基于InSAR技术的滑坡位移变形监测应用研究.pdf

经纬天地Survey World2023年第3期No.320230引言现阶段针对滑坡位移变形所采用的监测方法主要包括接触式和非接触式监测。接触式监测方法主要是指监测人员手持全站仪、水准仪等传统设备，对滑坡上预先埋设的监测点进行逐点监测1，此种方法监测的结果精度较高，但监测效率低，工作量大，且某些重点风险区域监测人员往往无法到达；非接触式监测主要包括航空摄影测量、三维激光扫描等作业方法，能够在较短时间内完成小面积区域的滑坡位移变形监测作业，但该方法能够覆盖的监测范围有限，监测精度容易受环境因素影响，难以满足大面积区域滑坡位移变形高精度监测要求。为解决大区域范围滑坡位移变形监测的弊端，本次研究采用合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR，InterferometricSynthetic Aperture Radar）进行滑坡位移变形监测研究，对不同时期观测过程中的雷达波相位差进行解析，换算为空间距离数据，从而获取滑坡位移变形数据信息2。随着大量专家学者不断对 InSAR 技术进行研究，在传统 InSAR 的基础上提出差分干涉测量技术（DInSAR，Differential InSAR）和时序干涉测量技术（Time-Series InSAR），对传统 InSAR 技术进行改进，提高作业精度，扩宽应用领域，使得大区域范围内的滑坡位移变形监测可以达到厘米级甚至毫米级精度，并且该监测方法不容易受到气候条件的干扰，可靠性及适应性较高，能够对滑坡的时空变形特征进行较为准确的分析研究，有效识别大面积范围内的主要滑坡风险点。基于 InSAR 技术的滑坡位移变形监测应用研究陈新（河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队，河北 秦皇岛 066000）摘要：针对大面积区域多处滑坡位移变形难以有效监测的问题，提出了采用PSInSAR和SBAS-InSAR相结合的技术方法，实现了大面积范围内滑坡位移变形高精度监测。基于研究区SENTINEL 1卫星升轨数据，对滑坡SAR可视性进行分析研究，生成研究区滑坡位移监测点空间分布及变形数据成果，不仅可以有效识别滑坡风险点，还可以对其变形程度进行准确呈现，研究结果可用于后续大面积区域的滑坡位移变形监测及重要风险点识别。关键词：InSAR；滑坡位移变形监测；可视性分析；几何畸变中图分类号：P962文献标识码：A文章编号：2095-7319（2023）03-0066-04Application research of landslide displacement and deformation monitoringbased on InSAR technologyCHEN Xin(The 8th Geological Brigade,Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development,Qinhuangdao 066000,China)Abstract:Aiming at the problem that it is difficult to effectively monitor the displacement and deformation of multiple landslides in alarge area,this paper proposes the technology method combining PSInSAR and SBAS-InSAR to realize the high-precisionmonitoring of landslide displacement and deformation in a large area.Based on the orbit lifting data of SENTINEL 1 satellite in thestudy area,the SAR visibility of landslides is analyzed and studied,and the spatial distribution and deformation data of landslidedisplacement monitoring points in the study area are generated,which can not only effectively identify landslide risk points,but alsoaccurately present their deformation degree.The results can be used to monitor landslide displacement and deformation in large areasand identify important risk points.Key words:InSAR;landslide displacement and deformation monitoring;visibility analysis;geometric distortion收稿日期：2022-04-12作者简介：陈新（1989），男，河北秦皇岛人，本科，工程师，主要从事地质测绘工作。E-mail：666月1合成孔径雷达干涉测量合成孔径雷达干涉测量（InSAR）本质上是一种微波遥感对地观测技术，通过搭载在卫星或者飞行器上的雷达传感器，不断对地面及附着物发送雷达波，并对返回的雷达波相位信息进行解析，转化为地表三维坐标数据。以传统 InSAR技术为基础，不断对其进行优化改进，整合一系列毫米级高精度探测技术，如差分干涉测量技术（DInSAR）、永久散射体干涉测量技术（PSInSAR）以及小基线集干涉测量技术（SBAS-InSAR）等，并将其广泛应用于滑坡位移变形监测、城市地表位移监测、火山运动研究等领域中。1.1合成孔径雷达合成孔径雷达（SAR）本质上是微波遥感成像，穿透力强，基本不受气象及日照因素干扰，能够进行全天候作业。其原理是利用电子脉冲信号的传播时间来解析与目标的空间距离，脉冲信号的宽度直接影响成像分辨率，当成像分辨率要求较高时，就要求电子脉冲信号的脉冲宽度尽可能窄3，这就意味着需要相对较大的雷达天线。但实际应用过程中，受制于设备自身问题，雷达天线往往不可能太大。为解决该问题，SAR 技术以体积较小的天线作为单个辐射单元，使其沿固定方向进行持续移动，在飞行方向的不同位置接收同一地物的雷达返回信号，然后对多组信号进行解析计算，从而生成高分辨率的合成孔径雷达影像，如图 1 所示。1.2差分干涉测量差分干涉测量（DInSAR）以光的双缝干涉原理为理论基础，采用专业解析算法对包含相同地区范围的两幅 SAR 影像进行预处理，将相对应的像元中的雷达相位作差，获取雷达干涉相位图。相位图中的每个像元干涉相位即为该位置的变形相位，但其中包含了较多误差因素4，主要有大气影像相位误差、轨道误差、噪声相位误差等，从而影响了数据应用效果。DInSAR 空间几何关系如图 2 所示。1.3永久散射体干涉测量虽然利用 InSAR 和 DInSAR 技术能够对地表及附着物的变形信息进行高效获取，但数据中不可避免地会存在较大误差，导致最终的差分干涉图中出现较多与变形信息完全不相干的数据甚至没有变形信息，同时由于大气延迟相位的影响，获取到的变形数据精度较难满足用户实际使用要求。PSInSAR 技术能够有效解决 InSAR 和 DInSAR 技术精度相对较低的弊端。该方法以高相干点集为基础，当星载或机载的传感器获取到 SAR 影像时，每个像元中均包含了多个散射对象的反射数据。若散射对象在多期观测时产生了较大位移，如植被树木等，则反射数据中的返回相位表示为随机状态，为失相干点集；若散射对象中存在较为稳定的散射体，且返回信号的强度相对较高，则反射数据中的返回相位较为稳定，其他不稳定的信号则为数据噪声，剔除后即可获得变形信号。PSInSAR 以单个像元的相位振幅偏离差为基础，选出一定数量的 PS 候选点，然后利用已知的稳定散射体相位信息作为参考基准点，建立参考基准模型模拟稳定振幅像元相位变化5，对所有 PS 候选点进行筛选，保留与模型相位变化相似的点为 PS 点，并对其进行分析解算，获取变形信息。利用 PSInSAR 技术进行滑坡位移变形监测，其精度基本能够达到毫米级，在线性变形区域甚至可达亚毫米级，但该方法仅能够对返回信号强度较高的单一强散射体变形进行探测，当测区范围内存在多个强散射体影响变形时，获取的相位变化普遍会超出 PS 点所能够识别的阈值区间，从而无法进行有效监测作业。1.4小基线集干涉测量为获取受多个强散射体影响的测区变形信息，解决PSInSAR 技术的局限性，专家学者提出小基线集干涉测量（SBAS-InSAR）方法。SBAS-InSAR 是以空间和时间基线的阈值和 SAR 影像为基础，利用干涉相对连接图获取若干个不同的短基线集合，单个集合内部的空间和时间基线相对较短，但两个集合之间的基线相对较长，从而可以利用空间滤波、多视测量等方法对视角差异产生的误差及失相干进行削弱，获取干涉像对的干涉图6。然后以每景干涉图中的相干性为基础，对像元进行筛选识别，确定所需像元后即可对其进行相位解缠，主要方法为最小二乘法及奇异值分解法，对每个像对的变形相位进行归算处理，获取其相对于某个基准影像的变形相位，从而获取测区的变形监测成果。在多数条件下，采用 SBAS-InSAR 方法对测区进行变形监测，其精度可达毫米级。2项目应用研究本次研究以白龙江流域的地表及滑坡监测项目为研究对象，白龙江总长度约为 576 km，白龙江流域面积约为图 2DInSAR 技术空间几何关系图 1SAR 技术成像原理陈新：基于 InSAR 技术的滑坡位移变形监测应用研究67经纬天地Survey World2023年第3期No.3202331 800 km2，区域平均高程约为 2000 m，最高可达 5000 m；白龙江流域内地形地貌较为复杂，复杂的地形地貌及气候特征使得该地区植被呈现出多区域、多层次、多种类的分布特征，极为复杂的自然环境使得常规监测方法很难获取该区域的位移变形。因此本次研究采用 InSAR 技术对白龙江流域进行位移监测研究，验证该技术方法的可行性及可靠性。2.1可视性分析由于白龙江流域复杂的地形地貌环境，在采用 InSAR技术进行位移变形监测前，需对研究区是否位于雷达可视范围以及能否在雷达影像中进行显著表现进行分析研究，从而保障该技术方法的可行性。2.1.1SAR数据地形效应SAR 成像方法为侧视成像，如图 3 所示。雷达系统发出的雷达波以不同的视角对地面进行探测，一般情况下按照接收到的反射信号顺序进行成像，因此在地形地貌起伏变化较大的区域，会对反射信号抵达雷达的顺序产生较大干扰，使得 SAR 影像存在一定程度的几何畸变，主要包括透视收缩、叠掩以及阴影等，从而大大影响了 SAR 技术的探测能力及成像精度。白龙江流域地形起伏较大，最大高差可达 4700 m，会对SAR 影像产生极为严重的几何畸变，因此需要对研究区SAR 地形可视化进行分析研究。通过对白龙江流域 2000 年以来的 SAR 数据进行调查分析，发现可采用 InSAR 技术进行位移监测应用的卫星数据主要有 5 种，如表 1 所示。其中COSMO SKYMED 为商业卫星数据，费用较为昂贵，故本次研究对其他 4 种 SAR 数据进行可视化分析研究，确定最佳卫星数据。序号12345卫星类型ENVISAT ASARALOS PALSARSENTINEL 1SENTINEL 1COSMO SKYMED波段CLCCX升/降轨降轨升轨升轨降轨降轨数据时间/a20032010200720112014至今2014至今20112012影像分辨率/m301520203雷达入射角/（）23.638.739.639.640.0图 3SAR 数据地形效应表 1研究区可利用的 SAR 数据汇总2.1.2分析成果本次研究采用 R 指数以及叠掩阴影计算方法对研究区SAR 可视性进行分析研究，技术路径如图 4 所示。以图 4 中的可视性分析技术路径为基础，利用 ArcGIS软 件 中 的 栅 格 计 算 器 依 次 对 ENVISAT ASAR、ALOSPALSAR、SENTINEL 1 卫星雷达数据进行白龙江流域 SAR数据地形可视性分析，结果如表 2 所示。表 2 是针对白龙江流域的全部地形地貌的 SAR 数据地形可视性分析成果，但本文主要是对白龙江流域的滑坡进行位移变形监测研究，因此需要对滑坡发生区域是否位于雷达的可视性范围进行进一步分析研究，可视性分析结果如表 3所示。由表 3 可知：研究区 SAR 数据中，SENTINEL 1 卫星数据的滑坡可视性最好，ENVISAT ASAR 卫星数据的滑坡可视性最差，因此本次研究采用 SENTINEL 1 卫星数据进行白龙江流域的位移变形监测研究。2.2滑坡位移变形监测分析本次研究以 SENTINEL 1 卫星升轨数据为基础，采用SBAS-InSAR 和 PSInSAR 相结合的技术方法对白龙江流域的滑坡进行动态位移变形监测，对 55 景影像数据进行处理，获取白龙江流域滑坡位移变形速率和时间序列变形数据，其成果如图 5 所示。其中滑坡位移变形速率的方向表示与雷达视线方向的偏离，速率为正表示变形方向靠近雷达方向，速率为负表示变形方向远离雷达方向。由图 5 可知：将 PSInSAR 和 SBAS-InSAR 技术进行有效结合，在一定程度上提高了研究区高相干位移变形监测点的空间密度，使得监测结果更为可靠，更加具有全面性；研究区滑坡位移变形监测点的分布，基本覆盖了白龙江流域的主表 2研究区 SAR 数据地形可视性分析结果序号1234卫星类型ENVISAT ASARALOS PALSARSENTINEL 1升轨SENTINEL 1降轨几何畸变面积/km29961912693029584占比/（%）54.750.151.152.6686月要滑坡，尤其是城镇及周边地区的高风险滑坡，且监测精度达到了毫米级，能够对该地区的滑坡风险进行有效监测，提前进行安全预警，保障该地区居民生命及财产安全；研究区变形速度较大的滑坡在白龙江流域的上中下游均有分布，其中上游区域包括西布古村、舟曲县城等，中游区域包括武都市区、角弓镇、马街镇等，下游区域包括武都区桔柑镇、文县桥头镇等，均为白龙江流域的重点发展区域，但受制于白龙江流域复杂的地形地貌，滑坡、崩塌点等风险点较多，气候条件、强降雨以及人类活动的影响，均会使得滑坡位移变形速率增大，因此需要对以上重点风险区域进行密切关注，确保第一时间获取到滑坡位移变形数据，进而保障研究区居民人身安全。3结语随着 InSAR 技术不断发展进步，在大区域范围内的高精度地表位移变形监测中的应用愈加成熟。本次研究通过对不同 InSAR 技术的作业原理及优劣势进行详细介绍，分别讨论了各类技术方法在不同监测领域的适用性，随后应用InSAR 技术对白龙江流域进行位移监测作业，通过对研究区进行可视性分析，选择 SENTINEL 1 卫星升轨数据作为研究区位移监测数据源，利用 PSInSAR 和 SBAS-InSAR 技术对白龙江流域的滑坡 2014 年至今的位移变形数据进行分析研究，统计较大变形点在研究区内的空间分布，并通过现场实际勘察，确定其处于滑坡风险点，并对其进行重点关注并持续跟踪监测，获取重要风险点变形数据。本文通过理论分析和项目应用验证了 InSAR 技术在大面积范围位移变形监测的技术可行性及成果可靠性，具有较高的现实意义。参考文献：1尹靖.基于时序InSAR技术的滑坡监测和稳定性研究D.南昌:东华理工大学,2021.2任峰.D-InSAR技术在地震滑坡监测中的应用J.科技创新导报,2017,14(19):22-24.3孙倩,胡俊,陈小红.多时相InSAR技术及其在滑坡监测中的关键问题分析J.地理与地理信息科学,2019,35(3):37-45.4李晓恩,周亮,苏奋振,吴文周.InSAR技术在滑坡灾害中的应用研究进展J.遥感学报,2021,25(2):614-629.5王毅鹏,张永志,赵超英,等.GPS及InSAR数据支持下的甘肃黑方台滑坡监测云平台设计与分析J.测绘通报,2019(8):106-110.6康亚,赵超英,张勤,等.InSAR滑坡探测技术研究:以金沙江乌东德水电站段为例J.大地测量与地球动力学,2018,38(10):1053-1057.图 4可视性分析技术流程表 3研究区滑坡地形可视性分析结果序号1234卫星类型ENVISAT ASARALOS PALSARSENTINEL 1升轨SENTINEL 1降轨几何畸变面积/km21981153810391332占比/（%）10.98.45.77.3图 5白龙江流域滑坡位移变形监测成果陈新：基于 InSAR 技术的滑坡位移变形监测应用研究69