地基雷达干涉测量技术在滑坡灾后稳定性评估中的应用

刘　斌　葛大庆　张　玲　李　曼　王　艳　王　毅　张晓博　江利明　柳　林　孙亚飞　 高斌斌

1　中国国土资源航空物探遥感中心，北京市学院路31号，100083　2　中国科学院测量与地球物理研究所，武汉市徐东大街340号， 430077



地基雷达干涉测量技术在滑坡灾后稳定性评估中的应用

刘斌1葛大庆1张玲1李曼1王艳1王毅1张晓博1江利明2柳林2孙亚飞2高斌斌2

1中国国土资源航空物探遥感中心，北京市学院路31号，1000832中国科学院测量与地球物理研究所，武汉市徐东大街340号， 430077

摘要：针对2014-09-01大树场镇大面积山体滑坡灾后稳定性，从IBIS-L地基雷达形变测量原理和关键技术(步进频率连续波和合成孔径雷达)入手，给出地基InSAR数据处理流程，获得了滑坡灾后高精度、高时空分辨率的形变演化特征，测量精度达到亚mm级。地基InSAR结果表明，滑坡体滑动幅度较大的区域位于滑坡体左侧中上部(120 mm)和右侧中上部(75 mm)。滑动主要由堆积松散土在裂隙水、雨水等作用下造成，产生较大次生灾害的可能性较小。

关键词：地基合成孔径雷达；步进频率连续波；合成孔径雷达干涉测量技术；滑坡形变监测

地基合成孔径雷达(ground-based synthetic aperture radar，GBSAR)能够根据观测目标的形变特征灵活操作，弥补了星载InSAR重访周期固定、入射角单一等不足，受到越来越多的关注。目前，国内外已有多种成熟的商用地基合成孔径雷达系统投入使用[1-4]，其中，IBIS是意大利IDS公司和佛罗伦萨大学研制的一种新型地基雷达系统，包括IBIS-S和IBIS-L型：IBIS-S型最大监测距离为1 km，理论测量精度0.01 mm，能够满足桥梁或建筑物等动态监测的需要；IBIS-L型最大监测距离为4 km，理论测量精度0.1 mm，主要用于大坝、山体滑坡、露天边坡、冰川移动等大型目标的形变监测。IBIS-L是利用一套雷达传感器，沿着轨道运动并不断发送和接收微波信号，利用合成孔径雷达技术获得其成像。黄其欢[5]通过与千分表设置的位移对比，验证了IBIS-S的实际测量精度优于0.1 mm。邱志伟[6]将隔河岩大坝IBIS-L系统测量数据与垂线监测结果对比，发现两种观测数据误差不超过±2 mm。由于观测目标的工况条件不同，IBIS系统的测量精度会有所差别，但基本上能保证mm级的测量精度。

本文从IBIS-L形变测量原理和关键技术入手，总结地基雷达干涉测量的数据处理流程。针对2014-09-01大树场镇大面积山体滑坡灾情，获得滑坡灾后高精度、高时空分辨率的形变演化特征，测量精度达到亚mm级。

1　IBIS-L形变测量原理

图1为利用GBSAR对目标点P的干涉测量示意图。设固定观测基站监测的目标点P形变前后的相位为φM和φS，两者的干涉相位可表示为：

(1)

可得目标点P的形变量为：

(2)

图1　GBSAR形变测量示意图[7]Fig.1　Working principle of GBSAR for deformation measurement[7]

式(2)是在空间基线b为零，且不考虑干扰项(大气延迟相位φatmo和相位噪声φnoise)情况下得到的理论关系式。在非连续观测模式下，空间基线b可能不等于零，需要消除地形相位φgeom。因此，干涉相位的完整表达式为：

ΔφMS=φgeom+φdefo+φatmo+φnoise+2kπ

(3)

2　IBIS-L关键技术

2.1步进频率连续波(SFCW)[7-12]

SFCW雷达通过均匀步进的方式线性增加连续脉冲的频率，利用较窄的瞬时带宽合成较宽的信号工作带宽，既实现了一维距离向的高分辨率，也降低了对发射机峰值功率的要求。SFCW雷达利用频率调制系统连续发射N个载频线性跳变(频率步进量Δf)的窄带宽脉冲序列，其中连续脉冲总数N与距离向分辨率δr和最大探测距离rmax有关，即N=2rmax/δr。为避免欠采样，连续脉冲总数应不少于分辨单元数。

如图2，步进频率连续波信号带宽B=NΔf，由于距离向最大分辨率取决于传输信号的带宽δr=c/2B，c为光速，则频率步进量Δf=c/rmax。每个频率采样的持续时间Δt必须足够长，Δt=2rmax/c，才能保证雷达终端接收到最远目标的回波信号。

图2　SFCW信号传输示意图[8]Fig.2　Transmitted SFCW signal[8]

2.2合成孔径雷达技术(SAR)

根据SFCW的特点，IBIS-L地基雷达系统通过计算机控制SFCW雷达沿2 m的水平滑轨匀速滑动，按照连续的“走-停”模式完成数据采集。雷达模块的采样间隔为5 mm，即雷达在滑轨上每移动5 mm，连续地发射和接收一次观测目标的雷达后向散射信号，对雷达在不同位置接收的回波信号进行聚焦，有效提高方位向分辨率[10-11]。这种利用雷达与目标的相对运动，将尺寸较小的真实天线孔径合成较大的等效天线孔径的技术，称为合成孔径雷达技术。

合成孔径雷达方位向分辨率δc与轨道长度Ls和探测距离r有关：

(4)

其中，角度分辨率Δθ=λ/2Ls。由于Δθ为定值，因此方位向分辨率与测距有关。最终，IBIS-L地基雷达系统综合SFCW和SAR技术，将扫描区域分割为许多二维的分辨单元，如图3所示。

图3　IBIS-L地基雷达系统工作原理示意图Fig.3　Working principle of IBIS-L GBSAR system

3　大树场镇滑坡灾后GB-InSAR观测

2014-09-01 03：00，重庆奉节大树场镇发生大面积山体滑坡。滑坡区山体总体上东高西低，最高点和最低点分别位于滑坡区东侧山顶和梅溪河支流崔家河河谷，主要地貌形态类型包括陡崖、斜坡、河谷堆积地貌。

3.1观测站选址和数据采集方案

连续模式下GBSAR测量观测基站选址主要考虑以下因素：1)测量设备牢固，在观测过程中不能发生移动；2)设备安装位置能够保证雷达视线向与形变方向尽可能一致；3)雷达入射角的选取需要权衡地距分辨率与后向散射信号强度的关系；4)监测过程中必须确保设备安全；5)尽量避免影像阴影、叠掩、顶底倒置等畸变现象。

本次观测中地基雷达系统安置在滑坡对面的平坦场地，扫描区域完全覆盖治理后的危岩带和滑坡区。两个观测区域植被覆盖稀少，非常适合GB-InSAR观测。观测时间09-23 17:06～09-26 08:53，系统参数设置如表1所示。大约每6 min采集一景雷达RAW影像，共获得654景SAR影像。观测期间，系统经历了高温、阴雨和强降雨等恶劣天气，温度、湿度等外界因素的微小变化在稳定点的GB-InSAR结果中均有所反映，验证了IBIS-L在边坡稳定性持续观测中的可靠性和准确性。

表1　IBIS-L地基雷达系统观测参数配置

图4　大树场镇滑坡灾后GB-InSAR数据处理流程图Fig.4　GB-InSAR processing flow after landslide of Dashuchang town

3.2数据处理

如图4所示，大树场镇滑坡灾后稳定性GB-InSAR时序分析采用相邻时刻影像两两干涉处理的简单网络组合方式，生成653个干涉图，可以有效提高处理效率。由于本次观测采用固定轨道的连续观测模式，且观测距离较短(<600 m)，空间基线为零，因此GB-InSAR数据处理无需进行图像配准及地形相位补偿。由于连续模式下数据采集时间短，目标形变速率v在相邻的SAR影像获取时间间隔Δt内，一般能够满足|v|<λ/4Δt，因此避免了相位解缠过程。

设置估计信噪比、相干系数、相位稳定性阈值分别为15 dB、0.5和2，筛选出稳定的相干目标点，在相干目标点上进行初始形变时间序列分析。由于IBIS-L系统采用Ku波段雷达，波长为17.4 mm，因此GB-InSAR的理论监测精度能达到亚mm～mm级。初始形变时间序列分析得到的形变信息不但包含了实际的形变，还包括温度、湿度、气压等大气环境变化引起的相位变化。在观测的稳定区域内，选取一定数量的估计信噪比、相干性和相位稳定性高的点作为参考点(GCP)(图5)，通过对所有GCP点在视线向的形变时序曲线加权平均，建立大气相位校正时序曲线。将每一相干目标点的形变时序曲线减去大气相位校正时序曲线，得到准确的相干目标点形变时序曲线。本次观测选取位于治理后的危岩带上的4个GCP点，由于观测时间较短，滑坡体上部治理后的危岩体在观测期间可认为基本保持稳定；另外，从当地有关部门了解到，GPS长期观测结果也表明危岩带基本稳定。因此，选取的GCP点可以用来估计大气相位校正时序曲线，进而校正GB-InSAR时序分析结果。

图5　参考点视线向形变时序图Fig.5　Time-series line of sight displacements of ground control points

3.3结果分析

图6(a)为大气校正后经过时空滤波的累积形变图。由图可见，相干目标在滑坡体中上部黄土裸露区域分布密集；下部由于被推倒的树木和房屋覆盖，相干目标较少。累积形变结果表明：1)治理后的危岩带基本处于稳定状态，这与当地地质部门长期监测的结果非常吻合；2)滑坡体上存在两处显著活动区，分别位于左侧中上部(区域Ⅰ)和右侧中上部(区域Ⅱ)，这两处形变过程主要是由堆积松散土的滑动引起，其中滑移区域Ⅰ最大变形120 mm，滑移区域Ⅱ最大变形75 mm。

为进一步分析灾后滑坡体形变特征，分别在治理后的危岩带(P1)、区域Ⅰ(P2)和区域Ⅱ(P3、P4)两处显著活动区选取典型特征点进行形变时间序列分析(图6(b))。特征点P1形变时序分析表明，治理后的危岩带比较稳固，形变幅度基本控制在[-0.5，+0.5] mm范围内，也验证了IBIS系统亚mm级的测量精度。两处显著活动区的特征点(P2、P3、P4)时序形变特征大体一致： 09-23 17:00～09-24 10：00，当地天气多云转阴，空气湿度70%～75%，3个特征点以较小的下滑速度滑移(P2下滑速率最大，约1.5 mm/h)；09-24 10：00左右，当地开始降小雨，空气湿度陡升至90%左右，区域Ⅰ和Ⅱ表面整体发生陡滑现象，最大下滑量约为4 mm；14：00降雨突然变大并持续2 h，滑移区域下滑速率加快，P3处达到5 mm/h。P2处至观测结束仍处于快速下滑状态，而P3、P4处在25日12：00基本处于稳定。根据区域Ⅰ和区域Ⅱ特征点的形变时序分析，降雨冲刷松散土表层是造成两处活动区加速下滑的主要原因，这种加速滑动造成较大次生灾害的可能性很小。

图6　大树场镇滑坡灾后地基InSAR累积形变图及特征点形变时序分析图Fig.6　Cumulative displacement of GB-InSAR flow after landslide of Dashuchang town，and displacement time-series analysis of pixels

4　结　语

本文研究了IBIS-L地基雷达系统两项关键技术——步进频率连续波和合成孔径雷达技术，给出地基雷达干涉测量技术数据处理流程。针对2014-09-01大树场镇大面积山体滑坡灾情，IBIS-L地基雷达系统获得了可靠的SAR原始数据，测量精度达到亚mm级。处理得到的滑坡灾后形变演化特征表明：

1)治理后的危岩带基本处于稳定状态，与当地地质部门常规观测结果相吻合。

2)滑坡体滑动幅度较大的区域位于滑坡体左侧中上部和右侧中上部位置，主要是由堆积松散土在裂隙水、阴雨等作用下造成的滑动，产生较大次生灾害的可能性较小。

致谢:本研究得到中国国土资源航空物探遥感中心、中国科学院测量与地球物理研究所和三峡大学的大力支持，三峡大学涂鹏飞高级工程师以及中国地质科学院地质力学研究所李滨高级工程师等在研究中给予帮助，在此一并表示感谢！

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China, No. 41504048; Project of China Geological Survey, No. 12120114036401.About the first author:LIU Bin, PhD, senior engineer, majors in data processing of space-borne and ground-based InSAR, E-mail：lbin0226@163.com.

收稿日期：2015-09-11

第一作者简介：刘斌，博士，高级工程师，主要从事星载和地基InSAR数据处理研究，E-mail：lbin0226@163.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.08.004

文章编号：1671-5942(2016)08-0674-04

中图分类号：P315

文献标识码：A

Application of Monitoring Stability after Landslide Based on Ground-Based InSAR

LIUBin1GEDaqing1ZHANGLing1LIMan1WANGYan1WANGYi1ZHANGXiaobo1JIANGLiming2LIULin2SUNYafei2GAOBinbin2

1China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, 31 Xueyuan Road,Beijing 100083, China2Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, 340 Xudong Street,Wuhan 430077, China

Abstract:The IBIS-L ground-based SAR monitors the displacement of an observed object by combining of the stepped frequency continuous wave, synthetic aperture radar and an interferometry technique. To monitor the displacement after the landslide in Dashuchang town on September 1, 2014, we first discuss the key technology of the IBIS-L ground-based InSAR and the ground-based SAR system. Second, we summarize InSAR data processing flow. Then third, obtain displacement evolution characteristics with sub-millimeter precision and high spatial-temporal resolution. GB-InSAR results show that displacements of the middle-upper parts on the left and right sides of the landslide body are 120 mm and 75 mm respectively. This is caused by crack water and rain. Displacements of landslide body are impossible to produce larger secondary geological disasters.

Key words:ground-based synthetic aperture radar; stepped frequency continuous wave; synthetic aperture radar interferometry; landslide displacement monitoring

项目来源：国家自然科学基金(41504048)；中国地质调查局项目(12120114036401)。