劉 艷，董 燕，柳志云 (昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明650093)

近幾年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中地震災(zāi)害最為嚴(yán)重。地震之后極易造成山體滑坡引發(fā)次生災(zāi)害，必須對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)預(yù)警。目前邊坡監(jiān)測(cè)方法主要有地面測(cè)量、空間測(cè)量、攝影測(cè)量和地面三維激光掃描4種，但這些方法存在以下不足:地面測(cè)量野外工作量大;空間測(cè)量易受外界環(huán)境限制;攝影測(cè)量精度較低，無(wú)法滿足變形監(jiān)測(cè)要求;激光掃描技術(shù)遙測(cè)距離短［1］。相較于以上傳統(tǒng)的觀測(cè)方法，GBInSAR技術(shù)以其測(cè)量范圍大、精度高、操作自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)開(kāi)辟了一條變形監(jiān)測(cè)的新道路［2］。SAR影像是通過(guò)獲得相干電磁波的后向散射來(lái)成像，相干成像方式固有的斑點(diǎn)噪聲會(huì)導(dǎo)致圖像的分辨率和圖像的結(jié)構(gòu)性信息量降低。干涉數(shù)據(jù)中不僅包含了通常的幅度信息，還包含了相干性信息、相位差信息等，而相干性不僅用于衡量干涉信號(hào)的質(zhì)量，還反映了地物其他方面豐富的信息。最近的一些研究表明，干涉數(shù)據(jù)中的多方面信息應(yīng)該充分應(yīng)用于SAR圖像分析和解譯中［3］。筆者基于影像質(zhì)量分析管理，對(duì)云南省魯?shù)榭h6.5級(jí)地震形成的紅石巖堰塞湖邊坡地基干涉雷達(dá)IBIS-L影像質(zhì)量進(jìn)行分析，為相應(yīng)的整體變形監(jiān)測(cè)提供參考。

1 測(cè)區(qū)簡(jiǎn)介

2014年8月3日16時(shí)30分，云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)地震。在地震中心魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)南偏東8.2 km牛欄江干流上因兩岸山體大規(guī)模塌方形成堰塞湖。紅石巖堰塞體右岸邊坡由巖體崩塌形成，部分地方有倒懸體，受天氣影響，右岸時(shí)常有碎石塊和碎石土脫落，常規(guī)儀器如全站儀和GNSS無(wú)法在特定區(qū)域內(nèi)設(shè)置測(cè)站。地基合成孔徑雷達(dá)(Groundbased Synthetic Aperture Radar，GB-SAR)干涉測(cè)量技術(shù)是近10多年間發(fā)展起來(lái)的地面主動(dòng)微波遙感形變探測(cè)技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)物進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍的全天候監(jiān)測(cè)，在時(shí)域和空域均具有較高的采樣率，獲取高精度的測(cè)量結(jié)果［4］。IBIS-L是一種新型的GB-SAR干涉測(cè)量系統(tǒng)，是由意大利弗洛倫薩大學(xué)電子信息工程系與IDS公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，由雷達(dá)主機(jī)、電腦控制單元、供電箱和線性滑軌等組成，主要應(yīng)用于滑坡、大壩、高邊坡等面狀區(qū)域的二維變形監(jiān)測(cè)，形變探測(cè)精度能夠達(dá)到亞毫米級(jí)［5］。

2 影像質(zhì)量分析原理

合成孔徑雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候的優(yōu)良特性，它是目前遙感領(lǐng)域中最具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。除了位移會(huì)影響相位變化外，大氣效應(yīng)和噪聲也會(huì)對(duì)相位產(chǎn)生一定影響［6］，尤其是大氣水汽含量在時(shí)間和空間上的變化對(duì)影像觀測(cè)相位的影響非常劇烈［7］。而經(jīng)環(huán)境改正后數(shù)據(jù)會(huì)存在一定誤差，因此，在實(shí)際工作中需要選取高質(zhì)量連續(xù)監(jiān)測(cè)影像序列，通過(guò)干涉處理提取長(zhǎng)時(shí)間跨度影像之間的形變。由于成像方式不同，傳統(tǒng)的光學(xué)影像的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法無(wú)法直接用于SAR圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。SAR圖像是以地面目標(biāo)輻射的后向散射能量作為二維空間函數(shù)構(gòu)成的，因此，SAR圖像質(zhì)量的性能指標(biāo)可以分為2類(lèi):一類(lèi)是描述圖像空間性能的指標(biāo);另一類(lèi)是描述輻射性能的指標(biāo)。空間性能指標(biāo)主要有空間分辨率、圖像精度、幾何保真度等。輻射性能指標(biāo)主要有峰值旁瓣比、積分旁瓣比、模糊度、輻射分辨率等。熱信噪比(TSNR)、時(shí)間和空間相關(guān)系數(shù)、相位穩(wěn)定性等能夠直接表征觀測(cè)相位的穩(wěn)定程度，間接反映了GB-SAR影像采集的質(zhì)量好壞。其中空間相關(guān)系數(shù)表明了氣象環(huán)境對(duì)成像的去相關(guān)作用，數(shù)值越高氣象影像越弱影像質(zhì)量越好，反之亦然。氣象變化劇烈的，各點(diǎn)干涉相位的一致性降低，波動(dòng)變化相應(yīng)地也會(huì)變劇烈，基于這一特點(diǎn)在熱信噪比圖中按照數(shù)值高低選擇多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，分析其鄰域干涉相位的變化規(guī)律，利用多點(diǎn)鄰域干涉相位篩選部分高質(zhì)量的連續(xù)影像序列。

2.1 GB-SAR圖像質(zhì)量的性能指標(biāo) 空間分辨率定義為點(diǎn)目標(biāo)沖激響應(yīng)半功率點(diǎn)處的寬度，包括距離向的空間分辨率和方位向的空間分辨率。而峰值旁瓣比是指主瓣峰值強(qiáng)度與旁瓣區(qū)域中峰值強(qiáng)度之比，在實(shí)際計(jì)算中，以當(dāng)前像素幅度最大值點(diǎn)為起點(diǎn)向某一方向搜索，當(dāng)像元灰度值從第一副瓣位置上升到旁瓣區(qū)域的最大值時(shí)，就可以得出旁瓣峰值強(qiáng)度，從而計(jì)算出當(dāng)前像素的峰值旁瓣比。峰值旁瓣比的大小決定了強(qiáng)目標(biāo)掩蓋弱目標(biāo)的能力，為了減小峰值旁瓣比，在成像處理中一般采用加權(quán)處理。積分旁瓣比是指旁瓣能量與主瓣能量的比值，它是表征圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，積分旁瓣比越小則圖像質(zhì)量越高［8］。計(jì)算機(jī)只能處理有限長(zhǎng)度的信號(hào)，原始信號(hào)要以采樣時(shí)間截?cái)啵醇哟疤幚?。?shí)際的信號(hào)處理過(guò)程中，我們用的矩形窗，但矩形窗在邊緣處將信號(hào)突然截?cái)?，窗外時(shí)域信息全部消失，導(dǎo)致在頻域增加了頻率分量的現(xiàn)象，即頻譜泄漏。為了避免頻譜泄漏，必須考慮如何減少加窗時(shí)造成的泄漏誤差，主要措施是使用合理的加窗函數(shù)，使信號(hào)截?cái)嗟匿J角鈍化，從而使頻譜的擴(kuò)散減到最少。

2.2 相位穩(wěn)定程度評(píng)判指標(biāo) 估計(jì)熱信噪比(TSNR)、時(shí)間和空間相關(guān)系數(shù)、相位穩(wěn)定性等能夠直接表征觀測(cè)相位的穩(wěn)定程度，間接反映了GB-SAR影像采集的質(zhì)量好壞［9］。其中空間相關(guān)系數(shù)表明了氣象環(huán)境對(duì)成像的去相關(guān)作用，數(shù)值越高氣象影像越弱影像質(zhì)量越好，反之亦然。干涉空間相關(guān)系數(shù)是衡量干涉相位噪聲程度、評(píng)價(jià)干涉圖質(zhì)量的量化指標(biāo)。假設(shè)GB-SAR獲取的單視復(fù)影像的大小為N×M，連續(xù)監(jiān)測(cè)模式下獲取P景影像圖，第k景影像和第l景影像的干涉圖可以表示為:

式中，i=1，2，3，…，N;j=1，2，3，…，M，以第k景影像為主影像。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:

式中，A為以當(dāng)前像元(i，j)為中心的窗口大小。

那么P景影像的空間相關(guān)系數(shù)為:

相位穩(wěn)定性則直接計(jì)算原始觀測(cè)相位波動(dòng)的劇烈程度。表征了某個(gè)像元在局部空間范圍內(nèi)變化的穩(wěn)定程度，同樣需要設(shè)定一定的窗口大小進(jìn)行計(jì)算。定義第k景影像像元(i，j)輻角為，以(i，j)為中心的窗口A包含n個(gè)像元，窗口平均相位為:

則窗口相位方差為:

相位穩(wěn)定性是窗口相位方差的倒數(shù)，即:

P景影像的相位穩(wěn)定性是各景窗口相位穩(wěn)定性的算術(shù)平均值，計(jì)算公式為:

3 IBIS-L影像質(zhì)量分析

3.1 加窗處理 IBIS-L提供2種加窗函數(shù)，一種是Hanning窗，適用于非周期性的連續(xù)信號(hào)，可以看作是3個(gè)矩形時(shí)間窗的頻譜之和，或者說(shuō)是3個(gè)sinc(t)型函數(shù)之和，而括號(hào)中的2項(xiàng)相對(duì)于第一個(gè)譜窗向左、右各移動(dòng)了π/T，從而使旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能，但Hanning窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降;另一種是Kaiser-Bessel窗，它定義了一組可調(diào)的由零階Bessel函數(shù)構(gòu)成的窗函數(shù)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)β可以在主瓣寬度和旁瓣衰減之間自由選擇它們的比重，區(qū)分頻率接近且幅度幾乎相等的信號(hào)效果較好。

圖1 未加窗處理的熱性噪比圖像

圖2 加窗處理后的熱性噪比圖像

該研究采用IBIS-L監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)轸數(shù)榧t石巖堰塞湖右岸邊坡。數(shù)據(jù)采集參數(shù)如下:預(yù)設(shè)探測(cè)距離為1 300 m，實(shí)際探測(cè)距離為1 299.8 m;GB-SAR一景影像采集時(shí)間為350 s，傳感器滯留時(shí)間為6 s;距離向分辨率為0.506 2 m;方位向分辨率為4.40 mrad(0.252°)。距離域加窗函數(shù)選定Kaiser窗，參數(shù)6.0，方位向加窗函數(shù)同樣選定Kaiser窗，參數(shù)設(shè)置為4.0。圖1為未加窗處理的GB-SAR聚焦成像，圖2為加窗處理后圖像。

對(duì)比分析圖1和圖2可知，未加窗處理影像在距離向和方位向存在雜線，這是由于雷達(dá)視場(chǎng)中部分散射體回波信號(hào)較強(qiáng)，形成旁瓣效應(yīng)，對(duì)附近的弱散射目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生破壞性影響;而加窗處理后，消弱了旁瓣效應(yīng)，雜線變少了。

3.2 相位穩(wěn)定程度分析 在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉相位處理分析之前，首先需對(duì)IBIS-L系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。該研究以首影像為參考影像分析了4天內(nèi)GB-SAR影像的估計(jì)性噪比、時(shí)間空間相關(guān)系數(shù)和相位穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 GB-SAR影像的時(shí)間空間相關(guān)系數(shù)、估計(jì)性噪比和相位穩(wěn)定性

從圖3可以看出，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，主要目標(biāo)區(qū)域能夠保持較高的時(shí)間和空間相干性，監(jiān)測(cè)區(qū)域相干系數(shù)均在0.7以上(見(jiàn)圖3a和圖3b)，性噪比均在10 db以上(見(jiàn)圖3c);相位穩(wěn)定性均在2.5以上(見(jiàn)圖3d)。根據(jù)以上分析，IBIS-L系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取魯?shù)榧t石巖堰塞湖右岸邊坡表面反射信息，此次采集影像質(zhì)量較好。若要分析右岸邊坡在時(shí)間上的變形趨勢(shì)，可在此監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)選擇多幅連續(xù)高質(zhì)量GB-SAR影像，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間跨度的整體變形分析。

4 結(jié)論

在地震之后通常伴有降雨等氣象變化，而地基雷達(dá)傳播信號(hào)易受大氣影響，利用地基雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，需對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行環(huán)境改正。但目前還沒(méi)有提出較成熟的環(huán)境改正方法，選擇高質(zhì)量的GB-SAR影像進(jìn)行干涉圖生成，相位濾波和相位解纏就成為一種比較便捷可行的方法。該研究對(duì)紅石巖堰塞湖邊坡監(jiān)測(cè)影像進(jìn)行加窗處理后，分析它們的性噪比、空間相關(guān)系數(shù)和相位穩(wěn)定性等相關(guān)參數(shù)，間接對(duì)GB-SAR影像質(zhì)量進(jìn)行了分析判別，有助于進(jìn)行高質(zhì)量連續(xù)觀測(cè)時(shí)段影像選取，得到更為可靠的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果。

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