地基InSAR技术及其典型边坡监测应用

刘 斌， 葛大庆， 李 曼， 张 玲， 王 艳， 郭小方， 王 毅

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

目前星载雷达干涉测量系统已在国内外地表形变监测研究和应用中取得了显著效果。但就地面多类型、多尺度形变测量而言，星载雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar， InSAR)技术监测的实时性受制于卫星重访周期的限制，连续测量能力不足，致使快速变形活动的实时监测难以满足。同时，星载合成孔径雷达入射方向单一，对于如自然滑坡、矿山边坡和冰川等局部变形监测，其入射角、空间分辨率和覆盖范围难以满足要求。

针对上述问题，地基InSAR的研究与试验应运而生。欧洲一些研究者基于星载InSAR技术的经验率先开展了观测设备研制，并逐步投入实际应用[1]。相对星载InSAR技术系统，地基InSAR可针对形变场的演化特征进行灵活监测，弥补了星载InSAR入射方向单一、实时监测能力较弱等方面的不足，在边坡、冰川和桥梁等领域应用效果显著。

本文以IBIS-L地基InSAR系统作为监测工具，开展了针对边坡形变测量的关键技术研究，从能源、交通、观测条件和目标类型等9个方面探讨了数据采集方案设计应该注意的事项。在此基础上，针对灾后滑坡、降雨条件下人工不稳定斜坡、露天采矿边坡以及冰川运动等4种类型边坡活动开展了测量示范和试验研究。

1 IBIS-L地基InSAR系统边坡形变测量关键技术

1.1 IBIS-L地基InSAR形变测量技术原理

IBIS-L地基InSAR系统是地基InSAR系统的一种，它将步进频率连续波技术、SAR技术以及InSAR技术融合在一起来获取目标的地形/形变信息。该系统的工作模式一般采用连续模式对工作区进行不间断观测。

地基InSAR形变测量示意如图1所示。图1中设置固定观测基站观测目标点P，P′为P移动了距离d后的位置。形变前后的主副图像相位分别为φM和φS，两者的干涉相位ΔφMS可表示为

(1)

图1 地基InSAR形变测量示意图[2]

式中：MP和SP′分别表示传感器到P和P′的距离；λ为雷达波长，由式(1)可得目标点P的形变量d为

(2)

式(2)是在空间基线为0，且不考虑干扰项的情况下得到的形变理论关系式。但在非连续观测模式下，空间基线可能不等于0。因此，干涉相位的完整表达为

ΔφMS=φGeom+φDefo+φAtmo+φNoise+2kπ ，

(3)

式中：φGeom为地形相位；φDefo为形变相位；φAtmo为大气延迟相位；φNoise为噪声相位。

1.2 IBIS-L地基InSAR数据采集观测方案设计

充分收集观测区域基础地理数据、地质数据和遥感数据等资料，通过野外实地勘察，掌握边坡位置、交通、地质环境和结构特征等。观测方案设计应充分考虑以下内容：

(1)持续供电。为了保证长时间的连续监测，地基InSAR系统需要持续供电。该套设备的备用电池仅能维持10 h左右，在长时间的连续监测过程中，应采用交流电持续供电。所以，选址时应选择离电源比较近的地方，或采用发电机供电。

(2)交通便利。地基InSAR系统设备是精密而又贵重的仪器，在搬运过程中要轻拿轻放。由于该套设备体积大且较重，在选址时应该选择交通比较便利或者容易搬运的地方。

(3)监测距离和范围。在实际情况中，应根据地形地貌条件将地基InSAR的监测距离控制在合理的范围内，即最远监测距离不能超过4 km，最大覆盖范围不能超过7 km2。在此前提下，监测距离越大，误差越大，监测效果越差，所以应该尽量缩短监测距离。

(4)通视条件。地基InSAR应该在通视条件下工作，在工作点与监测区域之间不能有障碍物存在。如果存在障碍物，监测对象的反射强度会受到影响，影响最终的数据处理结果。

(5)仪器安放点稳定性。在监测过程中，地基InSAR系统应该保持水平，不能受到扰动。所以在选址时要考虑仪器安放点的稳定性，最好安放在稳定的基岩上。

(6)观测墩的修建。根据观测区域实际情况和精度要求，考虑是否采用观测墩。

(7)仪器架设位置。观测边坡时，应对仪器视线方向和主滑移方向的夹角进行权衡，夹角越小，对形变信号越敏感，但不利于接收回波信号。

(8)滑坡植被。地基InSAR雷达波频率高，波长短，其信号对目标体的变形比较敏感。但如果在监测范围内植被较多，由于植被在风的影响下会发生摆动，雷达将不能很好甚至不能接收到地表变形信号，这就会严重影响测量结果。因此，监测区应选在植被稀疏的区域。

(9)反射器的安装。野外监测区域难免出现植被覆盖情况，以及考虑到后期数据的地理编码等问题，根据地形地貌条件在一些稳定的、接近滑坡的地方做一些参考点，可以在这些参考点上安置角反射器。另外，在滑坡上一些感兴趣点也可以安置角反射器。

1.3 IBIS-L地基InSAR时序分析流程

IBIS-L地基InSAR形变时序分析流程主要包括原始数据聚焦、影像质量检查、特征点选取和形变分析等4部分[3-4]。

1.3.1 原始数据聚焦处理

天线波束内单个目标的回波信号会出现在线性轨道的每一个位置以及所有频率的原始数据中，此时的图像处于散焦状态。对原始数据的每一个像元来说，理想点目标具有相同的强度，并且相位是发射频率和传感器在轨道上位置的函数，强度和相位观测值需要转换到具有空间分辨率的格网上。图像聚焦分为距离向和方位向聚焦，聚焦使得图像具有距离向和方位向空间分辨率。

1.3.2 影像质量检查

由于SAR系统采用侧视成像，将会在SAR影像中产生叠掩、阴影和透视收缩等几何失真现象，可利用地基InSAR初步观测一组数据，通过强度图、热信噪比、估计信噪比、时间相干性、空间相干性和相位稳定度等查看该组影像的观测质量，以判断地基InSAR观测位置、方位和仰角等是否满足要求，及时调整观测角度以满足监测要求。

1.3.3 特征点选取

地基InSAR形变时序分析是基于相干点目标进行的，一般通过设置估计信噪比、相干系数和相位稳定度满足一定阈值的像元，筛选出稳定的相干点目标。由于IBIS-L系统采用Ku波段雷达(波长λ为17.4 mm)，其对形变信息非常敏感，初始形变时序分析得到的形变信息不但包含实际形变，还包括温度、湿度、气压和粉尘等环境变化引起的相位变化。因此，需要在稳定区域内选取一定数量的估计信噪比、相干系数和相位稳定度高的点作为地面控制点(ground control point, GCP)，通过对所有GCP在视线向的形变时序曲线加权平均，建立环境相位时序校正函数，消除环境因素的影响。

1.3.4 形变分析

地基InSAR时序分析主要采用简单网络和冗余网络组合方式对聚焦后的影像对进行干涉处理，为提高处理效率，工作中可采用简单网络组合方式对相邻时刻影像两两干涉处理。IBIS-L系统一般采用连续观测模式，且观测距离较短，空间基线为0，因此无需进行图像配准和地形相位补偿。由于连续模式观测数据采集时间短，目标的形变速率v在相邻的SAR影像获取时间间隔Δt内，一般能够满足|v|<λ/4Δt，因此避免了相位解缠。

2 滑坡灾后稳定性地基InSAR监测应用

2.1 研究区概况

2014年9月1日06：00至2日05：00重庆奉节大树场镇发生了大面积山体滑坡，冲毁了3栋楼房并阻断了奉竹公路。滑坡区位于梅溪河左岸斜坡地段，滑坡区上部为治理后的危岩带，如图2(a)所示。

(a) 滑坡灾后现场(b) 地基InSAR观测现场

图2大树场镇滑坡

Fig.2LandslideinDashuchangTown

该滑坡区为构造剥蚀侵蚀中山斜坡地貌，总体上东高西低，最高点和最低点分别位于滑坡区东侧山顶和梅溪河支流崔家河河谷。主要地貌类型包括陡崖、斜坡和河谷堆积地貌，陡崖分布在滑坡区斜坡中上部，南高北低，陡崖带长约440 m，高度为30～65 m，近乎直立，2011年完成危岩带治理工程，处于稳定状态； 斜坡为滑坡区的主要地貌类型，分布在陡崖带的上部和下部，上部陡斜坡总坡高约80 m，平均坡角约43°，下部斜坡总坡高约200 m，呈折线形，其上部较陡，坡角约55°，下部稍缓，平均坡角约32°，斜坡脚部为生活区； 河谷堆积地貌分布于斜坡坡脚外，为梅溪河支流崔家河河谷堆积地貌区，地势比较平坦，该区域位于在建的大树场镇新区，已修建了多栋住宅楼。

2.2 观测站选址及设备参数配置

本次观测将地基InSAR系统架设于滑坡体正前方一个宽敞、稳定的场地上，设备前方视野开阔，无任何物体遮挡，扫描区域能够完全覆盖治理后的危岩带和滑坡区，2个观测区域植被覆盖稀少，满足了监测的基本条件(图2(b))。观测时间自2014年9月23日17:06至26日8:53，考虑到高角度斜坡观测，天线倾角设置为15°，有利于回波信号接收，地基InSAR系统其他参数设置如表1第1类所示，共获得654景SAR影像。观测期间，高温、阴雨和强降雨等恶劣天气对IBIS-L地基InSAR系统几乎没有任何影响[5]。

表1 IBIS-L地基InSAR系统观测参数配置

2.3 数据处理及结果分析

本次观测数据处理选取了位于治理后危岩带上的4个GCP，由于观测时间相对较短，滑坡体上部治理后的危岩带在观测期间可认为基本保持稳定； 当地相关地质部门全球定位系统长期观测结果也表明危岩带基本稳定。IBIS-L系统测量精度能控制在[-0.5 mm，+0.5 mm]范围内。该观测区经过时空滤波的累积形变如图3所示。

图3 大树场镇滑坡地基InSAR观测累积形变

图3表明，观测期间治理后的危岩带基本处于稳定状态； 但滑坡区上存在2处显著活动区，分别位于滑坡区左侧中上部(图2(b)区域Ⅰ和图3区域Ⅰ)和右侧中上部(图2(b)区域Ⅱ和图3区域Ⅱ)，这2处形变区域主要是由堆积松散土的滑动引起的，滑移区域Ⅰ和Ⅱ最大变形分别达到120 mm和75 mm。该观测区典型像元时序形变分析如图4所示。

图4 大树场镇滑坡典型像元时序形变分析

从图4可以看出，危岩带相干点P30[-37.2 m，443.8 m]形变时序分析表明，治理后的危岩带比较稳固。滑坡区2处显著活动区的形变时序特征大体一致： 9月23日17:00至24日10:00，当地天气多云转阴，空气湿度为70%～75% rH，相干点都以较小的下滑速度滑移，Ⅰ处(如P59[-6.2 m，351.7 m])下滑速率最大约为1.5 mm/h； 24日10:00左右，当地开始降小雨，空气湿度陡升至90% rH左右，区域Ⅰ和Ⅱ表面整体发生了陡滑现象； 14:00降雨突然变大并持续2 h，滑移区域下滑速率加快；P59处至观测结束仍处于快速下滑状态，而Ⅱ处(如P62[46.5 m，275.8 m]和P65[72.2 m，304.3 m])在25日12:00基本处于稳定。根据区域Ⅰ和Ⅱ特征点的形变时序分析，降雨冲刷松散土表层是造成2处活动区加速下滑的主要原因。

3 人工不稳定斜坡地基InSAR监测应用

3.1 研究区概况

人工不稳定斜坡位于神农架林区某度假酒店建设场地的西北部，狭长槽谷谷坡的下部。该区总体形态呈“舌”型，自然地形呈南高北低，地形坡度为17°～20°，局部陡坎为40°～60°。坡面受人类活动的影响，植被较少，地形整体条件不利于坡体的稳定。

(a) 不稳定斜坡现场(b) 地基InSAR观测现场

图5神农架林区不稳定斜坡

Fig.5UnstableslopeinShennongjiaforestregion

3.2 观测站选址及设备参数配置

在前期的勘查中，拟将地基InSAR系统安置在神农架旅游公路北侧的冲沟内，其沟口正对着不稳定斜坡，扫描区域能够完全覆盖，沟口右侧地表部分基岩出露，较为稳固。但该冲沟坡降大，且沟内残存有建设神农架飞机场的大量弃渣，在暴雨工作情况下多次发生过泥石流。考虑到观测期间持续降雨(中到大雨)，存在爆发泥石流的可能性，因此地基InSAR系统架设在公路北侧路边，这种近距离的观测造成了观测区域只覆盖了不稳定斜坡部分区域[6]。

本次观测时间自2014年9月27日11:48至19:06，共获取74景影像，观测参数如表1第2类所示。由于观测距离较短，为了获得较大的视场，天线倾角设置为20°，可令视线方向与形变方向的夹角较小，有利于形变信号的提取。近距离的观测保证了空间分辨率和观测精度，但较大的天线倾角不仅减弱了雷达回波信号，同时造成了影像遮掩现象，使得不稳定斜坡的中部和上部平台的底部无法观测到。

3.3 数据处理及结果分析

扫描到的区域大部分点回波信号较好，视场中部0+165桩附近出露基岩处选取了2个基准GCP，用以校正形变时序结果。不稳定斜坡底部大部分位置为基岩，并进行了防滑处理，整体较为稳定。出露基岩上的相干点(如P20[-30.0 m，92.9 m])的时序分析结果表明本次观测的测量精度基本能控制在[-0.5 mm，0.5 mm]内。地基InSAR观测不稳定斜坡的累积形变如图6所示。

图6 神农架林区不稳定斜坡地基InSAR观测累积形变

由图6可知，不稳定斜坡中上部有整体靠近仪器的趋势，即整体下滑； 斜坡平台自下往上累积形变量逐渐增大； 较大形变出现在不稳定斜坡的第一级平台的流水沟附近(图5(b)区域Ⅰ和图6区域Ⅰ)以及第三级平台中部的土堆处(图5(b)区域Ⅱ和图6区域Ⅱ)，最大累积形变达到25 mm，这主要是暴雨积水导致的第三级平台中部堆积土层塌陷以及第一级平台表层覆土滑动。该区典型像元时序形变分析如图7所示。

图7 神农架林区不稳定斜坡典型像元时序形变分析

不稳定斜坡第二、三级平台(如P36[3.6 m，116.6 m]，P1[-20.0 m，145.9 m])在观测期间前4 h内下滑速度较大，随后下滑速度放缓，这与降雨情况非常相关，观测区前4 h内一直持续暴雨，之后转为小雨。第一级平台流水沟处(如P34[10.9 m，72.3 m])在前3 h下滑速度较小，随着持续降雨造成土体松动，随后呈现出加速下滑的趋势。

4 露天采矿边坡稳定性地基InSAR监测应用

4.1 研究区概况

备战铁矿矿区位于天山主峰―博罗霍洛山北坡的中高山区，山体走向近EW，地势南高北低，高程为3 862～3 416 m，地形坡度为25°～35°之间，沟深坡陡，属高山深切地貌。矿体位于山谷地形，东、南、西三面环山，仅有北面为狭长山谷。目前采用“露天开采+公路开拓汽车运输”方案，自上而下水平分层台阶式采矿方法。全矿圈定了一个露天采矿场，采场共设17个最终台段，最终台段高度为24 m，最终边坡角为50°～51°，设计露天开采标高为3 704～3 284 m。矿区属次不稳定区，现状地质灾害不发育，露天开采已形成了大采坑，对地质环境有一定破坏和影响，矿区地质环境质量中等，现场情况如图8(a)所示。

(a) 露天采矿观测现场 (b) 地基InSAR观测现场

图8备战铁矿3号矿体露天采矿边坡

Fig.8Open-pitslopeinNo.3orebodyofBeizhanironmine

4.2 观测站选址及设备参数配置

2015年6月29日21：06至7月2日14：37，对备战露天铁矿3号矿体开采面进行观测，地基InSAR系统安置在矿体开采面对面的观景台旁边，设备所处位置稳定，观测视野开阔，无障碍物遮挡，适合架设观测设备。本次虽为高边坡观测，由于设备所处高程与开采面中部相当，考虑到能尽可能观测到开采面全貌，故采用增高垫抬高仪器，并设置天线倾角为5°，雷达系统其他参数设置如表1第3类所示，共获得雷达影像650景。观测期间，系统经历了大风扬尘、放炮作业和雨雪冰雹等恶劣条件影响，但仍圆满完成了边坡持续观测[7]。

4.3 数据处理及结果分析

由于矿体所处山谷地形气象条件复杂多变，观测视场内不断有矿车经过扬起漫天尘土，因此数据处理过程中环境因素校正工作十分棘手。本文提出了在稳定区域均匀选取GCP的方法，根据这些GCP利用加权最小二乘法估计校正系数，准确提取了观测区域的形变信息(图9)。

坚硬铁矿岩石上的相干点(如P3[72.8 m，634.2 m])的时序分析结果表明，本次观测的测量精度能控制在[-0.5 mm，0.5 mm]内。地基InSAR累积形变结果表明，虽然开采现场环境复杂(多变的天气、漫天粉尘、矿车和铲车的扰动等)，但开采面整体保持稳定； 形变较大的区域位于开采面底部(图8(b)区域Ⅰ和图9区域Ⅰ)，最大形变量超过15 mm，主要是由爆炸点处的堆积铁矿石滑动以及铲车移动铁矿石等因素造成的； 开采面上方的“V”型松散土层凹谷(图8(b)区域Ⅱ和图9区域Ⅱ)表层也有稍微的滑动，最大滑动速率约2 mm。该区典型像元时序形变分析如图10所示。

图9 备战铁矿露天采矿边坡地基InSAR观测累积形变

相干目标时序分析结果显示，开采面上方的“V”型松散土层凹谷表层有轻微持续下滑趋势(如P47[-75.7 m，612.1 m])，在雨季需要进行关注。形变最大区域位置上方的相干点(如P5[0.0 m，568.8 m])则呈现出较大的持续下滑趋势，主要是在铲车和矿车等人为扰动下，松散铁矿石层因自身重力下滑导致的。开采面底部形变最大区域位置(如P32[-7.1 m，538.7 m])观测初期处于较为稳定的状态，由于铲车移动铁矿石，于7月2日00：00开始加速下滑，最大下滑位移超过30 mm。

图10 备战铁矿露天采矿边坡典型像元时序形变分析

5 冰川运动地基InSAR监测试验

5.1 研究区概况

备战铁矿矿区东北部数百米处即为天山山脊，山脊线多为尖棱状，常年冰川覆盖，具有典型冰川地貌特征，现代冰川、冰蚀洼地、冰川“U”型谷和冰蚀崖较发育。选矿厂及生活区与矿区通过一条简易公路连接，分别位于天山主脉南北，为穿越天山主脉在海拔3 800 m处修建了一条隧道。本次冰川运动观测试验旨在研究地基InSAR探测冰雪边坡与冰川活动的可行性。所选的冰川位于隧道南口旁边(图11(a))，由于近几年的铁矿开采、大量矿车扬起的路面粉尘以及全球气温升高等因素影响，导致冰舌退缩加剧，冰川面积缩小。

(a) 备战隧道南口冰川现场 (b) 地基SAR观测现场

图11备战隧道南口冰川

Fig.11GlacierinthesouthofBeizhantunnel

5.2 观测站选址及设备参数配置

地基InSAR系统安置在靠近冰舌末端的简易公路边平台处(图11(b))，观测平台稳定，视野开阔，满足地基InSAR观测要求。数据获取时间跨度为7月3日12： 46—17： 29，共采集43景SAR影像，具体参数如表1第4类所示。冰川表层滑动情况复杂，确定稳定的GCP具有一定的难度，同时由于冰舌属于低倾角边坡，本次地基InSAR观测试验选取雷达视角5°扫描，这种情况下两侧山体雷达信号强度高，便于在两侧山体选取GCP，冰舌表碛以及正对的冰雪覆盖层亦具有较强的回波信号[8]。

5.3 数据处理及结果分析

数据处理所选的GCP位于两侧山体的基岩上，观测时间仅4.7 h，认为GCP没有发生移动。稳定区域观测点(如P32[-156.5 m，1 009.3 m])地基InSAR时序分析结果表明，隧道南口冰川运动的观测精度控制在[-0.5 mm，0.5 mm]内，能够满足监测需要。该区累积形变及典型像元时序形变分析分别如图12和图13所示。

图12 备战隧道南口冰川地基InSAR观测累积形变

图13 备战隧道南口冰川典型像元时序形变分析

本次观测的前一晚该地区普降大雪，观测期间冰雪融化使得冰舌表碛产生滑动，远处的冰川积雪也产生了一定的滑动，远处冰川和冰舌上段都发生了朝向雷达方向的移动(如P26[-308 m，582.9 m]和P30[-232.1 m，668.6 m])，最大滑动位移超过15 mm。左侧山体底部松散土层个别区域发生了下滑(如P18[-172.6 m，881.1 m])，相对于雷达传感器来说，发生了远离雷达传感器的运动，在地基InSAR累积形变图上呈现正值。本次观测时间较短，IBIS-L地基InSAR系统采用的波长较短，观测结果反映的一般是冰川表碛和积雪等的滑动情况。为了获得冰川的整体活动情况，以后的工作中需要采取在冰川上架设角反射器、选取与冰川整体运动情况较为一致的天然散射体等措施，采用波长较长(如X和C波段)的地基InSAR更利于冰川整体运动观测。

6 结论

地基InSAR技术已发展成为一种较为常规的地表微小形变监测手段。目前地基雷达类型呈现出多样化，调频连续波雷达技术的发展丰富了地基InSAR的工作模式，提高了设备的可操作性，减少了数据采集时间。噪声雷达技术和多入多出技术的应用进一步提高了数据采集时间。观测方式更加灵活，可根据研究区形变特征自由设计最佳观测方案。设备更加稳定，可长时间在恶劣天气下进行持续观测，观测数据质量可靠。数据处理简单快速，能在十几分钟内处理完几天的观测数据。

本文通过研究和掌握以IBIS-L系统为代表的地基InSAR边坡运动监测关键技术方法，对不同变形特征的观测方案和数据处理方法进行了优化，并开展了灾后滑坡、人工不稳定斜坡和露天采矿边坡等的监测示范应用，以及冰川运动的监测试验。相关工作验证了地基InSAR设备较为稳定可靠，地基InSAR技术监测边坡活动能达到亚毫米级精度，扩展了地表形变灾害InSAR调查与监测手段，为星载和地基InSAR技术在地质灾害和地质环境变化等地表形变监测方面的综合应用奠定了技术基础。

致谢： 本研究是在中国地质调查局科外部、中国国土资源航空物探遥感中心的科学管理下顺利完成的。开展示范和试验的过程中得到了中国地质科学院力学研究所李滨博士、中国地质环境监测院王文沛博士、三峡大学涂鹏飞主任和新疆天山矿业备战铁矿胡江涛高级工程师等专家的大力支持，安志宏博士和郭兆成博士等也给予了热情的帮助； 监测过程中联合中国科学院测量与地球物理研究所应用IBIS-L地基InSAR系统进行数据采集，得到了江利明研究员团队诸位同仁的支持和帮助，柳林、孙亚飞和高斌斌等博士、硕士也参与了野外试验,在此一并表示衷心的感谢！

[1] 刘斌,葛大庆,李曼,等.地基合成孔径雷达干涉测量技术及其应用[J].国土资源遥感,2017,29(1):1-6.

[2] Monserrat O.Deformation measurement and monitoring with ground-based SAR[D].Barcelona:Universit at Politècnica de Catalunya,2012.

[3] IDS corporation.Interferometric Radar(IBIS) Technical Papers[EB/OL].https://www.idscorporation.com/georadar/more-information/technical-papers.

[4] Rödelsperger S.Real-time processing of ground based synthetic aperture radar(GB-SAR) measurements[D].Hessen:Technische Universität Darmstadt, 2011.

[5] 刘斌,葛大庆,张玲,等.地基雷达干涉测量技术在滑坡灾后稳定性评估中的应用[J].大地测量与地球动力学,2016,36(8):674-677,693.

[6] 高斌斌,江利明,孙亚飞,等.大型人工边坡稳定性地基InSAR监测研究[J].遥感信息,2016,31(6):61-67.

[7] Liu B,Ge D Q,Li M,et al.Using GB-SAR technique to monitor displacement of open pit slope[C]//2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Beijing:IEEE,2016:5986-5989.

[8] 柳林,江利明,高斌斌,等.山地冰川运动地基InSAR监测试验[J].测绘通报,2016(4):54-57,63.