基于Matlab的地基SAR数据后处理

马金玉 黄梦玲

1.信阳市江淮水利水电工程建设监理站 河南 信阳 464000；

2.信阳市水利勘测设计院 河南 信阳 464000

引言

近年来，随着星载InSAR技术的逐步发展与完善，雷达干涉测量技术由高空逐步延伸至陆地，形成了一项新的地表形变监测技术。相较于星载InSAR，地基SAR虽然不能够提供更大范围的区域形变监测，但分别在采集频率、监测周期、观测视角及观测精度等方面提供了更多的可行性[1-2]。地基SAR是一种基于雷达的地面遥感成像系统，它由一个发射和接收微波脉冲的雷达传感器组成，当传感器沿固定轨道重复移动时便可利用合成孔径雷达技术实现成像能力[3]。导轨的长度决定了采集图像的方位分辨率，导轨越长方位向分辨率越高。通过使用干涉测量技术，可以利用相位测量来获得观测场景的形变和地形信息。地基SAR干涉测量技术主要应用于变形监测，它对微小变形的高灵敏度、全天候、远距离测量（长达数公里）和大范围成像能力都是地基SAR系统与其他现有地表变形测量技术互补的特征。自第一篇关于地基SAR用于变形监测的论文以来，该技术在各项变形监测领域逐步得到扩展，按应用类型和监测类型可分为C-GBSAR（连续地基SAR）或D-GBSAR（非连续地基SAR）两大类应用系统。在露天矿中应用最广泛的是C-GBSAR边坡监测，并在系统和数据处理层面都经历了强劲的发展，提供了一种可操作的早期预警工具[4]，每隔几分钟测量数千个点并检测小的局部变化能力是该应用的基础。监测不同现象的失稳边坡，如岩滑[5]、滑坡[6]和火山[7]是地基SAR的另一个主要应用。地基SAR的其他重要应用包括城市监测[8]、结构监测[9]、大坝监测[10]和堤防监测[11]等方面。除了高时空采样能力外，地基SAR在城市和结构监测方面的一个主要优势是能够远程探测小位移。在城市和结构监测中，地基SAR数据的优化利用需要对实测点进行精确的地理编码。地基SAR也提供了一种可靠的工具来测量在远距离和高分辨率下发生在冰川体内的相对位移[12]。本文以地基SAR施工地铁边坡监测工程应用为例，采用地基SAR数据处理软件与Matlab软件相结合的方法削弱雷达信号受扰的影响，并结合高精度全站仪观测结果对地基SAR监测精度与边坡状况进行了分析。

1 边坡变形监测

1.1 数据预处理

本次地铁边坡监测同步采集了地基SAR与高精度全站仪数据，地基SAR与全站仪的采集频率分别设置为10min与2h，观测时常为36h，并分别获取216景地基SAR影像与19组同名点全站仪位移数据。通过SAR影像的聚焦、干涉处理、相干像素选择、相位噪声滤波、相位解缠及大气效应改正等一系列SAR处理便得到图1所示的边坡整体LOS向（雷达视线向）累计位移图。其中，T1～T4为布设在边坡表面的角反射器，在增加场景反射强度与减少失相干的同时也提供了两套测量方案的同名观测点。可以看出在雷达视角范围内的水泥边坡具有较强的反射强度，整体位移图直观地反映了边坡各区域的位移情况，有远离也有靠近雷达的形变发生，总的范围在（-16mm，16mm）区间。

图1 边坡累计位移图

为具体分析边坡在监测期间的变化趋势与变化量，提取了角反射器形变时间序列曲线，如图2所示。可以看出，在数据采集至80～130区间形变曲线发生了不规则的大幅度上下震荡，这也是图1中整体累计位移产生不规则形变的原因。据监测记录可知，该时段为雷达前方施工所致，车流与行人对于雷达信号的长期间断遮挡导致回波信号异常。为了能够得到真实的边坡形变信息，需要将这些干扰信号进行剔除。

图2 角反射器LOS向形变时间序列

1.2 Matlab后处理

根据现场实际情况及图2角反射器形变时间序列图，可知由遮挡所引入的伪回波信号与真实的形变信号相比具有较大的幅值，其对应的形变值也即可判定为离群值。所以，通过Matlab滤波的方法对PS点形变时间序列进行离群值消除，进而削弱伪信号对于边坡真实形变的干扰。为此，本文采用了一种适用于离群值检测的稳健的Lowess方法，通过设置合理的平滑窗口对角反射器形变时间序列进行了滤波处理，结果如图3所示。通过滤波消除了大幅值的干扰信号，滤波后的形变曲线较好地贴合了边坡波动的整体趋势，并将监测精度控制在了（-1mm，1mm）内，很好地解决了伪回波信号的影响，得到了真实的边坡形变信息。

图3 滤波后的角反射器LOS向形变时间序列

1.3 监测结果对比分析

为验证地基SAR边坡监测的精度及稳健的Lowess滤波方法的有效性，根据施工坐标系与雷达坐标系间的关系将同名点同时段的全站仪测量数据转换到雷达视线向，并与相应的地基SAR测量结果进行对比分析，如图4所示。因仪器固有精度（地基SAR距离向测量精度：0.1mm；全站仪测距精度：1mm+1.5x10-6D/2.4s）、边坡的实际运动情况及坐标转换的精度影响，全站仪数据更适合作为判定边坡在此期间是否具有较大明显趋势的形变发生。由角反射器全站仪测量数据可知，在观测期间边坡并没有具有趋势的明显位移，且随着时间的推移全站仪测量误差也在随之增加。相较而言，地基SAR在整个观测过程中则保持了高精度的连续观测，能够更直观和精确地反应边坡在各时段的变化过程及变化趋势，更适合连续的大面积高精度变形监测。

图4 地基SAR与全站仪同名点形变时间序列对比图

2 结束语

本文利用地基SAR干涉测量技术对施工地铁边坡进行监测，以研究地铁施工对于护砌边坡稳定性的影响。在此过程中，因施工作业干扰而引入了伪回波信号。为削弱伪信号误差的影响并保留地基SAR监测结果的连续性，本文采用了基于Matlab软件稳健的Lowess方法对地基SAR形变信号离群值进行滤波处理，并将处理后的结果与同时期精密全站仪数据进行对比分析。结果表明：基于Matlab的地基SAR后处理方法很好地削弱了伪回波信号所引入的错误形变信号，且地基SAR在大面积连续变形监测方面的性能明显优于高精度全站仪。