GB-SAR变形监测技术研究现状与展望

刘龙龙，张继贤，赵 争，康 琪，郗晓菲

(1. 兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070； 2. 中国测绘科学研究院，北京 100830； 3. 国家测绘产品质量检验测试中心，北京 100830； 4. 北京四象爱数科技有限公司，北京 100089)

地基合成孔径雷达(ground-based synthetic aperture radar，GB-SAR)是近十多年发展起来的地面主动微波遥感技术[1]。GB-SAR技术是将干涉变形监测技术从空基转化到地基，该技术能够不受自然条件限制，对感兴趣的目标区域进行全天候、全天时、大范围、远距离的侦查监视，为变形监测领域带来一次新的技术革命。随着变形监测技术的发展，传统的监测方式逐渐无法满足不断深化的应用需求，如大坝、桥梁、建筑物、冰川、滑坡等应用领域都亟须一种精确、无损、稳定、远程、长期而又实时的安全监测系统，地基合成孔径雷达系统的诞生，为实现这样一种新型安全的监测提供了技术保障。鉴于此，开展新型GB-SAR变形监测技术在人造大型建筑和自然灾害等领域的应用研究具有十分重要的意义。

GB-SAR技术成功综合了合成孔径雷达成像原理与电磁波干涉技术，利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表某一点的空间位置及微小变化，可以探测毫米级甚至亚毫米级的地表形变。对于小范围的区域监测，地基SAR比星载SAR更加稳定，它可以专门为目标监测区域建立特定的几何场景，得到该区域的变形趋势和总体变形特征，是星载SAR技术的有效补充[2]。相比星载SAR而言，地基SAR有安置方便、可任意调整观测角度、实时监测能力强等优点，因此逐渐受到国内外专家和学者的广泛关注。

本文围绕GB-SAR变形监测方法及其应用展开论述，对当前国内外研究现状进行归纳和评述，分析GB-SAR变形监测技术的优势和不足，总结当前研究中存在的难点问题，旨在让更多学者了解、认识地基合成孔径雷达，促进GB-SAR在国内的发展。最后，综合考虑GB-SAR的特点及当前的实际应用需求，对GB-SAR的应用前景进行了展望。

1 GB-SAR技术研究现状

1.1 地基雷达干涉测量原理

地基雷达干涉测量的基本原理是将两张雷达图像进行比较，然后从一张测量的相位图像中减去另一张图像的相位值，从而得到观测目标的形变相位。在GB-SAR系统中，相位是与距离r有关的一个函数，r是传感器与目标之间的距离，可表示为

(1)

(2)

观测相位φw(即缠绕相位)为一个相对相位，因为它总是缠绕在区间(-π,π)之间。绝对相位(即解缠相位)与相对相位φw之间的关系可表示为

φw=w{φ}=mod{φ+π,2π}-π=φ-2πn

(3)

式中，w{φ}为缠绕相位；相位模糊度n(即相位总和的整倍数)是未知的，即沿视线方向(LOS)发射信号和散射信号之间的相位周期总和是未知的，因此雷达传感器与目标之间的绝对距离无法确定，仅能获取相对距离Δr。GB-SAR差分干涉测量如图1所示，干涉条纹通常用呈规律性变化的彩色条纹来显示，并以2π为周期进行规律性变化。

2张影像的干涉相位φw包括地形相位(φtopo)、大气相位(φatmo)、位移相位(φdisp)和系统噪声相位(φnoise)，即

φw=φtopo+φatmo+φdisp+φnoise-2πn

(4)

对于绝大多数变形监测而言，感兴趣的为φdisp。因此，只需从差分干涉图中识别并去除其他相位，便可以得到监测目标的变形结果。与星载和机载SAR系统相比，地基SAR系统的优势在于天线位置在两次数据采集(零基线)之间不会发生变化。在这种特殊情况下，φtopo可忽略不计。然而，对于长时间的连续监测和间断的重复监测，则可能发生与仪器重新定位相关的错误，然后从而引起空间基线的变化。这时，则必须考虑φtopo的影响，可用监测区域的数字高程模型(DEM)校正地形相位。

1.2 GB-SAR系统发展现状

近十多年来，国内外厂商在GB-SAR硬件系统方面进行了各种努力和创新。目前，常见的地基合成孔径雷达系统按雷达传感器核心技术分为以下3类：①以矢量网络分析仪(VNA)为基础的系统。②以步进频率连续波(SFCW)技术为基础的系统。③以线性调频连续波(FMCW)技术为基础的系统，FMCW技术很早就在国外引起重视，与之前的GB-SAR系统相比，FMCW SAR传感器能够更快地扫描，扫描时间减少一个数量级。除了上述介绍的系统之外，还产生了一些新型的系统，如乌克兰国家科学院(NASU)的基于噪声雷达技术的GBNWSAR系统[3]，欧洲联盟综合研究中心(JRC)的基于MIMO技术的Melissa系统[4]。表1列举了已有文献中描述的主要GB-SAR系统及其参数指标，其中澳大利亚Ground Probe公司的SSR边坡稳定性系统为非严格的SAR系统[5]，它还可以提供复杂的雷达图像，可以通过干涉测量进行变形监测。相比国外，国内市场还没有国产的地基SAR商用系统，GB-SAR系统的研制也主要集中在科研院所与高校，如中国科学院电子学研究所的SATRO系统、北京理工大学的SDMR-1系统和国防科技大学的SFCW SAR系统等实验室未转化产品。因此，为了推广GB-SAR变形监测方法在我国大型基础设施和应急救灾领域的广泛应用，积极开展地基SAR商用系统的研究迫在眉睫，以解决GB-SAR进口设备昂贵、技术垄断等问题。

表1 现有主要GB-SAR系统

2 GB-SAR变形监测的应用与进展

GB-SAR按数据采集模式可分为连续监测模式(C-GBSAR)和非连续监测模式(D-GBSAR)。连续监测模式为最常用的数据采集方法，该方法将设备固定到同一个位置，设置一个时间间隔后自动获取数据，如每隔几分钟。非连续监测模式根据监测对象的实际形变情况，人为设定一个合理的监测周期进行定点观测，如每周、每月或每年，从而减轻变形监测的人力、物力成本，难点为每隔一段时间安装仪器之后获取的影像之间需重新配准，对仪器安装的精度要求较高。相比而言，C-GBSAR更适合对目标进行短期快速的实时监测，如形变量级为mm/d或m/d的形变对象，该模式对滑坡等突发性灾害的应急救援特别有益，可有效预警二次灾害发生；D-GBSAR则可以监测缓慢变化的对象。总体来说，文献中涉及的GB-SAR技术一般都使用C-GBSAR模式，但随着GB-SAR系统的深入研究，D-GBSAR模式的应用也越来越多。

2.1 基础设施变形监测

自从1999年文献[6]提出GB-SAR是一种基于合成孔径雷达技术的地面遥感成像系统，发表了第一篇将该技术应用于大坝监测的文章。GB-SAR技术便开始广泛应用于大坝、桥梁、高速铁路、电力设施等基础设施的变形监测。文献[7]研究了GB-SAR系统在桥梁健康监测中的应用，获取了桥梁视线向的变形曲线和自振频率，充分验证了其在桥梁健康监测中巨大的应用价值。文献[8]运用GB-SAR系统进行了大坝的变形监测试验和分析研究，为大型水利设施的健康监测提供了新的思路。文献[9—10]将GB-SAR系统应用到风力发电塔群组的监测当中，为风轮机的实时监测提供了可能，并提出可用GB-SAR技术检测目标高度。文献[11]利用意大利IDS公司的IBIS-L系统对紫坪铺大坝进行监测试验，结果表明该系统可获取高精度的大坝坝体形变信息，可为大坝的高精度监测提供保障。文献[12—14]对IBIS-S和IBIS-L系统进行精度检定，并利用IBIS-S系统对桥梁进行了监测试验，证明地基雷达系统在实际桥梁结构安全监测中的可行性。文献[15]利用GAMMA Remote Sensing公司的GPRI-Ⅱ系统对香港Ting Kau大桥进行监测试验，展示了GPRI-Ⅱ系统在桥梁变形或振动监测中的能力，为桥梁结构健康监测提供开辟了一条新途径。文献[16]利用荷兰Metasensing公司的Fast-GBSAR系统对大坝进行监测试验，该系统将采集单景影像的时间缩短到5 s，极大地解决了SAR影像容易失相干的问题。尽管GB-SAR技术在基础设施的变形监测中取得了较好的应用效果，但是GB-SAR技术在监测过程中易受大气影响。连续监测模式下的配准问题后续还需深入研究。

2.2 滑坡灾害监测

GB-SAR变形监测技术早期主要应用于滑坡等自然灾害的监测，并取得了一系列有益的结果。文献[17]利用地基SAR系统对意大利Tessina滑坡进行监测试验，并与已有传统光学测量结果相比较，其控制点最大误差不超过3 mm，GB-SAR技术的监测性能得以验证。文献[18]利用地基SAR系统对澳大利亚某滑坡进行监测，并与GPS数据相比较，证明该技术应用于快速形变体的优越性。文献[19]对意大利古镇Civitadi Bagnoregio一处滑坡进行试验，分析了连续监测模式下设备噪声和大气影响引起的失相关对数据精度的影响。文献[20]对意大利Citrin峡谷边坡进行监测，首次提出在GB-SAR系统中运用永久散射体技术(permanent scatterers,PS)改正大气相位，得到了较好的改正结果。文献[21—22]研究了融合三维激光扫描数据和GB-SAR数据在滑坡监测中的应用，实现了监测区域形变量的可视化表达。文献[23]利用IBIS-L对四川雅安境内一处滑坡进行监测，验证了地基雷达系统在复杂地形下监测的可行性。地基SAR系统已广泛应用于突发性滑坡的救援工作当中，以其非接触远程自动化的卓越监测性能，有效地对二次灾害进行了预警，极大地保障了救援人员的生命安全。然而，因滑坡区域及其形成机理的复杂性，后续还需研究多维度、多传感器的监测模式，以更好地预测滑坡变形的发生。

2.3 露天矿变形监测

地基合成孔径雷达技术已成功应用于露天矿变形的监测，在该领域得到广泛的应用，为露天矿斜坡预警提供了一个有效的早期预警工具。不足之处是获取数据易受不均匀大气、失相干等因素的影响。文献[24]利用GB-SAR系统对加泰罗尼亚中部开采盐矿诱发的城市地表沉降进行了深入研究，结果表明监测精度可达毫米级。文献[25]在意大利托斯卡纳一个采石场利用GB-SAR系统进行了40天的监测试验，并自动生成研究区域的干涉DEM，对采石场的边坡稳定性进行了分析研究，取得了良好的结果。文献[26]利用IBIS-M系统对我国某露天矿边坡进行了监测试验，试验表明该系统可为露天矿边坡监测提供实时、精确的形变信息。文献[27]使用中国安全生产科学研究院研制的地基SAR系统对福建紫金山金铜矿露天采场进行了监测试验，并与全站仪同步监测的数据进行对比，验证了国产地基雷达系统的可靠性。文献[28]将GB-SAR变形数据通过Oracle数据库和ArcSDE与GIS结合起来，利用GIS强大的显示、分析功能，为露天矿的安全监测提供了新思路。文献[29]将遥感影像和高程数据添加到地基雷达系统获取的变形数据当中，丰富了GB-SAR数据的可视化程度。目前，GB-SAR技术主要着眼于矿区形变监测和预警，且系统仅能获取二维形变图，对于如何获取矿区三维形变图和深度分析变形机理等问题仍需进行深入研究。

2.4 雪崩和冰川运动监测

由于微波对冰/雪面有一定的穿透能力，传统的星载SAR已用于绘制积雪图，以及模拟和预测融雪径流等，展现了合成孔径雷达技术在雪、冰动态监测中巨大的潜力。受星载SAR技术的启迪，文献[30]通过地基SAR试验监测了降雪变化对雪崩的影响，在约一年的时间里成功监测近100次自然雪崩、5次人为引发的雪崩，充分展示了GB-SAR技术的对微小形变的灵敏度。文献[31]利用C波段的GB-SAR系统对冰川流速进行了监测，为局部区域冰川运动监测开辟了一条新的途径。文献[32]利用IBIS-L系统对新疆和静县境内的一处山地冰川流速进行研究，验证了地基雷达技术测量冰川表面流速的可行性，拓展了该技术在国内的应用场景。近几年来，利用GB-SAR技术研究冰川运动的研究也逐渐增多，该技术为测量高分辨率冰川发生的相对位移提供了一种可靠的工具。但因雪崩和冰川运动的复杂性，未来还需考虑结合地球物理、自然地理等知识深入分析变化原理，以便有效地进行灾害预警。

2.5 文物保护监测

GB-SAR技术除了较高的时空采样能力之外，还能够远距离监测极小的位移。文献[33]创新性地提出将GB-SAR技术应用于历史建筑文物的变形监测。文献[34]和文献[35]利用GB-SAR系统对比萨斜塔、乔托钟楼等世界著名遗迹进行了监测，为文物保护提供了一种无损、远程、高精度的监测方式。GB-SAR技术在文物保护监测中具有广泛的应用潜力。如何在实际监测中融合三维激光扫描仪的点云数据对历史文物进行深度形变分析，将是一个棘手的问题，将是未来该技术在该领域研究的热点。

3 GB-SAR变形监测的挑战

目前，GB-SAR变形监测技术研究已经取得了显著的进展，但是还有很多不足之处。主要问题包括以下几个方面。

3.1 大气相位校正

在雷达干涉测量中，大气相位是测量误差的一个重要来源，目前还没有比较完善的大气相位改正策略，极大地约束了该技术的变形监测能力。地基雷达为提高自身监测精度，一般都使用短波高频的雷达系统，直接导致GB-SAR系统对大气延迟有高灵敏度，容易受其影响。因此，获取目标的真实形变相位必须先进行大气校正。与大气相位相干的影响因子主要有气压、温度和湿度，其中湿度对大气相位的影响最为显著。文献[36]在陡峭地形下进行监测试验，研究表明在地基雷达数据中可能存在高度相关的大气相位分量。在陡峭的山区地形中，大气效应对干涉图有强烈的扰动，即使在几分钟内的短暂观测也是如此。大气扰动主要是由不同时间太阳光照射的差异引起的大气湿度变化导致。目前，大气相位改正的常见方法有气象数据校正法、相位累计法及永久散射体技术，但这3种方法都有各自的局限性，针对不同的监测对象可以合理选择或结合运用合适的方法。

3.2 相位解缠

一切将相位由主值(模为2π)恢复到真值的方法统称为相位解缠[37]。运用相位解缠技术是由观测相位的模糊性决定的。从干涉图中得到的相位仅是真实相位的主值部分，其取值范围在(-π,π)之间，这是由arctan函数自身定义限制的[37]，要得到形变相位必须加上2π的整数倍。干涉图像的相位解缠是GB-SAR数据处理中重要的组成部分，直接决定了后面提取形变的精度。GB-SAR技术一个关键的制约因素是相位缠绕，也就是干涉相位的模糊性，这将导致形变估计出现偏差，尤其是对形变位移特别大的区域更易受其影响。文献[38]提出一种非干涉GB-SAR方法，该方法探测形变的能力降低，但可不受相位模糊性影响，对目标做出正确的形变估计。相位解缠是一个三维问题，包括时间解缠和空间解缠。星载SAR常见的解缠方法有支切法、路径跟踪法、最小二乘法、卡尔曼滤波法、最小费用流法等。地基SAR一般先利用卡尔曼滤波器进行时间维度解缠，然后再利用最小费用流法进行空间维度解缠，最后得到解缠后的干涉图。

3.3 相干性

GB-SAR干涉测量数据的相干性至关重要，但对于有些场景很难满足这一要求，尤其是非连续监测模式(D-GBSAR)，因此，在进行监测之前均需制定可行性分析，若有必要可在监测区域布设人工角反射器来增加相干性。差分干涉图定量评估的基本条件是影像的相干性。相干性是散射目标在不同采集时间的散射系数的相关程度。GB-SAR系统空间基线为零，因此时间去相关对相干性的影响最为重要。相干性的好坏取决于监测对象的表面覆盖特性或位移梯度，一般植被区域的快速去相关现象可以在很短的时间内出现，主要由风改变目标的后向散射强度引起[39]。由于相干性是表征地面分辨单元稳定性的定量参数，因此可以利用相干性的变化判断监测目标中发生的变化，如雪崩、岩石坠落、滑坡等失相干的监测对象。通常情况下，相干系数大于0.8的图像才适合进行干涉处理。

3.4 设备和仪器精度

因受GB-SAR系统传感器设计仅能观测视线向形变的限制，与雷达视线方向垂直的位移无法测量，如完全平坦区域的垂直位移无法测量，约束了该技术监测垂直向位移的可能，传感器的改进需进一步完善[38]。GB-SAR系统的精度取决于很多因素，如系统频率、传感器的降噪性能等。从技术角度讲，大多数GB-SAR系统均采用Ku波段，这样设备便能获得高分辨率和对微小形变的高灵敏度。文献[40]研究表明瑞士GAMMA Remote Sensing公司Ku波段的传感器(GPRI)信噪比为30 dB时相当于0.04 mm的形变值。文献[19]计算了C波段的传感器(LISA)的监测灵敏度为0.7 mm。通常情况下，仪器的精度是指在没有大气扰动情况下的测量精度，精度往往随仪器和监测目标距离的增加而降低。因此，通过进行一定的大气改正和对多幅干涉图相位平均来降低相位噪声，都可以显著提高监测精度。

3.5 精度评定

目前，GB-SAR变形监测结果基本都依赖于实地测量数据(如水准、GPS等)来检核其精度和可靠性。其中最科学合理的方法是在研究区域布设人工角反射器，在SAR影像获取时刻利用实地测量手段对角反射器进行精密测量，并以此为标准对GB-SAR结果进行精度评定。然而值得注意的是，有些区域布设角反射器往往存在各种各样的困难。综上所述，目前GB-SAR精度评定受限于实地测量数据的数量和可靠性，因此未来有必要研究一种不依赖于外部数据的GB-SAR精度评价方法。受星载SAR精度评定的启发，可利用GB-SAR干涉图的相干性衡量监测精度，相关问题可待进一步研究。另外，方差分量估计理论可以通过平差得到的观测值改正数来迭代估计观测量的方差，不受任何先验信息的限制，有望在GB-SAR精度评定中取得突破[41]。

4 总结与展望

虽然国内目前有关GB-SAR变形监测技术的研究还处于初期探索阶段，但其潜在的应用价值已受到国内学者的广泛关注。综合考虑目前实际应用需求及GB-SAR系统自身的特点，对该技术今后的发展进行展望：

(1) 为解决GB-SAR仅能观测视线向形变的问题，可将地基SAR和星载SAR技术相结合，利用星载SAR数据弥补垂直于地基SAR视线向形变数据缺失的问题，从而得到监测对象的三维形变量。将星载SAR监测范围广和地基SAR设站灵活的优势相结合，构建天地一体化的变形监测体系，对大型人工设施(如三峡大坝、港珠澳大桥等)进行全方位多角度观测具有非常重要的意义。

(2) 针对GB-SAR测量易受大气扰动影响的问题，可利用非干涉测量的方法获取形变，该方法继承了星载SAR时间序列干涉技术提取形变的思想。非干涉测量法利用GB-SAR强度图像的几何信息，并通过影像匹配估计变形，精度可达毫米级。为保证良好的影像匹配质量，该技术需在监测区域布设人工角反射器。大气相位改正的问题，仍是未来亟须研究的热点问题之一。

(3) 针对GB-SAR仅能获取监测目标二维形变，难以精确判读变形产生位置的问题，将地基雷达数据有效投影到三维激光扫描仪获取的三维空间数据中，进而增加地基雷达数据的可视化程度，易于后期进行深度分析，从而有效提高灾害的预测水平。

(4) 为充分挖掘监测对象变形机理，将GB-SAR技术和工程地质、地球物理、气象等学科的先进技术相结合，实现各技术间优势互补、优化集成，这是未来GB-SAR技术发展的重要趋势之一。

本文通过梳理国内外有关GB-SAR技术的相关文献，表明GB-SAR技术是一种极具潜力的变形监测技术，它可以精确量化监测目标的形变，并已在基础设施、自然灾害、露天矿、冰川运动、文物保护等领域取得成功应用。但是，目前GB-SAR商用设备仅能从国外进口且费用高昂，极大地阻碍了国内学者的研究和其工程化的推广。相信随着GB-SAR变形监测技术在我国的广泛应用，GB-SAR理论和设备的研究都会有良好的发展。