龍四春，陳鵬琦，袁　英，蔣宗立，伍夢清

(1. 湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南

科技大學(xué)能源學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

LONG Sichun,CHEN Pengqi,YUAN Ying,JIANG Zongli,WU Mengqing

GB-InSAR技術(shù)及其形變監(jiān)測

龍四春1,2，陳鵬琦2，袁英2，蔣宗立1，伍夢清2

(1. 湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201； 2. 湖南

科技大學(xué)能源學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

Ground-based Synthetic Aperture Radar Interferometry and Its Deformation Monitoring

LONG Sichun,CHEN Pengqi,YUAN Ying,JIANG Zongli,WU Mengqing

摘要：地基InSAR(GB-InSAR)是最近10年發(fā)展起來的一種相對較新的形變監(jiān)測技術(shù)。本文闡述了GB-InSAR技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、基于GB-InSAR技術(shù)的IBIS-L系統(tǒng)，以及GB-InSAR的基本原理、數(shù)據(jù)處理流程和關(guān)鍵技術(shù)，提出了GB-InSAR技術(shù)存在的主要問題及今后的發(fā)展方向。

引文格式： 龍四春，陳鵬琦，袁英,等. GB-InSAR技術(shù)及其形變監(jiān)測[J].測繪通報(bào)，2015(9)：1-5.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0265

關(guān)鍵詞：GB-InSAR；形變監(jiān)測；干涉測量；IBIS-L系統(tǒng)

中圖分類號：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0001-05

收稿日期：2014-10-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41474014；41004002)；大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLGED2014-5-3-E)；桂科能基金(1207115-21)；煤炭資源與環(huán)保湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(E21221)

作者簡介：龍四春(1975—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榇蟮販y量與形變監(jiān)測。E-mail: sclong@hnust.edu.cn

一、GB-InSAR的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

GB-SAR是最近10年受到特別關(guān)注的又一種有效形變測量方法，其測量原理與星載SAR的基本相同[1]，但是它可以提供時(shí)間間隔更短(約幾分鐘)的圖像，能夠克服星載SAR獲取數(shù)據(jù)的很多局限，且具有更好的空間分辨率。地基SAR還具有設(shè)站與觀測姿態(tài)靈活的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對觀測區(qū)的全面多方位監(jiān)測，獲取任意視線方向的形變，真正實(shí)現(xiàn)零基線觀測，消除基線誤差影響[2-4]，其整個(gè)操作過程和數(shù)據(jù)后期處理簡便，是星載SAR和常規(guī)大地測量監(jiān)測手段的有效補(bǔ)充，是對局部區(qū)域形變進(jìn)行監(jiān)測的一種新技術(shù)手段。

地基SAR技術(shù)基于微波探測主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像，通過合成孔徑和步進(jìn)頻率技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向的高空間分辨率觀測，通過干涉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)毫米級的微變形監(jiān)測。相對于其他測量方法，如全站儀或地面激光掃描儀(terrestrial laser scanner,TLS)等，GB-SAR具有對滑坡體等進(jìn)行連續(xù)觀測的特性[5-6]。在地基SAR應(yīng)用方面，意大利Tarchi D等最早提出采用地基InSAR監(jiān)測建筑形變，并于2003年利用GB-SAR在連續(xù)模式下對意大利的Tessina滑坡進(jìn)行了監(jiān)測，并將其測量結(jié)果與傳統(tǒng)光學(xué)測量結(jié)果進(jìn)行比較[7]，其控制點(diǎn)位移量的最大互差不超過3 mm。2008年，Lingua等提出聯(lián)合TLS和GB-SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡監(jiān)測[8]，兩種技術(shù)能夠互補(bǔ)，TLS可以生成高精度的數(shù)字高程模型，SAR圖像可以利用該模型聚焦，從而獲取整個(gè)研究區(qū)域的相位信息。2004年，Luzi等利用Civitadi Bagnoregio滑坡作試驗(yàn)，分析了由大氣影響和設(shè)備噪聲引起的相位失相關(guān)[2]，認(rèn)為如果獲取的SAR圖像在不同的時(shí)間保持足夠的相干性，GB-InSAR就會得到有效的結(jié)果。另外，2005年，Noferini在對意大利Citrin Valley的邊坡進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，首次在GB-SAR系統(tǒng)中應(yīng)用PS技術(shù)來改正大氣相位[3]，其估計(jì)結(jié)果與GPS測量結(jié)果基本一致。此外，Herrera利用連續(xù)GB-SAR來建立位于比利牛斯山中部滑坡的預(yù)測模型[9]，選取31個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，將模型預(yù)測的結(jié)果與差分GPS的測量結(jié)果作比較，兩者的平均差值為7.7 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為7.4 mm。Del Ventisette利用GB-SAR對位于意大利卡拉布里亞地區(qū)的緊急滑坡進(jìn)行了監(jiān)測[10]，根據(jù)GB-SAR測量的結(jié)果，認(rèn)為該滑坡對高速公路沒有致命性的影響。還有學(xué)者利用GB-SAR監(jiān)測建筑物形變與損傷，如Tarchi等對意大利的一個(gè)18世紀(jì)的建筑物進(jìn)行了監(jiān)測[11]，得到的形變量與綜合分析結(jié)果一致等。在自然現(xiàn)象監(jiān)測方面，Luzi等利用C波段的GB-SAR對高山冰川流速進(jìn)行了監(jiān)測[12]，其測量出的最大移動速度與利用其他遙感技術(shù)獲取的結(jié)果一致。

國內(nèi)關(guān)于GB-InSAR技術(shù)的文獻(xiàn)相對較少，其中黃其歡等用IBIS-L系統(tǒng)對紫平鋪大壩和滑坡體進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)[13-14]，獲得了毫米級的監(jiān)測精度。楊紅磊等采用IBIS-M系統(tǒng)對平朔露天礦邊坡進(jìn)行監(jiān)測[4]，采用PS技術(shù)進(jìn)行分析，得到了毫米級的觀測結(jié)果。張祥等對GB-SAR復(fù)圖像配準(zhǔn)和大氣延遲相位展開研究[15]，提出采用Fourier-Mellin變化和相干系數(shù)法結(jié)合的圖像配準(zhǔn)方法，獲得了亞像素級的配準(zhǔn)精度。

可見，地基InSAR以其高時(shí)空分辨率、設(shè)站靈活等特點(diǎn)，在地表形變監(jiān)測中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，能獲取任意雷達(dá)視線方向形變，解決星載SAR數(shù)據(jù)量有限、重訪周期長和南北向形變監(jiān)測不敏感的缺陷。

二、GB-SAR的關(guān)鍵技術(shù)

GB-SAR是一種成像雷達(dá)，不僅可以測量距離還可以生成圖像，雷達(dá)相位和幅度信息都被存儲下來進(jìn)行后續(xù)的圖像處理。GB-SAR的步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(SF-CW)，是利用頻率調(diào)制技術(shù)來改進(jìn)距離向分辨率；利用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)可以改進(jìn)方位向分辨率，而干涉(InSAR)技術(shù)可利用相位相干進(jìn)行形變測量。

1. 步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)

(1)

對這串脈沖的回波信號用與其載頻相應(yīng)的本振頻率進(jìn)行混頻，再對混頻后的N個(gè)脈沖回波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖相參合成處理，這樣合成所得的脈沖寬度可達(dá)τ/N，即距離分辨率是單個(gè)脈沖測量時(shí)的N倍。

脈沖越短，分辨率越高，但發(fā)送的能量就越低。另外，短脈沖是由長脈沖得到的，這需要對長脈沖進(jìn)行調(diào)頻以增加脈沖的頻譜帶寬。當(dāng)對發(fā)射的信號進(jìn)行濾波時(shí)，返回的波形將產(chǎn)生一個(gè)壓縮脈沖，這個(gè)壓縮脈沖的持續(xù)時(shí)間約等于調(diào)頻脈沖頻譜寬度的倒數(shù)。則距離向分辨率ΔR是帶寬的函數(shù)

(2)

式中，c為光速；τ為壓縮脈沖的持續(xù)時(shí)間；B為帶寬。

2. 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

只利用單一的距離測量不可能區(qū)分兩個(gè)位于同一距離處的不同目標(biāo)，但如果聯(lián)合所有這些偏差位置獲取的同一場景的具有相干性的距離測量結(jié)果，則可組成一個(gè)合成的長天線，就有可能利用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)將獲取的數(shù)據(jù)綜合成二維圖像。

3. 雷達(dá)干涉技術(shù)

干涉技術(shù)通過比較兩幅圖像(主影像和輔影像)的相位成分來測量相對距離差。由于大氣折射率、噪聲等的影響，干涉相位差可用表示為

(3)

三、GB-SAR系統(tǒng)

1. 早期的GB-SAR系統(tǒng)

從2000年前后開始，很多學(xué)者致力于利用地基干涉技術(shù)監(jiān)測建筑物。2000年，Pieraccini M等用歐盟綜合研究中心研制的LiSA(linear SAR)系統(tǒng)對建筑物進(jìn)行了監(jiān)測；2003年，Pieraccini M等將地基干涉技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測，證實(shí)該技術(shù)可以對邊坡移動進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測，所用的GB-SAR系統(tǒng)距離向和方位向分辨率均為2 m，兩次圖像采集間隔為14 min。

2. GB-SAR系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)開展了地基雷達(dá)系統(tǒng)的研究。其中，由意大利IDS公司與佛羅倫薩大學(xué)經(jīng)6年時(shí)間共同研發(fā)的IBIS(image by interferometric survey)系統(tǒng),以及我國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的地基步進(jìn)頻率連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)是基于合成孔徑技術(shù)，而由澳大利亞Reutech公司研制的MSR(movement and surveying radar)系統(tǒng)，以及瑞士GAMMA公司研制的GPRI(GAMMA portable radar interferometer)系統(tǒng)等都是基于真實(shí)孔徑天線。

由于SAR相對于RAR具有更高的空間分辨率等優(yōu)勢，因此在地基干涉測量中SAR的使用率更高。目前，較好的GB-SAR系統(tǒng)有IBIS系統(tǒng)，該系統(tǒng)監(jiān)測目標(biāo)的位移精度能達(dá)到0.1 mm，圖像采集時(shí)間為5 min，距離分辨率為0.5 m，在-20°C～50°C的范圍內(nèi)都能正常運(yùn)行。雷達(dá)類型為步進(jìn)頻率連續(xù)波，帶寬為300 MHz，使用Ku波段發(fā)射信號，射程為0.2~4 km。在該系統(tǒng)正式用于工程項(xiàng)目變形監(jiān)測之前，為了驗(yàn)證其測量的可靠性與精度，國內(nèi)外學(xué)者已作了大量的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能達(dá)到標(biāo)稱的毫米級精度，且其在長時(shí)間觀測的情況下穩(wěn)定性可以得到保證。

不過IBIS系統(tǒng)也存在著不足，如IBIS雷達(dá)獲取的只是一維圖像，距離分辨率為0.5 m，在目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離不大時(shí)，IBIS系統(tǒng)很有可能無法正確識別目標(biāo)；設(shè)備安裝穩(wěn)定性要求較高，增加了設(shè)站的難度等，因此還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

四、GB-SAR干涉測量原理與數(shù)據(jù)處理流程

1. GB-SAR干涉原理

利用GB-SAR進(jìn)行形變測量的原理與星載SAR相似，如圖1所示。若要測量點(diǎn)P的位移，GB-SAR系統(tǒng)獲得前后相位φM和φS，假設(shè)該點(diǎn)位移為d，則可得干涉相位

(4)

則P點(diǎn)的位移d可以表示為

(5)

式中，λ為所用信號的波長。

但上述公式?jīng)]有考慮大氣影響、相位噪聲、傳感器位置改變等引起的相移，實(shí)際上干涉相位應(yīng)表示為

圖1　GB-InSAR監(jiān)測形變的工作原理

(6)

2. GB-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

GB-InSAR形變估計(jì)的主要數(shù)據(jù)處理步驟如圖2所示。

圖2　GB-InSAR形變估計(jì)數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集中長距離測量會增加獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，即增加了聚焦錯(cuò)誤的可能性，尤其是在有噪聲的情況下，其聚焦過程是將分散數(shù)據(jù)集成單一的輸出像元，如圖3所示。沿著線性掃描器從幾個(gè)方位向位置對一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測量，雙曲線代表距離是方位位置的函數(shù)，然后利用SAR處理重建該目標(biāo)點(diǎn)。

圖3　SAR圖像形成的簡化圖

在獲取數(shù)據(jù)期間如果線性掃描器不能保持穩(wěn)定就有可能產(chǎn)生聚焦錯(cuò)誤。系統(tǒng)線性掃描器頂部的傳感器移動引起的慣性非常敏感，如果設(shè)備有毫米級的旋轉(zhuǎn)就可能使目標(biāo)在距離向產(chǎn)生米級的偏差，這種聚焦誤差會引入全局誤差，在圖像上產(chǎn)生局部形變，且不能被補(bǔ)償。

配準(zhǔn)能使獲取的同一區(qū)域的兩個(gè)圖像彼此間對齊以利用相位信息，并計(jì)算分布在兩幅圖像中窗口的相干值。

(7)

而地理編碼過程實(shí)際上是解決從雷達(dá)極坐標(biāo)系到表面幾何模型的轉(zhuǎn)換問題。地理編碼所需要的數(shù)據(jù)是一個(gè)表面模型、傳感器方位、表面模型與雷達(dá)本身參考系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。傳感器的位置和旋度由獲取圖像中的已知點(diǎn)計(jì)算得到，可以利用高后向散射的角反射器，用最小二乘估計(jì)來辨識確定足夠的角反射器點(diǎn)。

五、地基InSAR配準(zhǔn)、地理編碼及數(shù)據(jù)融合

對地基SAR等數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行融合，首先可根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等模擬推算初步形變場及其特征，優(yōu)化選取地基SAR的觀測站點(diǎn)及方位，獲取多個(gè)時(shí)間段零空間基線的地基InSAR重復(fù)觀測數(shù)據(jù)，針對地基InSAR零空間基線、多時(shí)間基線數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究地基SAR圖像配準(zhǔn)、相干點(diǎn)目標(biāo)提取、地理編碼等地基InSAR數(shù)據(jù)精準(zhǔn)處理的關(guān)鍵算法，并用GPS、水準(zhǔn)等外部數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，以確保地基SAR監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

1. 高精度地基SAR影像配準(zhǔn)

SAR影像在距離向或方位向降低處理器帶寬，即距離或方位向的頻譜分割為若干部分，得到分割后的SLC影像。再進(jìn)行相干目標(biāo)點(diǎn)識別與同名點(diǎn)確定，采用最小二乘求解配準(zhǔn)多項(xiàng)式的系數(shù)，最后進(jìn)行主影像空間的副影像重采樣。為了能更精確地進(jìn)行主副影像配準(zhǔn)，在確定多項(xiàng)式系數(shù)時(shí)，可以進(jìn)行配準(zhǔn)窗口相關(guān)系數(shù)加權(quán)處理。

2. 地理編碼與地理框架基準(zhǔn)確定

要想把地基SAR和星載SAR的形變監(jiān)測結(jié)果直觀易懂地表達(dá)出來，并達(dá)到監(jiān)測結(jié)果比較與融合的目的，通常需要對InSAR監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行地理編碼，轉(zhuǎn)化到同一地理坐標(biāo)框架下(如DEM地理坐標(biāo)系)。

地基SAR地理編碼是利用地圖投影坐標(biāo)(地理坐標(biāo))和高程進(jìn)行從圖像空間到對象空間的轉(zhuǎn)換。地基SAR傳感器模型將一個(gè)給定的像素和該像素對應(yīng)的編碼點(diǎn)M(E，N，Z)聯(lián)系起來，可表示為

(8)

Z=S(E,N)

(9)

至于雷達(dá)圖像坐標(biāo)，可以利用地基SAR傳感器參數(shù)距離向分辨率Δr、方位向分辨率Δθ、雷達(dá)天線指向角θ0，以及接收雷達(dá)圖像的中央列來表示

(10)

基于以上步驟，就能實(shí)現(xiàn)從地理對象空間到圖像空間的轉(zhuǎn)換，但要實(shí)現(xiàn)從圖像空間到對象地理空間的轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行內(nèi)插來找到與每個(gè)像元中心相對應(yīng)的地理空間坐標(biāo)，可見參考DEM的質(zhì)量會影響地理編碼和形變數(shù)據(jù)解算的精度。

3. 地基SAR與星載SAR監(jiān)測結(jié)果的融合

真實(shí)形變矢量的獲取，可將地基SAR監(jiān)測結(jié)果與星載SAR監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行融合。由于這些干涉雷達(dá)系統(tǒng)的所有空間測量矢量都不能構(gòu)成一個(gè)完備的三維空間坐標(biāo)基，利用地基SAR設(shè)站觀測靈活的特性，可得到星載SAR和地基SAR差分干涉結(jié)果(視線向形變矢量)在最優(yōu)意義下準(zhǔn)真實(shí)的三維空間形變矢量。

地基或星載SAR視線方向形變量(DLos)與真實(shí)空間三維形變矢量(DV為垂直向形變分量；DN為南北向形變分量；DE為東西向形變分量)之間的關(guān)系可以表示為

DLos=DVcosθ+DNsinφsinθ+DEcosφcosθ

(11)

式中,θ為地基或星載SAR入射角；φ為地基或星載SAR方位角。聯(lián)合得到的形變結(jié)果組成方程組，采用加權(quán)最小二乘可求解最優(yōu)三維形變矢量。地基SAR和星載SAR可以具有不同的權(quán)，其中權(quán)值的確定可以采用方差分量估計(jì)或方差-協(xié)方差分量估計(jì)等方法試驗(yàn)。

在此基礎(chǔ)上，可融合CR、GPS、高精度水準(zhǔn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行InSAR監(jiān)測結(jié)果的驗(yàn)證與分析，建立監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性判定策略與取舍準(zhǔn)則。

六、問題與展望

目前，國內(nèi)外的研究主要解決地基SAR形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的一些初步問題，還很難確保高精度穩(wěn)定形變監(jiān)測結(jié)果。如地基SAR影像的精密配準(zhǔn)、監(jiān)測結(jié)果到地理坐標(biāo)的精確轉(zhuǎn)換，以及與星載SAR等數(shù)據(jù)的有效融合還沒有很好地解決。此外，大部分研究只局限于單站監(jiān)測，僅獲得SAR視線方向的形變量，對于垂直視線方向的形變則無能為力，無法完全準(zhǔn)確反映變形體的整體形變場。同時(shí)，如何選取地基雷達(dá)天線運(yùn)動走向，尋找最佳地基SAR視線方向，使得地基SAR干涉測量結(jié)果對其他測量結(jié)果能有效融合與補(bǔ)充，還需進(jìn)一步研究。干涉雷達(dá)系統(tǒng)的所有空間測量矢量都不能構(gòu)成一個(gè)完備的三維空間坐標(biāo)基，利用地基SAR設(shè)站觀測的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)星載SAR和地基SAR差分干涉結(jié)果(視線向形變矢量)在最優(yōu)意義下準(zhǔn)真實(shí)的三維空間形變矢量。

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中國(深圳)國際無人系統(tǒng)技術(shù)成果交易展覽會將在深圳舉辦

[本刊訊]2015年11月17日至20日，中國(深圳)國際無人系統(tǒng)技術(shù)成果交易展覽會將在深圳大運(yùn)中心舉辦。

展覽會是由中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會深圳市委員會、深圳市龍崗區(qū)人民政府、中國無人系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同主辦，獲得了深圳市人民政府的大力支持。本屆展覽會將作為深圳高交會首個(gè)分會場，與高交會共享組織架構(gòu)、客戶資源、媒體支持、專家支持、服務(wù)支持，是中國國內(nèi)首屆國際化的專業(yè)無人系統(tǒng)展覽。展覽會計(jì)劃邀請境內(nèi)外參展商110家以上，參會客商5萬人次以上。展會擁有靜態(tài)展位10 000 m2，室外飛行展演場地15 000 m2。同時(shí)展覽會也是中國境內(nèi)唯一具有正規(guī)飛行表演臨時(shí)空域報(bào)批手續(xù)的專業(yè)展覽會，屆時(shí)會舉辦精彩的無人機(jī)飛行表演及飛行比賽。

(本刊編輯部)