基于SAR 图像配准的地基干涉雷达间断测量技术

朱嘉鑫，李永建，肖 刚，余东洋，付振华，张志家，朱晨浩，戴颖超

（1.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081；2.四川省国土空间生态修复与地质灾害防治研究院，四川 成都 610000；3.重庆市地质矿产勘查开发局107 地质队，重庆 401120；4.重庆市一零七市政建设工程有限公司，重庆 401120；5.苏州理工雷科传感技术有限公司，江苏 苏州 215000）

我国处于欧亚大陆板块和太平洋板块的交接地带，各种地质灾害发生频繁，尤其在广大西南地区，每年因地质灾害造成的死亡和失踪人数约占自然灾害的1/3[1]。据自然资源部《全国地质灾害通报》，2019年全国共发生地质灾害6 181 起，其中滑坡4 220起、崩塌1 238 起，灾害共造成211 人死亡，直接经济损失达27.7 亿元，因此加强重大滑坡灾害的防灾减灾工作已经成为促进经济建设和构建和谐社会的国家需求[2-4]。

地基干涉雷达是一种新型的形变测量工具，具有采样周期短、空间分辨率高、精度高、全天时全天候作业的优势[5]，可无接触的获取被测区域的表面形变信息，已经在形变监测领域得到了广泛的应用，常应用于监测山体边坡、露天矿坑、水坝、冰川、建筑物等[6-7]。根据雷达数据获取方式的不同，地基干涉雷达可以分为连续测量模式和间断测量模式。在连续测量模式下，雷达图像的获取周期在分钟量级，可对目标区域实现近实时的形变测量，该模式常应用于高滑坡风险的矿区边坡监测、山体二次滑坡监测等[8-10]。但实际中存在着大量的滑坡隐患点，其形变速率很慢，每年仅发生几厘米的形变。如果采用连续测量模式，将带来很高的观测成本和很大的数据冗余。在间断测量模式下，可以根据形变区域的运动学规律设定采集周期，每隔数周或者数月，重新安装设备并进行监测，然后基于间断测量技术，获取目标区域的表面形变信息[11]。

1 地基干涉雷达基本原理和流程

1.1 干涉测量原理

地基干涉雷达把同一目标区域在不同时间获取的SAR 复图像结合起来，比较不同时刻目标的相位差，获得监测目标的毫米级精度位移信息[12]。地基干涉雷达监测周期较短，相邻2 次测量时重轨误差可以忽略不计，适用于重复轨道干涉测量模型。地基干涉雷达差分干涉处理流程是通过对SAR 图像进行高相干点选择、干涉相位图生成、相位解缠和误差相位补偿后，即可以实现形变分析[13-14]。

1.2 间断测量的技术难点

间断测量与连续测量最大的不同在于，需要定期的将设备拆下重装，在实测环境下，无法保证重复安装时，设备位于完全相同的位置，因此雷达中心与合成孔径方向会发生偏移。由于地基干涉雷达的方位角分辨率在若干mrad（毫弧度）量级，轨道的轻微偏移就会导致图像之间发生严重的失相干。在进行差分干涉测量前，需要保证2 幅图像中相同位置的像素点，完全对应着地面的同一个目标点，因此对间断测量图像处理前，必须进行图像配准处理。

1.3 图像合成

在间断测量中，利用地基雷达对同一个场景进行多次间断性观测，每次获取到数十幅雷达图像，利用图像的相干合成，可以提高信噪比，降低干涉相位误差。对单次测量的数十幅雷达图像进行幅度合成和相位合成，最终获取1 幅合成图。通过图像合成，具有强反射特性的岩体、弱反射特性的植被和无反射区域之间的区分度会十分明显。相位合成后，干涉条纹的变化更加均匀，噪声点也得到了抑制。图像合成流程图如图1。

图1 图像合成流程图

1.4 图像配准

1.4.1 基本流程

图像配准是指将不同时间、不同视角及不同成像条件下获取的雷达图像进行匹配和叠加的过程，是干涉图产生的基础，对形变测量结果精准与否起着重要作用。通过配准处理，每个场景目标点在主辅图像中对应着相同的像素点，减小了重轨误差对干涉相位的影响。由于间断测量的时间间隔较大，为减小时间去相干对图像配准的影响，经过组内图像合成后，采用对相邻的2 幅图像进行配准。配准流程分为粗配准和精配准，图像配准方法的流程图如图2。

图2 图像配准方法流程图

分析间断测量时雷达采集的2 组数据，对这2组数据进行图像合成。配准前以每一个像素点为中心构建l1×l2的矩形框计算相干系数。第k 个像素点的相关系数γk计算公式为：

式中：l1×l2为矩形窗的大小；为图像1、图像2 中以像素点k 为中心的矩形窗。

1.4.2 粗配准

图像粗配准包括参考点选择、粗偏移量计算、图像裁切，以雷达图像1 为基准，选择信噪比较高的像素点作为参考点。分别以每一个参考点为中心点，在雷达图像1 和雷达图像2 中分别选择不同大小的匹配窗和搜索窗，匹配窗、搜索窗示意图如图3。

图3 匹配窗、搜索窗示意图

图3 中小矩形代表雷达图像1 中的匹配窗，大矩形代表雷达图像2 中的搜索窗。沿着行向和列向，在搜索窗中顺序移动匹配窗，每个位置计算1 次相关系数，然后根据相干系数最大值所出现的位置，确定匹配窗的粗偏移量。

对于每个参考点，进行相同处理。在实现所有参考点的粗偏移量的计算后，以出现概率最高的行、列偏移量为基准，对图像2 进行裁切。经过粗配准后，提取相干系数较大的像素点作为参考点，以每个参考点为中心点，在2 个图像中设定矩形窗，确定相干系数最大时的行和列偏移量。

1.4.3 精配准

图像中所有像素点的偏移量为：

式中：△xk为第k 个高相干点在行上的配准偏移量；△yk为第k 个高相干点在列上的配准偏移量；xk为行坐标；yk为列坐标；a1、a2、a3、b1、b2、b3为待估计的配准系数，可采用最小二乘法估算获得。

根据图像中所有像素点的行坐标和列坐标，能够得到实现偏移量的估计值。基于高相干点的偏移量对图像2 进行插值，获取精配准后的图像。

1.5 差分干涉处理

将配准后的雷达图像进行差分干涉处理，即可以实现形变分析。2020 年3 月至2020 年11 月，利用地基雷达在监测点进行了10 次间断测量并对雷达图像进行图像合成和配准，对10 幅配准后的图像进行差分干涉处理，平均相干系数图如图4。

图4 平均相干系数图

2 监测案例

重庆市彭水县联合乡马岩为1 处危岩体区域。该危岩成带状，总长约3.9 km。陡崖带上发育有规模不等的25 个危岩单体，危岩体总体积68.77 万m3。根据陡崖带延伸方向、危岩体发育、崩落情况、保护对象等将马岩危岩区域分为：A 区、B 区、C 区。使用1 台雷达对3 个区域进行循环间断测量。

通过对监测区域进行实地勘察，确定A、B、C 3个监测区域雷达的部署位置，依次命名：INSAR01、INSAR02、INSAR03。INSAR01坐标为北纬29°35′40.46"，东经108°25′52.29"；INSAR02 坐标为北纬29°35′54.18"，东经108°25′45.77"；INSAR03 坐标为北纬29°36′27.47"，东经108°25′43.54"。

在每个监测点布设一定数量的角反射器。每次间断测量后，利用全站仪获取角反射器的位移数据。最后将全站仪获取的位移数据与雷达的监测数据进行对比，判断SAR 间断测量方法的有效性。

1）A 区监测数据。2020 年3 月24 日至2020 年9 月23 日，雷达非连续获取4 组累计180 幅雷达图像。A 区的图像信息和全站仪采集的位移数据见表1。A 区未经过图像配准CBO1 角反射器的形变曲线如图5，A 区经图像配准CBO1 角反射器的形变曲线如图6，A 区全站仪采集的CBO1 位移数据曲线如图7。

图5 A 区未经图像配准CBO1 角反射器的形变曲线

图6 A 区经过图像配准CBO1 角反射器的形变曲线

图7 A 区全站仪采集的CBO1 位移数据曲线

表1 A 区的图像信息和全站仪采集的位移数据

2）B 区监测数据。2020 年3 月18 日至2020 年9 月24 日，雷达非连续获取了6 组累计238 幅雷达图像。B 区的图像信息和全站仪采集的位移数据见表2。B 区未经图像配准CBO7 角反射器的形变曲线如图8，B 区经过图像配准CBO7 角反射器的形变曲线如图9，B 区全站仪采集的CBO7 位移数据曲线如图10。

图8 B 区未经图像配准CBO7 角反射器的形变曲线

图9 B 区经过图像配准CBO7 角反射器的形变曲线

图10 B 区全站仪采集的CBO7 位移数据曲线

表2 B 区的图像信息和全站仪采集的位移数据

3）C 区监测数据。从2020 年3 月18 日至2020年9 月24 日，雷达非连续获取了6 组、累计238 幅雷达图像。C 区的图像信息和全站仪采集的位移数据见表3。C 区未经图像配准CBO12 角反射器的形变曲线如图11，C 区经过图像配准CBO12 角反射器的形变曲线如图12，C 区全站仪采集的CBO12 位移数据曲线如图13。

表3 C 区的图像信息和全站仪采集的位移数据

图11 C 区未经图像配准CBO12 角反射器的形变曲线

图12 C 区经过图像配准CBO12 角反射器的形变曲线

图13 C 区全站仪采集的CBO12 位移数据曲线

综合A 区、B 区和C 区的形变图和形变曲线可知，未经图像配准的形变区域没有延续性，经过图像配准后的形变区域具有延续性；从曲线图像对比后可以看出，受到间断测量的影响，未经图像配准时形变结果会有大的突变，经过图像配准后的形变曲线有着较好的连续性。对比雷达和全站仪的监测结果发现，经过图像配准后的形变数据结果和趋势与全站仪的结果更为接近。

3 结语

基于地基差分干涉测量原理，提出了一种适用于间断测量模式的形变处理方法。利用地基干涉雷达对一处危岩体区域进行了长时间观测，对不同时段获取的雷达图像进行图像合成与图像配准，并对配准后的图像做差分干涉处理。实测数据结果表明，此方法能够有效地解决雷达图像之间的失相干问题，处理后的形变区域具有较好的延续性。通过对比全站仪与地基干涉雷达的测量结果，经过图像配准后的形变趋势与全站仪的结果更为接近。