用偏移量跟踪获取形变量的技术本身精度较低。

3 结语

由于具有全天候、全天时数据获取能力，SAR已成为遥感变化检测数据获取的重要技术手段，尤其对传统的光学传感器成像困难地区有着特别重要的意义，如多云多雨地区等。因此，与光学数据优势互补，在多云雾地区地质灾害监测、防治与应急中发挥着不可或缺的作用。

在实际应用中应当结合DInSAR与强度变化检测方法，进而提高滑坡的识别精度。无论是对震后的灾害应急，还是对地质灾害的调查监测，SAR影像都能发挥重要的作用。

该次对汶川地区10景ALOS-1 PALSAR数据进行处理，通過偏移量跟踪方法计算了SAR影像覆盖地区地震中心的距离向、方位向偏移量，并根据偏移量结果做了断裂带的示意图。

参考文献

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