用地面合成孔径雷达干涉测量法监测滑坡

用地面合成孔径雷达（SAR）干涉测量法监测滑坡［意］DarioTarchi,NicolaCasagli等一种基于雷达干涉测量和采用地表仪器的新技术，用于监测意大利的Tessina滑坡。这项技术可以高空间分辨率和精确度，获得整个滑坡耗损区的多时象地表变形图。使用的便携装置是线性SAR（LISA）,能够提供17GHz，合成孔径达到2.8米的测量。通过在两个基准点，将记录的像素位移与由电动经纬仪和电子测距仪的测量数据相比，证明结果是有效的。一、 概述世界上许多地方，滑坡影响城市或人类活动，由于在稳定性方面实施防范措施困难，通常成了不得已的与人类“共栖”的危险情况。为了保证人类生命、相关财产和基础设施的安全，优良风险管理需要有报警系统。该系统是基于从固定监测仪器中实时采集可靠数据。特别对报警事件，在难以操作的情况下，数据的实时有效性是预测短期移动变化的基础，并据此判定风险情况。在块体活动行为的参数中，分离或堆积区地表地形的变化特别重要。总的来说，地表监测技术，土工技术监测（倾斜计、应变仪和测距器等）和GPS或常规地形测量都提供了滑坡区确切数量点的信息。尽管单点数据很精确，它主要用于特别重要的地区（滑坡顶、耗损区和堆积区等），但不能据此推断整个区域的情况，这一点对于大面积滑坡或复杂边坡移动特别重要，因为它们表现为不同的移动模式。为了克服这一局限性，在大规模和复杂监测网中通常要用地形和/或仪器测量。但这些常规监测技术不能提供详细的空间延拓信息，而且不能应用于处于高风险或尚未形成滑坡的地段。合成孔径雷达（SAR）技术，通过机载或地面传感器进行作业，在评价大范围的地表位移中已经证明了其优越性能，特别是沿观测器的传感器目标线它可以探测高精度位移。作者已经在一个项目中研究过地面SAR干涉测量监测滑坡位移的性能，为了在测试这一技术在野外的适用性，对包含不同动力学和材料的各种地面运动进行了大量的试验。二、 地面微分SAR干涉测量这是一种地面位移的遥感测量方法，可以在野外测量时提供一地面变形场，无需在地面确定目标的位置，也无需任何与斜坡的实际接触。这一技术是基于SAR和干涉测量技术（InSAR）,起初是从卫星进行地表观察发展起来的。InSAR是基于同样情况获得的两个雷达相信息之间的比较，利用一对复杂的SAR图像，前者和后者分别作为主（m）和从（s）像，根据下式可以获得干涉图（I）：I（k,l）=m（k,l）S（k,l）* （1）其中*表示共轭干涉图中每一像素相作为干涉测量相的参考，具有以下不同的作用：地形影响。这一作用与相应干涉图像素的地形高度有关，主要是针对获得映像区数据高程模型（DEM）的InSAR应用。这一作用起源于获得两个图像的位置不同。因此，对于在同样位置（零基线）获得的像对这一作用不存在。介电效应。这一作用与透过大气层传播和反射目标的介电性质的相转化有关。一般假定获得的两个图像介电特征相似。若考虑到两者间不同的采集和时间间隔的相关情况，则有必要进行特别分析。填图地带的位移。单个SAR图像的每一像素相都包含：相应像素的传感器和地形间沿系统观测器目标线（LOS）绝对距离的信息。当在SAR采集像对的时间间隔发生地形位移，相应地，干涉图的相位也同时变化。InSAR主要是针对获得影像区的位移而发挥作用。假定干涉相位对介电压力的影响可以忽略或中等，分辨两剩余贡献的可能性，主要是取决于为了消除一个影响保留另一个影响而恰当的选择参数。为获得DEM，需要采集不同位置、同样卫星通道的图像。另一方面，为了获得位移模式，需要在不同的时间间隔、完全重复的同样轨道（零基线）采集图像，这在实际工作中很难实现。为了获得“不受地形限制”的干涉测量图，其相位可以与地形运动直接相联系。已经提出两种不同的方法，前者称为三回程干涉图，用到了第三个图像；后者称为DEM提取方法，通过采用观察区现有的DEM和采集成对图像过程中传感器轨道（轨道参数）的精确资料得到合成干涉图。InSAR的这一特殊应用称为微分InSAR（DInSAR）。另一方面，通过地面平台，通常可以获得零基线的理想状况，几个图像就足够生成不受地形限制的干涉图，最后，获得位移信息。无论什么时候GB—DInSAR用于监测移动，平台和特殊方法是独立地，终产物可以称为位移图，具有以下特征：位移的测量涉及沿SAR系统观测器目标线和采集SAR图像的时间间隔中真实位移的合成。空间分辨率等于原始SAR图像的空间分辨率；如果在处理过程的一些步骤要取空间平均，空间分辨率会降低。尽管在一些参考文献中，在滑坡分析中用机载数据应用DInSAR的几个例子可行，但是传感器事实上具有一些操作上的困难。Wasowski和Gostelow讨论了由于两个卫星参数和DInSAR技术的固有局限性造成的主要局限性，总结如下：采集图像：典型的入射角和轨道迹线仅对垂直和交叉方位角（近似为东一西向）位移组成有可接受的灵敏度。几何失真：SAR图像本身受将来失真（前缩短、雷达图象折叠、屏蔽）的影响，严重地限制了在陡坡或窄谷滑坡的观测，只能通过上升或下降采集数据将这些局限性部分去除。空间分辨率：卫星的有效空间分辨率范围为15〜30m；但只在需要时RADARSAT才能够获得10X9m数据。总之这些分辨率只适用于大比例尺的边坡移动。重访问时间：对ERS是35天，对RADARSAT是24天，对JERS是44天，故不宜用时间范围监测高变形率。时间解相关：观测范围的变化会降低干涉图质量，从而影响此技术的应用，这种情况通常发生在经常有滑动现象的茂密植被覆盖区发生；总之，相关性损失与采集的时间间隔相关。地面雷达的应用可以使我们克服许多与机载干涉测量相关的限制因素，而且可以获得斜坡固有特征的一些变量，如范围、运动机制、位移程度、含水率、活动情况和分布状态等。事实上，为了使这些参数适应于各种特定情况，这样一种方法可以改变观测参数（如与目标的距离、观测频率、合成孔径长度、入射角和重访问时间）。另一方面，地面系统受到不同限制，如可能仅覆盖有限范围的面积。此外，由于在采集时该系统应当固定在一稳定位置和合成孔径的有限范围，方位角的空间分辨率取决于与传感器的距离和相对于传感器的侧向位移，获得的方位角分辨率远非最佳值。然而，尽管获得的空间分辨率低于最佳值几个数量级，对于监测滑坡运动也足够了。三、Tessina滑坡Tessina滑坡位于Tessina峡谷，高度在625〜1220m之间，最大宽度500m，总体积700万m3。滑坡含有复理石地层，由泥灰质粘土和砂屑石灰岩互层组成，总厚度1000〜1200m。该地层为整个滑动区的不透水基岩，而且在Teverone（主要由fadalto灰岩组成）山脚出露。在20世纪60年代，几次滑坡活动造成了约500万m3的物质堆满了Tessina峡谷。这些滑坡活动严重危及了Funes村庄，该村庄起初位于河床上游的陡坡上，现在几乎与泥石流处于同样的水平面。1992年4月的滑坡活动危及了Lamosano和Funes村庄。四、材料、方法和测量活动本项研究应用的地面SAR孔径是便携式的，称为线性SAR（LSAR）。LISA系统主要组成如下：微波系统由连续波阶梯式频率（CW—SF）雷达组成，30kHZ〜6GHZ信号源网络分析仪（NWA）为其基础;相关转化模块可以将操作频率拓展至17GHZ。由直角形成的机械构件长2.8m，装有一雷达天线，由线性定位仪控制其移动。测量活动在2000年9月25日到10月13日之间进行，仪器安装在耗损区前的对面一个997.3m高的稳定斜坡上。轨道由混凝土工事固定，采集和可视化的电子仪器位于已有建筑上。在这项工作中，为了尽量容易安装，考虑到实际操作时的典型情况对活动中采用的仪器作了设计。系统的安装包括初步校准测量，只需要几小时。运行的雷达观测频带为16.70〜16.78GHz，步长为100kHz并进行VV极化，总共有801个频率点。传输功率为25dBm（约300mW）。通过移动天线拖运器进行天线合成，沿2.4m合成孔径的方位角步长为6mm，总共有401个方位点。这些运行条件的空间分辨率范围约为2m。影像区内的方位角分辨率是不连续的，范围在0.5〜3.75m，在中心处的值为2。LOS位移检测系统精确度的理论极限约为0.5mm（相应于工作频率20°的周相移动）。在完全同样的位置进行重复采集数据，间隔为14分钟。总之，收集到总共约400组按连续顺序排列的初始数据集。数据处理链包括不同的步骤。首先用固定点测量获取的单一的参考标准程序将每一原始数据集标准化；之后采用时间域SAR处理器将标准数据集中。这一方法已经得到发展，可以有效地应用于设计图像的方位延伸远远大于合成孔径的特别情况。在这种情况下，需要更多的存储要求，这就影响了其它SAR方法的应用，如范围移动和脉冲计算方法。此外，可以忽略计算时间的影响，对任意点集进行集中。这一特性易于将当地地形信息结合起来。在简化分析结果时，综合图像可以直接参考已有区域的DEM。同样据此简化与地面真实数据的比较，因为在这种情况下，用有效DEM的近似精确性可以很容易地在图像中确定定义点的位置。为了保证适当的重复取样要选择点栅格。最后，根据式（1）从每一像对得到干涉图。当不能肯定相位测量结果，掩蔽这些像素要用到附加的一步，见式（2）：其中，m是主像，s是从像，*和E[#]分别指共轭值和数学期望值。对于给定的图像集，将第一个作为主像，按图像顺序将相关图的顺序作为从像。之后为了仅保留相关性总是超过特定阀值的像素，分析相关性的时间变化。五、讨论和验证确定最高反射系数（浅色）如何来自贫瘠或少有植被的土壤（如草、矮灌木）是可能的。这些高反射率的区域边界与植被界线完全一致。有树木和茂密灌木的茂密植被区反射系数较低，在图像上表现为暗色。由于采集的时间间隔短（14分钟），地面介电常数的变化可以忽略，相位变化为^中，在LOS方向转化为地面位移&，相应于下式：(3)当在这一间隔内发生特定的大气情况，要认真地核查数据，当这些影响不能忽略时要将数据丢弃。在2和45分钟的时间间隔有8幅干涉图，经过DEM处理，相关性低的区域被掩蔽。为了易于解译，需投影到水平面。根据式（3）干涉图的色彩范围表现了转化为微米的相差，反过来直接对应于LOS方向的地面运动。负值表示距离减小，如向观测者运动，只有可以沿LOS方向测得的移动值得进行附加说明。GB-InSAR的几何布置与机载观测具有极大的差别，LOS定位完全取决于当地的地形情况。另一方面，如果可以使用详细的DEM，关于特定方向，例如当地斜坡方向的LOS定位，可以通过精确计算获得。对整幅图每一像素的LOS和当地斜坡方向夹角进行计算。此外，地形系统对基准点运动方向进行了独立评价，对每一基准点各种方向和当地LOS方向的夹角进行的评价结果表明，至少有60%的运动是沿着LOS方向。已经指出没有将相值展开，变形值会受测相固有模糊的影响：如果向观测者的地面位移超过范围的末端，如-0.25入=-4.5mm，连续值会从相对的范围末端重新开始，如+0.25入=4.5mm。地面位移达到0.5入=9mm后，图像像素再次同相（值为0）。从第一幅干涉图开始形成边界，相覆盖的典型影响就非常明显。在最后一幅图中完全形成的边界表明发生了几个相循环，不规则图案源于复杂的滑坡运动。干涉序列的严格检验表明有一复杂的变位场，在滑坡主要陡崖下有明显的两段在运动。两段都有拉长的形状，东边的一个靠近左侧滑坡侧面，按顺序逐渐向上扩展。这一顺序可以识别出东段最大的位移（右侧滑坡侧面附近），表明在14分钟内出峰率为8.5mm，之后约为36mm/h。很明显位移模式与由测量活动期间暴雨造成的表层泥石流的前进和后退相关。逐步比较连续干涉图，可以详细地观测到滑坡的演化。在整个顺序中，滑坡活动的分布保持同样的位移模式，表明在调查时间间隔恒定的位移率。只有两个基准点，标号为610和611定位在雷达测量时移动的分段中。对两基准点的雷达和光学测量结果相比，在两种情形下，定位包括基准点的像素，在一系列连续干涉图中考虑同样的像素，提取和展开单个取样点的位移历史。由于缺乏SAR采集的时间间隔，利用光学数据来校正展开雷达测量结果。结果表明48小时的时间间隔内，近似恒定的位移率为11.7mm/h，最大偏差小于3.0mm两种独立技术分析的结果非常一致。此外，光学测量可能受到因昼夜温差造成的系统误差的影响。为此，为了和雷达观测进行直接比较，对光学数据进行内插。内插结果表明在48小时内共发生了9mm的位移，相应的平均有效速度为0.35mm/h。尽管位移率低，相关性也低，在这一情况下，将差异限制在3mm，雷达观测也表现出非常相似的趋势。基准点610的数据也用于进一步评价雷达方法的精确程度。特别是在对精确格栅重新取样后，计算了光学和雷达测量差别的标准偏差，结果值为1.7mm，可