InSAR技术及其应用介绍

文|闫永奇 北京东方至远科技股份有限公司

一、引言

随着我国城市化进程不断推进、城市规模不断扩大，城市安全面临的问题也日渐增多。其中，城市地质灾害的发生给人们的经济、生活带来了颇为严重的灾害，而绝大多数地质灾害是由于地表形变导致的地面沉降，这些灾害目前已成为影响区域经济和社会可持续发展的重要因素。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术是近年来随着雷达卫星的发展而产生的对地形变监测行之有效的新技术，在城市安全方面取得了较为突出的进展。

二、InSAR技术原理介绍

1.InSAR技术原理

在地质灾害安全隐患监测方面，以往普遍采用传统测量手段，主要包括两类：一类是接触式测量，包括水准仪、倾斜仪、GPS、无线传感器等。此类方法测量精度高、年形变监测误差可达毫米级甚至亚毫米级，但其需要在监测区内布设测点，而一些危险区很难实施布设，同时，只能观测离散点，且存在空间盲区，人力物力耗费量大，GPS测量手段还会受到可视卫星数量限制；另一类是传统的非接触式测量，包括近景摄影、激光扫描等。此类方法能实现面域数据获取，观测某些人为难以到达地方，但其极易受天气影响，有的甚至无法夜间成像。因此，无论是接触式测量还是传统的非接触式测量，都存在各自的技术限制，无法满足当前的紧迫需求，无法同时实现对地面沉降风险场景进行全覆盖、长时间和高精度的形变监测。

InSAR技术是将合成孔径雷达（SAR）置于卫星上，通过两副天线同时观测（单轨模式），或两次近平行的观测（重复轨道模式），对目标场景进行照射，获取地表同一景观的复图像对，其重访周期最高可达几天/次。这项技术无需设置地面观测站，仅需通过雷达卫星对地监测和数据获取分析，即可实现主动式、全天时、全天候数据获取，且单次监测范围可达成百至上千平方公里。更重要的是，InSAR技术投入成本相对较低，性价比极高（如图1）。

图1 SAR卫星拍摄示意图

InSAR技术是基于SAR影像获取地表的三维信息和变化信息的新型空间对地观测技术，它可以高精度地监测大面积微小地面形变，实现对地表形变毫米级的几何测量（对于X频段的雷达卫星，测量精度可高达毫米量级），近年来，由于具备高精度形变监测能力，InSAR技术得到了迅猛的发展。

由于目标与两天线位置的几何关系，在多时相SAR影像上产生了相位差，InSAR技术就是根据这种相位差形成干涉条纹图，干涉条纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息。因此，根据相位差以及传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，InSAR技术可以精确地测量出图像上每一点的三维位置和微小变化信息（如图2）。

图2 InSAR平面几何原理

InSAR技术与传统的GPS、水准测量等基于离散点的形变监测技术相比，对于地表形变探测，有其明显的特点和长处，主要表现在以下几个方面：

1）监测精度高。雷达图像分辨率可达米级，InSAR技术可监测到毫米级的地表形变。

2）监测范围广。目前获取数据的雷达主要以卫星或飞机作为搭载平台，它的特点是飞得高、视域广、监测范围大，一次就可监测地表上百至上千平方千米的范围，能够对城区及山区实现全覆盖监测。

3）监测连续性。雷达按一定的时间间隔对地面同一目标进行周期或非周期的长期观测，数据更新快，数据量丰富，可监测地面目标在时间序列上的连续形变过程。

4）全天时全天候，受天气影响小。雷达发射微波信号，使用探测频段较长，在夜晚、大雾、云和雨等条件下也能对目标进行形变监测，受天气影响较小，可全天时全天候获取数据，具备长时间连续工作的能力。但是，在极恶劣天气条件下，相位信息受噪声影响较大，形变测量精度可能会降低。

5）监测实施方便容易。传统航测监测方法需要布设水准点，而雷达沉降监测不受这些条件的限制，一般只需卫星获取地表影像就可以，给沉降监测带来很大的便利。

6）成本相对低。不需要观测网的布设和维护费用，而数据的成本相对不高，所以，对于大面积、时间长的沉降监测服务好，而成本相对较低。

InSAR技术具备独特的优势，现已经成为地表形变监测领域极有发展潜力的新手段，也是国际上地面沉降变形监测方法研究的主要方向之一。

2.数据源卫星介绍

合成孔径雷达作为一种主动式微波遥感，具有全天时、全天候、穿透能力强、无需设置地面观测站等特性，具有多频率多极化多角度的工作模式，能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些的信息，是推动遥感与地理信息产业等的重要技术保障，针对大范围区域能提供较大的数据保障，可作为光学数据空缺时的补充。

目前尚在工作中的雷达卫星主要为X、C、L频段。不同频段的雷达卫星穿透能力不同，且不同卫星的参数不同，导致各自的适用范围不尽相同。

（1）X频段卫星

X频段雷达具有高频（短波长）的特点，其波长在3cm左右，且发射和接收的波束均很窄，绝大部分的能量都集中在主波束里，每一束波都包含一系列的电磁脉冲信号。X频段的雷达一般定位更准确，但作用范围短，由于波长较短，对于城市区域建（构）筑物的微小形变监测优势凸出，但在植被茂盛区域监测效果不太理想。

代表卫星如COSMO-SkyMed雷达卫星星座：COSMO-SkyMed卫星星座是意大利航天局与国防部联合发展的军民两用X频段雷达成像卫星，由于波长较短，对于城市区域的微小的形变监测更有优势。该星座是由4颗卫星共同组网，解决了卫星重访周期的限制，16天可以实现4次重访，最近的两颗卫星重访周期为一天，可以在较短的时间获取更多的卫星影像。该卫星编程拍摄方便，可以根据用户需求获取高质量、易于处理的SAR影像数据。

COSMO-SkyMed系统具有很好的连续性，在COSMO-SkyMed一代星座之后，还将发射COSMO-SkyMed二代卫星星座，并且将与2018年发射的L频段SAOCOM卫星联合，既保证了数据服务的延续性，又扩大了数据的应用范围。

（2）C频段卫星

C频段介于L频段与X频段之间，其穿透能力优于X频段，次于L频段。C频段对稀疏的植被有一定的穿透能力，但空间分辨率不高，无法对单体目标做精细化监测。

代表卫星如Sentinel-1雷达卫星：Sentinel-1卫星是欧洲航天局针对哥白尼全球对地观测项目研制的首颗卫星，于2014年4月发射，由两颗卫星组成，载有C频段合成孔径雷达，可以采用预编程、无冲突的运行模式，实现全球陆地、海岸带、航线的高分辨率监测，也可实现全球海洋的大区域覆盖。Sentinel-1 有4种成像模式，常用于InSAR监测的数据空间分辨率为20m。

RADARSAT-2雷达卫星：RADARSAT-2卫星是加拿大太空署MDA公司合作发射的SAR卫星，载波为C频段，影像最高分辨率为3m，常用于InSAR监测的分辨率为5m。RADARSAT-2具有多种分辨率成像能力、多种极化方式，可根据指令进行左右视切换，增加了立体数据的获取能力，同时，该卫星具有强大的数据存储功能和高精度姿态测量及控制能力。但是RADARSAT-2数据获取的周期较长，为24天，如果用于应急则容易错过最佳应急时间；如果用于长时间监测，每年的数据累积不足，无法得到更精确的形变测量结果。

（3）L频段卫星

L频段卫星，波长较长，对森林植被有一定的穿透性，可以在山区获取较好的相位信息，干涉性能好。但是在城市地区，L频段的干涉影像对建筑区域细微的形变刻画不够精细。

代表卫星如ALOS-2卫星：ALOS-2卫星是日本对地观测L频段SAR卫星，是目前市面上用于InSAR监测的唯一L频段SAR卫星。但ALOS-2影像编程拍摄不便，无法满足用户高频次拍摄的需求。

SAOCOM雷达卫星星座：SAOCOM雷达卫星星座于2018年发射，该星座由2颗L频段的雷达卫星构成，分辨率为2.5×10m，能检测到大于8m的物体，以作用于地灾预防监测。而且，SAOCOM星座将与COSMO-SkyMed星座联合组成意大利-阿根廷SIASGE星座用于高精度、快速反应的应急管理工作。

3.数据量

北京东方至远科技股份有限公司（简称东方至远）已建成雷达卫星数据覆盖全球、累积超过7-10年的中国城市健康大数据库，其中包括我国400多座城市的高精度数据库，可调动覆盖全国的中分辨率雷达数据。

“全国地表形变一张图”的构建，从多个维度充分考虑安全城市、智慧城市的规划、建设，可有效帮助决策者及相关企业辅助规划、建设管理、安全监管与预警、应急处置、在线监测等综合应用技术，实现全面的数据共享及分析。

三、InSAR技术在城市中的应用

东方至远作为中国领先的城市地灾遥感监测解决方案供应商，基于对城市地灾监测领域的深刻理解，凭借在对地观测领域的深厚积累，携合作伙伴推出基于遥感技术的城市健康体检工程化综合解决方案，助力各级政府应对城市地灾的应急防治和统筹决策。

利用InSAR等相关技术，通过重构历史影像，识别城市不稳定地区的地面运动位移情况，从而实现对城市及其建筑物、构筑物等人工设施的规划、建设、运营全过程进行普查、详查以及监测、分析，从面上及时发现存在形变和破坏风险的设施与区域，进而实现城市安全风险的预警防范和应急处治。此外，根据地表形变的独特征兆，还可以为城市地下空间工程的施工、运营提供风险监测支持。

以深圳市地灾监测为案例。深圳市以低山、丘陵和台地为主，地形起伏大，地质条件较复杂，部分自然山体斜坡稳定性较差，强降雨作用下易发生滑坡、崩塌等突发地质灾害，频繁危害周边群众生命财产安全，其中需要重点应对的主要突发地质灾害为山体滑坡地质灾害和山体崩塌地质灾害。东方至远通过工程化应用基于雷达卫星的城市健康体检平台，在高性价比显著降低深圳市地灾危害人数和财产的情况下，还大大提升了深圳市地灾普查、监测和预警的响应能力。

四、InSAR技术在地灾中的应用

我国是世界上地质灾害发生最多的国家之一，地灾会严重危害人民的生命和财产安全。常见的地质灾害分为崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害，其中，绝大多数地质灾害由地表形变引起。地质灾害防治，就是要利用各种技术手段来保障人们安居乐业，而地质灾害防治的最好结果就是在灾害发生前识别灾害点，进而有效保障人们生命财产安全。以InSAR、offset-tracking等技术为代表的遥感大数据技术能够获得大面积区域在一定时间内的地表形变情况，并根据形变特征发现相对活跃的区域，从而为地质灾害及其次生灾害发生的预警预防工作提供高效、可靠、大范围的低成本科技手段，真正体现“防”重于“治”，实现“人防”向“技防”的转变。

以金沙江山体滑坡为例。2018年10月11日7时，四川省甘孜州白玉县与西藏自治区昌都市江达县交界处发生山体滑坡，阻断金沙江干流形成堰塞湖，危及甘孜州白玉县、巴塘县、得荣县等下游地区人民群众生命财产安全，并对多个水电站造成威胁。

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室、四川省第二测绘地理信息工程院、东方至远三方共同组建的“地质灾害InSAR技术研究中心”启动应急工作机制，开展灾区雷达卫星影像拍摄和InSAR遥感监测分析。东方至远第一时间提供了灾区历史影像数据，利用COSMO-SkyMed卫星星座跟踪拍摄灾害点及上下游区域，连续获取了灾区最新雷达卫星数据，并连同分析报告一并报送自然资源部、应急管理部等相关部门（如图3）。

图3 金沙江滑坡监测与评估

五、InSAR+云计算，打造地理信息综合服务技术

东方至远将全国重点城市的InSAR分析结果存储于“云”端，实现信息的备份、共享，用户可通过登录后台，访问自身所关注的城市，缩短数据获取周期，并可实现数据的按需分配。当前，InSAR+云计算主要应用到以下两个方面：

1.InSAR数据服务

支持面向工程设施的形变风险在线辨识，提供主要城市的InSAR数据成果在线浏览与初步形变分析，快速实现对建筑物、地铁、道路、高铁、电力、水利、能源等工程设施的风险筛查、分析、预防等。

2.房屋形变分析

通过对InSAR监测结果的进一步挖掘，分析每栋房屋的形变信息，发现城市内存在潜在风险的房屋，帮助用户及时了解房屋的安全状态，为房屋设计、施工及运维阶段的安全管理提供数据支撑。

六、小结

在《全国地质灾害防治“十三五”规划》中，明确提出灾害防治要以最大限度避免和减少人员伤亡及财产损失为目标，尽心尽力维护群众权益，全面完成山地丘陵区地质灾害详细调查和重点地区地面沉降、地裂缝和岩溶塌陷调查，全面完成全国重点防治区地质灾害防治高标准“十有县”建设，实现山地丘陵区市、县两级地质灾害气象预警预报工作全覆盖，完善提升以群测群防为基础的群专结合监测网络，基本完成已发现的威胁人员密集区重大地质灾害隐患的工程治理。北京东方至远科技股份有限公司将始终聚焦城乡安全治理和设施健康诊治，依托遥感、云计算、物联网、大数据、人工智能等高新技术，对城乡地质和设施风险灾害的事前预警预防、事中科学应急、事后救援指导全过程提供高效率、低成本、近实时的综合解决方案，为政府提供科学、高效、及时的决策支持，为行业提供专业、全面、高性价比的综合服务。