InSAR技术及其在滑坡监测方面的应用

许明

徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司 江苏徐州 221116

我国地质灾害频发，主要包括塌陷、地震、地面沉降、崩塌、泥石流、滑坡等，其中滑坡是滑坡是造成经济损失最为严重的自然灾害之一。为了降低滑坡造成的危害，地质工作人员通过现场调查滑坡所在的地质环境、坡体结构，并安装相关的仪器设备监测滑坡体表面以及内部的变化数据，从而分析其形成机制、稳定性以及诱发因素等，并作出相应的预测预报。目前，传统的监测手段主要有GPS、水准仪、全站仪、近景摄影测量和位移计等。虽然这些监测技术应用广泛并取得了不错的应用效果，但是也存在作业效率低、观测成本高、危险系数大、监测范围小等局限性。

自20世纪50年代来以来，合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）遥感理论与技术快速发展，目前已成为一种重要的对地遥感技术手段。SAR遥感采用的波长较长，因而受大气散射的影响较小，可以穿透云层、薄雾、雨和尘埃等，可以实现全天候、全天时目标探测和成像，目前已广泛应用于农林监测、地质调查、海洋监测、地形测绘、自然灾害和地质灾害监测以及国防建设等诸多方面[1]。

基于差分的InSAR技术利用光学影像目视解译或者数字图像处理方法将滑坡从其所处的地质环境中识别出来，它相对于传统的滑坡识别方法，具有全局性、时效性、准确性等优势，可为滑坡等地质灾害监测及预警提供独特的理论和技术支持。例如，在2004年，Hilley等在Science上发表了美国Berkeley地区滑坡体的时序差分雷达干涉形变监测结果。2006年，Colesanti和Wasowski对时序差分雷达干涉在滑坡中的应用进行了展望，指出其具有大范围内滑坡隐患点探测及危险性分级的定量化分析能力。然而，滑坡体上的植被覆盖常常引起干涉相位失相关，可能导致滑坡监测成功率下降，一般可在滑坡体上布置一定数量的人工角反射器（CR），以此人工加密有效的监测点。2008年，Froese等通过布设人工角反射器和InSAR分析，对加拿大艾伯塔省北部小烟流域周边的滑坡进行监测了有效监测。2010年，Fu等采取CR布设和InSAR分析，对湖北省树坪滑坡进行了有效监测，监测结果与GPS数据吻合程度很高。2013年，Crosetto等通过对西班牙Vallcebre滑坡的监测，探讨对比了滑坡监测中CR布设与安置策略。此外，针对单体滑坡动态连续跟踪问题，国内外一些学者也已开始尝试使用地基InSAR进行高精度的滑坡形变连续监测。此外，杨加利选取龙门山断裂带上典型坡区——茂县新磨村滑坡为研究对象，将PS-InSAR和SBAS-InSAR两种方法计算出的滑坡形变结果进行对比，在形变范围、形变量级、形变空间分布方面，两种方法得出的结果具有高度一致性，说明了基于InSAR技术新磨村滑坡变形监测具有可靠性。

1 InSAR技术测量原理

1.1 基本原理

合成孔径雷达干涉的物理机制源于“杨氏双缝干涉实验”。电磁波或光波穿过两条狭缝到达接收屏上同一位置时的传播距离不同，导致两束光波在该处产生一定的相位差，引起相位叠加或抵消，使得接收屏上出现明暗相间的条纹。InSAR正是基于此原理发展起来的一门新技术，在InSAR观测中，杨氏双缝干涉实验的两条狭缝等效于卫星两次国境市的轨道空间位置，而光波变成了雷达电磁波，地球表面类似于接收屏。因此，卫星SAR干涉也呈现出与杨氏双缝干涉实验类似的条纹效应。

在实际的数据处理中，可以将沿卫星重复轨道获取的两幅SAR影像对应像素的相位值进行差分，便可以得到一个相位差图，通常称为干涉相位图。干涉相位是参考椭球面、地形起伏、大气延迟和地表变形等因素贡献和的体现。图1表示卫星沿轻微偏离轨道对同一地面目标P的两次成像，即在轨道S1和S2的位置，雷达传感器分别向地面目标P发射电磁波并接收其回波信号。目标点P沿法线方向至参考椭球面的距离为h；R1、R2分别表示卫星雷达在S1和S2位置对P观测点成像时的斜距；H为卫星第一次过境时距参考椭球面的高度；O为地球参考椭球质心；B为干涉空间基线；（Bh，Bv），（B‖，B⊥）分别为空间基线沿不同方向上的分量，其中B‖，B⊥分别表示沿雷达波视线方向和垂直于视线方向的基线分量；Bh，Bv分别为沿水平方向和竖直方向的基线分量；α为基线B与水平方向的夹角；θ为雷达侧视角。它们之间存在如下关系：

图1 InSAR干涉几何模型图

理论上来说，InSAR干涉相位ψ主要由多个分量构成，包括参考椭球面相位位

其中噪声相位呈现随机性，在相位模型中以高频分量形式存在，可通过低通相位滤波的方法予以抑制，而大气相位具有高度的地形空间自相关性，在相位模型中呈现出低频信息，因此相位的高通滤波有助于减轻大气效应。在实际的干涉相位中，参考椭球面相位、地形相位和形变相位占主导地位，在InSAR提取DEM信息时往往采用较短的时间基线和较长的空间干涉对，且假设形变信息为零，此时仅需要去除参考椭球面相位分量即可获得相应的地形相位，而D-InSAR则是以提取地表形变信息为目标，地形本身也需要被计算去除。

将InSAR技术应用于山体滑坡等地表变形监测时，目前常用的以为地表形变差分信号提取方法主要包括两轨+外部DEM法、三轨法和四轨法。其中两轨+外部DEM方法使用最为广泛，主要使用跨越变形期的两幅SAR影像和该区域的外部DEM来完成差分干涉处理。首先使用跨越形变期的两幅SAR影像进行干涉处理，并去除参考椭球面相位，随后将外部DEM配准采样至影像干涉区范围内，根据干涉基线和配准后的外部DEM高程信息计算获得相应的地形相位信息，再将地形相位信息从干涉相位中扣除，最终获得包含形变信号的差分干涉相位。

1.2 处理方法

1.2.1 数据获取

目前利用已有的SAR数据大致有Terra SAR数据、ALOS SAR数据、RadarSAT SAR数据和ERS数据。其中Terra SAR数据和RadarSAT SAR数据是商业化的，ALOS SAR数据部分免费部分商业化。ERS数据是免费的，但是该数据在某些研究区域的时间间隔较长，并且没有规律性，数据完整性也比较差。目前欧空局主持的Sentinel系列卫星在2014年已经发射升空，该数据可通过网站免费下载，并且该数据时间间隔比较规律，数据完整性较好，且在中国覆盖范围较广，因此可通过Sentinel数据研究滑坡识别方法。

1.2.2 影像配准

SAR影像配准是干涉测量处理的首要步骤，其核心思想就是计算构成一个干涉对的两幅SAR影像同名点的坐标映射关系，将待配准影像（即副影像）按照映射关系采样为参考影像（即主影像）相同的像素网格，使两幅影像的同名点对应于地面同一分辨单元。卫星SAR系统采用单天线重复轨道工作模式，卫星一次通过某一地区时只能获取一幅单视复数SAR影像，卫星以一定的时间间隔和轻微的轨道偏移重复通过该地区时再次成像，由于轨道偏移，这两幅影像并不完全重合，因此需要将用于干涉的两幅SAR影像进行精确配准。

在合成孔径雷达测量中，SAR影像配准必须达到亚像元级，即亚像元级配准。一般来说，SAR影像配准精度至少达到1/8像元。为满足这一要求，干涉测量中通常对SAR影像进行粗配准，然后进行精配准。

1.2.3 相干点目标提取

根据不同的数据条件，采用不同的相干点目标提取方法。对长时间序列、大数据量的影像集进行处理，采用振幅离差进行点目标的提取，对短时间序列、小数据量的影像级，采用子视相关法进行点目标的提取。

1.2.4 影像干涉对选取和生成

根据不同的数据条件和处理要求，选择不同的影像干涉对组合策略。如果对长时间序列、大数据量的影像级进行处理，需要提取长时间序列影像的形变量，可以选取唯一一景影像作为主影像，其他影像为从影像的干涉对组合策略。如果对短时间序列、小数据量的影像进行处理，需要提取短时间内的地表形变量，可以选取影像自由组合形成干涉对的策略。

2 InSAR技术在滑坡监测中的应用

自从SAR的概念在20世纪50提出后，不断发展，逐渐被广泛应用。1991年，欧空局发射了遥感卫星ERS以来，为InSAR理论的应用和发展提供了很好的数据平台。

早期的滑坡监测主要是基于差分干涉的方法处理雷达卫星数据进行监测，该方法已经取得了一定的成效。我国学者廖明生等[2]应用InSAR技术在三峡地区进行滑坡监测。在三峡秭归研究区，他们利用高分辨率TerraSAR-X数据进行滑坡监测。研究成果表明，利用高分辨率SAR影像幅度和差分干涉相位信息可以成功检测到三峡库区滑坡发生的时间、地点及形变，验证了高分辨率雷达数据InSAR技术进行滑坡监测的重要优势。同时并利用时间序列InSAR技术进行滑坡体的缓慢变形监测，为滑坡预报预警提供了重要依据。利用高分辨率TerraSAR-X数据的幅度和相位信息，能够准确确定滑坡发生的位置、时间及形变大小。

对于滑坡的形变监测，虽然有很多比较成熟可靠的方法，但是由于三峡地区特殊的地形条件，传统方法难以实现大面积、高密度且连续的形变监测。但是利用InSAR技术很好地克服了这些障碍，实现了全天候连续性监测。

3 总结与讨论

目前传统滑坡的监测方法仍然是主流的监测方法，大多数滑坡都采用传感器、GPS等方法监测，但是随着InSAR技术的兴起，InSAR技术越来越多地应用于滑坡监测中。InSAR技术具有全天候、全时性、监测范围广等优势，它在滑坡监测以及预测预警方面具有无可比拟的优势。尤其是在中国西部山区，地质环境破碎，地质构造活动频繁，气象条件复杂多变，对当地居民生命财产安全和社会经济可持续发展构成了严重威胁。要想预防减少滑坡等地质灾害的发生，最有效的途径是尽可能早地发现、识别和确定具有成灾风险的地质灾害隐患，为进一步开展监测预警、综合治理或搬迁避让提供决策信息支持。

InSAR技术虽然在滑坡监测上具有很大的优势，但其本身也存在局限性，需对相干点目标选取、形变参数估计和大气误差改正等关键技术进行选优和改善。此外，InSAR形变监测精度和可靠性在植被覆盖、地形陡峭的山区会受到几何畸变、失相关和观测方向单一的影响，这些因素可能限制InSAR技术在滑坡监测领域的推广。