差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的实验研究

D010.13374斤.is0053x.20l.02.021 第33卷第2期 北京科技大学学报 Vo133 No 2 2011年2月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Feb 2011 差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的 实验研究 王桂杰12》 谢谟文1) 邱骋”吴维伦D黄洁慧1》 1)北京科技大学土木与环境工程学院北京1000832)中国地质环境监测院北京100081 通信作者，Ema到movenx@used!m 摘要通过AIOS卫星PALSAR传感器获得的三景合成孔径雷达(SAR)数据，利用合成孔径雷达差分干涉(D-SAR技术 对金沙江下游乌东德水电站库区内的滑玻活动进行了详细的研究。获得研究区域内地表高精度形变位移值.将其按滑动速率 及位移大小进行分级显示，清晰地表明了研究区内不同区域的地面活动位移状态，辨识出研究区内可能发生滑动和发生滑动 较大的区域，从而确定了滑坡活动的风险区.对库区内正处活动状态的山R6号滑坡进行了详细的研究.结果表明：DS4R 技术与全球定位系统GS在监测整体形变和运动趋势上基本一致.对DSAR结果存在的单点误差进行了分析，提出了 DSAR与GPS湘融合的栅格函数误差插值消减法提高了D-mSAR技术的监测精度. 关键词合成孔径雷达(SAR,滑坡：遥感：监测：全球定位系统(GPS 分类号TP79 Experm ent research ofD-InSAR technique on identify ing landslidemoving in a w ide area WANGGui j 2)XE Mowen),QU Cheng).WUWei-un,HUANG Jiehup 1)SchoolofCivil and Enviramenl Engineerng University of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 China 2)China Institute ofGeenvirommentMonitorng Beijng 100081 China Correspand ng author Email movenxa@usth edu c ABSTRACT Based on hree frame syn hetic aperture radar(SAR)dana derived fron AlOS satellite sensor PALSAR a three pass d ifferentialSAR nterferomnetry (DInSAR)technique was used p anayze lndslide activities in the Wudongde Hyd opower Reservoir area at pwer Jnsha River and high accuracy gound disp acement values were acquired by this mehod The classificatpn of these ground displacen ent vales by sliding velocity and d spacement cleary iljustrated the groind activity defomation states of varjous zones in the sud ed area were ceary ob taned detem ined sone poren talmovng landslides and active lands lides and dentified he danger ous zaes of lndslides For an active landslide numbered No 1R-6 he depmation detected by D hSAR anaysis shows an accord ance tendency with the one by gpbal pos itponing system (GPS monitoring In the end single ponterrors which existed in he result ofD-InSAR technique were analyzed and a gril fmction error n terpoltion metol ofD hSAR and GPSwas prposed p mpove he ma itoring accuracy ofD InSAR technique KEY WORDS syn thetic aperture radar SAR)ndslides remote sensng mon ioring global positian ng system (GPS) 滑坡是一种常见的自然地质灾害，给国家建设 全球定位系统(GPS)、时域反射法(tme donain 和人民生命财产造成巨大损失，对滑坡的监测、预 e作ctmetry TDR技术和分布式光纤等电子远程 报和早期防治一直是世界各国广泛关注和研究的问 监测技术等.这些技术的优点是单点监测精度高， 题.传统上对滑坡的监测和预警主要采用钴孔倾斜 但无法满足人员难以进入的区域以及广域大面积区 仪、位移计和自动伸缩计等现场仪器观测，以及利用 域的地面活动监测需要.随着合成孔径雷达干涉 收稿日期：2010-04-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(NQ4972229)

第 33卷 第 2期 2011年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.33 No.2 Feb.2011 差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的 实验研究 王桂杰 1, 2) 谢谟文 1) 邱 骋 1) 吴维伦 1) 黄洁慧 1) 1)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2)中国地质环境监测院, 北京 100081 通信作者, E-mail:mowenxie@ustb.edu.cn 摘 要 通过 ALOS卫星 PALSAR传感器获得的三景合成孔径雷达(SAR)数据, 利用合成孔径雷达差分干涉(D-InSAR)技术 对金沙江下游乌东德水电站库区内的滑坡活动进行了详细的研究, 获得研究区域内地表高精度形变位移值.将其按滑动速率 及位移大小进行分级显示, 清晰地表明了研究区内不同区域的地面活动位移状态, 辨识出研究区内可能发生滑动和发生滑动 较大的区域 , 从而确定了滑坡活动的风险区.对库区内正处活动状态的 L1R--6号滑坡进行了详细的研究.结果表明:D-InSAR 技术与全球定位系统 GPS在监测整体形变和运动趋势上基本一致.对 D-InSAR结果存在的单点误差进行了分析, 提出了 D-InSAR与 GPS相融合的栅格函数误差插值消减法, 提高了 D-InSAR技术的监测精度. 关键词 合成孔径雷达(SAR);滑坡;遥感;监测;全球定位系统(GPS) 分类号 TP79 ExperimentresearchofD-InSARtechniqueonidentifyinglandslidemovingina widearea WANGGui-jie1, 2) , XIEMo-wen1) , QIUCheng1) , WUWei-lun1) , HUANGJie-hui1) 1)SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2)ChinaInstituteofGeo-environmentMonitoring, Beijing100081, China Correspondingauthor, E-mail:mowenxie@ustb.edu.cn ABSTRACT Basedonthree-framesyntheticapertureradar(SAR)dataderivedfromALOSsatellitesensorPALSAR, athree-pass differentialSARinterferometry(D-InSAR)techniquewasusedtoanalyzelandslideactivitiesintheWudongdeHydropowerReservoir areaatlowerJinshaRiver, andhighaccuracygrounddisplacementvalueswereacquiredbythismethod.Theclassificationofthese grounddisplacementvaluesbyslidingvelocityanddisplacementclearlyillustratedthegroundactivitydeformationstatesofvariouszones inthestudiedareawereclearlyobtained, determinedsomepotentialmovinglandslidesandactivelandslidesandidentifiedthedanger￾ouszonesoflandslides.ForanactivelandslidenumberedNo.L1R-6, thedeformationdetectedbyD-InSARanalysisshowsanaccord￾ancetendencywiththeonebyglobalpositioningsystem(GPS)monitoring.Intheend, single-pointerrorswhichexistedintheresult ofD-InSARtechniquewereanalyzedandagridfunctionerrorinterpolationmethodofD-InSARandGPSwasproposedtoimprovethe monitoringaccuracyofD-InSARtechnique. KEYWORDS syntheticapertureradar(SAR);landslides;remotesensing;monitoring;globalpositioningsystem(GPS) 收稿日期:2010--04--08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.4972229) 滑坡是一种常见的自然地质灾害, 给国家建设 和人民生命财产造成巨大损失 .对滑坡的监测 、预 报和早期防治一直是世界各国广泛关注和研究的问 题 .传统上对滑坡的监测和预警主要采用钻孔倾斜 仪 、位移计和自动伸缩计等现场仪器观测 ,以及利用 全球定位系统 (GPS)、时域 反射法 (timedomain reflectometry, TDR)技术和分布式光纤等电子远程 监测技术等.这些技术的优点是单点监测精度高, 但无法满足人员难以进入的区域以及广域大面积区 域的地面活动监测需要 .随着合成孔径雷达干涉 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2011 .02 .021

。132 北京科技大学学报 第33卷 ynthetic aperture radar interferon etry InSAR) 相位项，形变后的单视复数数据与主影像形成的干 的发展，合成孔径雷达差分干涉(differen tial 涉SR图像既包含地形相位项又包含形变相位项， synthetic aperture radar n erfermetry D-InSAR) 利用己知的卫星轨道数据和地形数据（如己知的 术正好能够解决连续大面积上非常小的地面活动监 DEM能够很容易去除地形相位项，差分后仅剩下 测，而且具有高精度、高分辨率、全天候、监测成本低 与地表形变有关的相位项，然后将其转变为微小形 以及能够监测人员无法进入的区域等优点，是非常 变值.其测量精度为其所用电磁波波长的量级，因 具有潜力的地面活动辨识和监测技术，成为滑坡、沉 此在微波频率范围内可达到厘米级的精度匀，与永 降、地震和火山等地质灾害活动调查监测实践应用 久散射体PS技术及GPS技术等结合，精度可达到 上的研究热点.20世纪90年代以来，在滑坡监测领 毫米级0 域的研究和应用中已有许多报道1.1995年 D-ISAR技术根据其消除地形相位的方法不 Achache等山首先将D-nSAR技术应用在大规模小 同，主要分为DEM的两轨法、三轨法和四轨法它们 位移的滑坡监测上，获得了与地面监测相同精度的 的原理是基本相同的.本文采用三轨法，其基本原 结果.1996年Frnea等获得了La Clapierey滑坡 理如图1所示山. 位移活动的范围，揭示了整个滑坡的滑动趋势及地 面不连续监测不能监测到的滑坡上小规模的不稳定 QBwB,只4 性.1999年Vemeer等3也对La Valet附近的滑 B. 坡进行了位移的提取，获得了与地面监测相一致的 1.2md的位移精度.2000年Rz0等揭示了 Randazzo滑坡整个滑坡体的形变位移状态.2003年 Paolo等l对Maratea Valley内的滑坡进行了研究， 获得了D-ISAR GPS汲电子测距仪DM三种监测 基本相一致的结果，并在此基础上提出了调查期间 内滑坡的不稳定模型.2003年S9 uarzon等I9也对 La Vaetter滑坡进行了研究，从15幅差分干涉图中 图1三轨法差分干涉测量成像几何示意图 推演出滑坡的位移值。得到了与地面监测相一致的 Fg Geomn etrical skech of theeorbitD hSAR 结果.2006年Cojesant垮I对Liech enstein Ap滑 坡进行了研究，得出了D-S技术最具吸引力和 A、A和A是卫星三次对同一地区成像的位 最可靠的优势就是对广域区域上稳定与不稳定区域 置，下和为卫星三次成像位置到地面监测点P 的定性辨识，以及大地质灾害的危险区定性划分和 的距离，B和B分别为卫星在A、A及A、A位置 对缓慢滑坡上不同滑动速率区域的辨识.2006年与 成像时的空间基线，和？分别为B和B与水平 2008年，Singh roy等8-列利用D-nS4R技术分别对 向倾角，0为传感器电磁波的入射角，B、B1和 老滑坡和冻融性滑坡活动进行了研究，都取得了较 B从、B分别为基线B和B沿视线向的平行和垂 好的结果.但是，目前我国利用DSAR技术在滑 直分量.由图中几何关系及B《十可得 坡方面研究的应用实例还很少. 子=+居-2 r B cos-0+A 2 1D-InSAR技术基本原理和处理流程 I一Bs(0-月)会BM (1) 1.1D-nSAR技术的基本原理 式(1表明用干涉测量法所得到的相位差与视线方 合成孔径雷达差分干涉(D-SR)技术，是通 向的基线分量成正比.这里设定在A处获得第一 过对SAR数据的处理将同一场景与地形和形变有 幅影像且为主影像，假设在地表未发生形变前在A 关的两幅干涉SR图像的相位差转变为地表微小 处获取第二幅影像，所以第二幅影像与A处的主影 形变值的技术.两幅干涉SAR图像是由形变前的 像形成的干涉SR图像，其干涉相位差仅包含地形 一帧单视复数(SIC)SAR数据和形变后的一帧单视 信息，即两次对地面同一点P成像的干涉相位差 复数(SLC)SAR数据，分别与选定的SC主影像数 △中12可表示为 据进行精确的配准和干涉产生的.形变前的单视复 数数据与主影像形成的干涉SAR图像仅包含地形 △p:-,-4:-交p(-D=

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 (syntheticapertureradarinterferometry, InSAR)技术 的 发 展, 合 成 孔 径 雷 达 差 分 干 涉 (differential syntheticapertureradarinterferometry, D-InSAR)技 术正好能够解决连续大面积上非常小的地面活动监 测 ,而且具有高精度、高分辨率 、全天候、监测成本低 以及能够监测人员无法进入的区域等优点 , 是非常 具有潜力的地面活动辨识和监测技术 ,成为滑坡、沉 降 、地震和火山等地质灾害活动调查监测实践应用 上的研究热点.20世纪 90年代以来 ,在滑坡监测领 域的研究和应 用中已有许多报道 [ 1--9] .1995 年 Achache等 [ 1] 首先将 D-InSAR技术应用在大规模小 位移的滑坡监测上, 获得了与地面监测相同精度的 结果.1996年 Fruneau等 [ 2]获得了 LaClapiere滑坡 位移活动的范围 ,揭示了整个滑坡的滑动趋势及地 面不连续监测不能监测到的滑坡上小规模的不稳定 性 .1999年 Vietmeier等 [ 3] 也对 LaValette附近的滑 坡进行了位移的提取, 获得了与地面监测相一致的 1.2cm·d -1的位移精度 .2000 年 Rizzo等 [ 4] 揭示了 Randazzo滑坡整个滑坡体的形变位移状态.2003年 Paolo等 [ 5]对 MarateaValley内的滑坡进行了研究 , 获得了 D-InSAR、GPS及电子测距仪 EDM三种监测 基本相一致的结果, 并在此基础上提出了调查期间 内滑坡的不稳定模型 .2003年 Squarzoni等 [ 6] 也对 LaValette滑坡进行了研究, 从 15幅差分干涉图中 推演出滑坡的位移值, 得到了与地面监测相一致的 结果.2006年 Colesanti等 [ 7] 对 LiechtensteinAlps滑 坡进行了研究, 得出了 D-InSAR技术最具吸引力和 最可靠的优势就是对广域区域上稳定与不稳定区域 的定性辨识 ,以及大地质灾害的危险区定性划分和 对缓慢滑坡上不同滑动速率区域的辨识.2006年与 2008年 , Singhroy等 [ 8--9] 利用 D-InSAR技术分别对 老滑坡和冻融性滑坡活动进行了研究, 都取得了较 好的结果.但是, 目前我国利用 D-InSAR技术在滑 坡方面研究的应用实例还很少 . 1 D-InSAR技术基本原理和处理流程 1.1 D-InSAR技术的基本原理 合成孔径雷达差分干涉 (D-InSAR)技术, 是通 过对 SAR数据的处理将同一场景与地形和形变有 关的两幅干涉 SAR图像的相位差转变为地表微小 形变值的技术.两幅干涉 SAR图像是由形变前的 一帧单视复数(SLC)SAR数据和形变后的一帧单视 复数(SLC)SAR数据 ,分别与选定的 SLC主影像数 据进行精确的配准和干涉产生的.形变前的单视复 数数据与主影像形成的干涉 SAR图像仅包含地形 相位项,形变后的单视复数数据与主影像形成的干 涉 SAR图像既包含地形相位项又包含形变相位项, 利用已知的卫星轨道数据和地形数据 (如已知的 DEM)能够很容易去除地形相位项 , 差分后仅剩下 与地表形变有关的相位项, 然后将其转变为微小形 变值 .其测量精度为其所用电磁波波长的量级, 因 此在微波频率范围内可达到厘米级的精度 [ 5] , 与永 久散射体 PS技术及 GPS技术等结合 , 精度可达到 毫米级 [ 10] . D-InSAR技术根据其消除地形相位的方法不 同, 主要分为 DEM的两轨法 、三轨法和四轨法,它们 的原理是基本相同的 .本文采用三轨法, 其基本原 理如图 1所示 [ 11] . 图 1 三轨法差分干涉测量成像几何示意图 Fig.1 Geometricalsketchofthree-orbitD-InSAR A1 、A2 和 A3 是卫星三次对同一地区成像的位 置, r1 、r2 和 r3 为卫星三次成像位置到地面监测点 P 的距离, B1 和 B2 分别为卫星在 A1 、A2 及 A1 、A3 位置 成像时的空间基线 , 1 和 2 分别为 B1 和 B2 与水平 向倾角 , θ为传感器电磁波的入射角, B1∥ 、 B1⊥ 和 B2∥ 、B2⊥分别为基线 B1 和 B2 沿视线向的平行和垂 直分量.由图中几何关系及 B1 r1 +r2 可得 r 2 2 =r 2 1 +B 2 1 -2r1 B1cos π 2 -θ+ 1 r1 -r2 B1sin(θ- 1) B1∥ (1) 式(1)表明用干涉测量法所得到的相位差与视线方 向的基线分量成正比 .这里设定在 A1 处获得第一 幅影像且为主影像 ,假设在地表未发生形变前在 A2 处获取第二幅影像 ,所以第二幅影像与 A1 处的主影 像形成的干涉 SAR图像 ,其干涉相位差仅包含地形 信息 ,即两次对地面同一点 P成像的干涉相位差 Δ 12可表示为 Δ 12 = 1 - 2 = 2π λ ρ(r2 -r1)= · 132·

第2期 王桂杰等：差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的实验研究 ·133 B0-网)=资5 △中12B/ 入 (2) △13一马0 (4) 式中，中，和中2分别为卫星在A和A处对地面点P 假设△R为视线向形变量，则由式(2)~(4推 成像的相位值，入为微波波长，星载重复轨道P=2 得由视线向形变量引起的干涉条纹图相位差△中： 假设发生形变后在A处获取了第三幅影像，所以第 可表示为 三幅影像与主影像形成的干涉SAR图像的干涉相 B △中≈△中3-△中12=△中2 B/ 红△R 位差，既包含地形信息又包含地表形变信息.且由 入 于获得的影像间要求基线足够小，所以可近似看作 (5) 0不变，即此时A和A两次对地面同一点P成像 式(5左边的各量可由干涉条纹图的相位和轨道参 的干涉相位差位差△中：可表示为： 数计算得到，进而可确定影像每点的视线向形变量 △e=,-,-交p(-)= △R分解后得到水平形变量和垂直形变量. 1.2D-nSAR技术的数据处理流程 Bm(0-)=年B 三轨法是指采用卫星三次成像的三景数据进行 入 (3) 分析，其数据处理流程如图2所示.具体包括以下 由式(2和(3得： 几个过程 单视复数铺影液？ 单视复数主影像1 单视复数辅影像3 相关系数阳行准 相关系数租配准 相干系数情准 相干系数精配准 父共纯相彩 复共矩相乘 83时多混处理 83的多视处厘 生或地形对干沙条纹图1 生成地形/形变对干法条纹图。 粗精度去除平地效纹 相情度W去除半地效应 更形均值半清连波 形均值平滑滤波 区成州达电位解新+ 区城增长法相仪解缩 机通参数的提取 轨道参数的提取 次力分生成力分干涉图 差分干涉图矩形均值平滑滤波 区域线墙长法麦分干涉图相位解推 相 地 理 改小形变图 图2DSAR技术三轨法数据处理流程 Fg 2 Fl chart ofD-InSAR da n processing (1)选择合适的雷达卫星数据，并转换为干涉 (2)选择合适的SC地形数据对和地形形变 处理的单视复数(S○数据.处理过程中首先必须 数据对.为了保证数据的分析质量需要首先对单视 将获得的卫星原始数据经聚焦处理为SC数据，作 复数对进行基线的预估计，根据预估计的时间基线、 为后期处理的输入数据，本研究获取的是己处理好 空间基线和多普勒频移差来选取数据对及确定主辅 的单视复数AIOS卫星数据. 图像.对三轨差分干涉主要考虑时间基线和空间基

第 2期 王桂杰等:差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的实验研究 - 4π λ B1 sin(θ- 1 )=- 4π λ B1∥ (2) 式中, 1 和 2 分别为卫星在 A1 和 A2 处对地面点 P 成像的相位值, λ为微波波长, 星载重复轨道 ρ=2. 假设发生形变后在 A3 处获取了第三幅影像 ,所以第 三幅影像与主影像形成的干涉 SAR图像的干涉相 位差, 既包含地形信息又包含地表形变信息.且由 于获得的影像间要求基线足够小, 所以可近似看作 θ不变 , 即此时 A1 和 A3 两次对地面同一点 P成像 的干涉相位差位差 Δ 13可表示为: Δ 13 = 1 - 3 = 2π λ ρ(r3 -r1 )= - 4π λ B2 sin(θ- 2)=- 4π λ B2∥ (3) 由式(2)和(3)得: Δ 12 Δ 13 = B1∥ B2∥ (4) 假设 ΔRd为视线向形变量 ,则由式(2)～ (4)推 得由视线向形变量引起的干涉条纹图相位差 Δ d 可表示为 Δ d≈Δ 13 -Δ 12 =Δ 12 1 - B2∥ B1∥ =- 4π λ ΔRd (5) 式(5)左边的各量可由干涉条纹图的相位和轨道参 数计算得到,进而可确定影像每点的视线向形变量 ΔRd,分解后得到水平形变量和垂直形变量. 1.2 D-InSAR技术的数据处理流程 三轨法是指采用卫星三次成像的三景数据进行 分析 ,其数据处理流程如图 2所示 .具体包括以下 几个过程 . 图 2 D-InSAR技术三轨法数据处理流程 Fig.2 FlowchartofD-InSARdataprocessing (1)选择合适的雷达卫星数据, 并转换为干涉 处理的单视复数 (SLC)数据.处理过程中首先必须 将获得的卫星原始数据经聚焦处理为 SLC数据 ,作 为后期处理的输入数据 , 本研究获取的是已处理好 的单视复数 ALOS卫星数据 . (2)选择合适的 SLC地形数据对和地形 /形变 数据对.为了保证数据的分析质量需要首先对单视 复数对进行基线的预估计,根据预估计的时间基线、 空间基线和多普勒频移差来选取数据对及确定主辅 图像 .对三轨差分干涉主要考虑时间基线和空间基 · 133·

。134 北京科技大学学报 第33卷 线，原则上时间基线最好小于6个月，PALSAR传感 条纹现象.平地效应的存在，使干涉条纹过于密集， 器空间基线要小于1200m越小相关性越好，所得 加大了相位解缠的难度，因此必须采用精确的轨道 结果也更精确些).对于地形数据对原则上要求有 数据和已知的辅助DM予以去除.即去除后的地 较短的时间基线，而地形形变数据对要求具有较短 形干涉条纹图仅含有地形相位项，地形形变干涉条 的空间基线. 纹图只含有地形相位项和形变相位项.另外在干涉 (3)对选好的地形和地形形变数据对进行 图形成过程中会有许多原因产生干涉相位噪声，所 SC主辅图像的精确配准.SAR的SC数据是由离 以在平地效应去除后还要进行滤波处理 散的像素构成，这些像素是对目标地面特性的离散 (6)相位解缠.上面干涉条纹图的生成己经提 点取样.D-S技术要依据地面上同一目标点在 到，干涉图上的相位为[一π，π)主值范围内的相位 两次成像中的相位差，因此必须要掌握地面每一目 差值，要把它表现为实际真实的相位值必须进行相 标点在两次成像中的对应位置.只有使一次成像中 位解缠展开为每点的真实相位. 各像素对应在地面上的离散样点与另一次成像的各 (7)二次差分产生差分干涉图.将解缠后的地 像素对应在地面上的离散样点正好完全重合，才可 形形变干涉条纹图与地形干涉条纹图进行差分，消 以用两次成像中位置相同的各像素构成的像素对来 去地形相位项，得到只含地表形变项的差分干涉图， 求取地面上每一样点在两次成像间的相位差.因 并对差分后的差分干涉图也进行滤波、解缠等处理. 此，在干涉图生成之前必须进行主辅图像的像素 (8)提取轨道参数、相位信息转换为形变信息、 配准。 地理编码.最后利用提取的轨道参数将相位信息转 (4)地形和地形形变数据对干涉条纹图的产 化为形变信息并进行地理编码，得到研究区域地表 生.在完成数据配准之后，将主、辅图像对应像元复 的微小形变图. 数值进行共轭相乘： ua=4y=|y||y|e2= 2滑坡动态辨识实验研究 141g1e*2) (6) 2.1研究区域和数据 式中，=||，号=|y|马表示号的共轭 研究区域位于四川省金沙江流域下游乌东德水 复数. 电站库区，如图3所示.整幅数据研究区（底图为 Google Eart影像截图)中的紫色线框内的区域为获 把所得复数的相位信息单独显示出来称为 取的整景SAR数据的区域：绿色线框内为20m义 干涉相位图或干涉图.凸的相位信息是主、辅图像 每一同名点上的相位差，在干涉图上用相位主值 20的主研究区域，即主研究区域详图（底图为 [一，π)显示出来，这个相位称为缠绕相位. SPo5与12000的高精度航片融合的影像：山R- 由于原始数据在方位向上像元分辨率高于斜距 6号滑坡（底图为航测影像立体视图为主研究区域 方向的分辨率，在未进行多视处理的SC图像中其 中对水库正常运营有重要影响的正处活动状态的 方位向和距离向按其分辨率显示，则两个方向的比 滑坡. 例尺不一致，图像被拉伸变形，显示比例差别较大. 本文所用的数据为AIOS卫星PALSAR传感器 为了使显示出来的影像与地形图对照时同名地物形 获得的三帧升轨SR数据，其极化方式为水平极化 状基本一致及对干涉条纹进行显示和评估，在干涉 (HH)沮分辨率为6.259波长采用的是23a的L 条纹图生成之后需要进行多视处理.多视处理即按 波段，其数据参数如表1所示.按前面处理流程中 某一比例作压缩处理.例如按方位向与距离向之比 所叙述的原则将编号为AISP104820510(2008- 为8压缩，压缩后原始数据中方位向八行变为一 01-12)数据作为主影像.选取ALS04820510 行，距离向三列变为一列. (200801-12和APSn11530510(200802-27) (5)干涉平地效应的去除和滤波.干涉条纹图 作为地形数据对，ALPSRI04820510(2008-01-12) 上的相位由两部分组成，一是地形的相对高度及地 和AIPSRP18240510(2008-04-13)作为地形形 表形变引起的相位成分，另一部分是由平地效应引 变数据对.将30m分辨率的ASIER DEM与等高线 起的.平地效应是指平地相位在干涉条纹中所表现 生成的2.5m分辨率DM镶嵌后的数字高程数据 出来的随距离和方位的变化而呈周期性变化的密集 作为数据处理过程中的辅助DM

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 线 ,原则上时间基线最好小于 6个月, PALSAR传感 器空间基线要小于 1 200 m(越小相关性越好 ,所得 结果也更精确些).对于地形数据对原则上要求有 较短的时间基线 ,而地形 /形变数据对要求具有较短 的空间基线 . (3)对选好的地形和地形 /形变数据对进行 SLC主辅图像的精确配准 .SAR的 SLC数据是由离 散的像素构成,这些像素是对目标地面特性的离散 点取样 .D-InSAR技术要依据地面上同一目标点在 两次成像中的相位差, 因此必须要掌握地面每一目 标点在两次成像中的对应位置 .只有使一次成像中 各像素对应在地面上的离散样点与另一次成像的各 像素对应在地面上的离散样点正好完全重合 , 才可 以用两次成像中位置相同的各像素构成的像素对来 求取地面上每一样点在两次成像间的相位差 .因 此 ,在干涉图生成之前必须进行主辅图像的像素 配准. (4)地形和地形 /形变数据对干涉条纹图的产 生 .在完成数据配准之后 ,将主、辅图像对应像元复 数值进行共轭相乘: uint=u1u ＊ 2 = u1 e j 1 u2 e -j 2 = u1 u2 e j( 1 - 2 ) (6) 式中, u1 = u1 e j 1 , u2 = u2 e j 2 , u ＊ 2 表示 u2 的共轭 复数. 把所得复数 uint的相位信息单独显示出来称为 干涉相位图或干涉图 .uint的相位信息是主 、辅图像 每一同名点上的相位差 , 在干涉图上用相位主值 [ -π, π)显示出来 ,这个相位称为缠绕相位 . 由于原始数据在方位向上像元分辨率高于斜距 方向的分辨率,在未进行多视处理的 SLC图像中其 方位向和距离向按其分辨率显示, 则两个方向的比 例尺不一致 ,图像被拉伸变形, 显示比例差别较大 . 为了使显示出来的影像与地形图对照时同名地物形 状基本一致及对干涉条纹进行显示和评估 , 在干涉 条纹图生成之后需要进行多视处理.多视处理即按 某一比例作压缩处理 .例如按方位向与距离向之比 为 8∶3压缩, 压缩后原始数据中方位向八行变为一 行 ,距离向三列变为一列. (5)干涉平地效应的去除和滤波 .干涉条纹图 上的相位由两部分组成 , 一是地形的相对高度及地 表形变引起的相位成分 , 另一部分是由平地效应引 起的.平地效应是指平地相位在干涉条纹中所表现 出来的随距离和方位的变化而呈周期性变化的密集 条纹现象 .平地效应的存在 ,使干涉条纹过于密集, 加大了相位解缠的难度, 因此必须采用精确的轨道 数据和已知的辅助 DEM予以去除 .即去除后的地 形干涉条纹图仅含有地形相位项 ,地形 /形变干涉条 纹图只含有地形相位项和形变相位项.另外在干涉 图形成过程中会有许多原因产生干涉相位噪声, 所 以在平地效应去除后还要进行滤波处理 . (6)相位解缠 .上面干涉条纹图的生成已经提 到, 干涉图上的相位为 [ -π, π)主值范围内的相位 差值 ,要把它表现为实际真实的相位值必须进行相 位解缠,展开为每点的真实相位. (7)二次差分产生差分干涉图.将解缠后的地 形 /形变干涉条纹图与地形干涉条纹图进行差分 ,消 去地形相位项 ,得到只含地表形变项的差分干涉图, 并对差分后的差分干涉图也进行滤波、解缠等处理. (8)提取轨道参数 、相位信息转换为形变信息、 地理编码 .最后利用提取的轨道参数将相位信息转 化为形变信息并进行地理编码, 得到研究区域地表 的微小形变图 . 2 滑坡动态辨识实验研究 2.1 研究区域和数据 研究区域位于四川省金沙江流域下游乌东德水 电站库区 , 如图 3所示 .整幅数据研究区 (底图为 GoogleEarth影像截图 )中的紫色线框内的区域为获 取的整景 SAR数据的区域;绿色线框内为 20 km× 20 km的主研究区域 , 即主研究区域详图 (底图为 Sport5与 1∶2 000的高精度航片融合的影像 );L1R-- 6号滑坡(底图为航测影像立体视图 )为主研究区域 中对水库正常运营有重要影响的正处活动状态的 滑坡 . 本文所用的数据为 ALOS卫星 PALSAR传感器 获得的三帧升轨 SAR数据, 其极化方式为水平极化 (HH)且分辨率为 6.25 m,波长采用的是 23 cm的 L 波段 ,其数据参数如表 1所示 .按前面处理流程中 所叙述的原则将编号为 ALPSRP104820510(2008-- 01--12)数据作为主影像 .选取 ALPSRP104820510 (2008--01--12)和 ALPSRP111530510 (2008--02--27) 作为地形数据对 , ALPSRP104820510(2008--01--12) 和 ALPSRP118240510 (2008--04--13)作为地形 /形 变数据对 .将 30m分辨率的 ASTERDEM与等高线 生成的 2.5 m分辨率 DEM镶嵌后的数字高程数据 作为数据处理过程中的辅助 DEM. · 134·

第2期 王桂杰等：差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的实验研究 135 整望数据研究区城 丰研究区域详露 1.R-6滑坡 图3滑坡研究区域 Fg 3 Sudied area of landslides 表1所用ALOS PALSAR卫星的数据参数 Table 1 Parame ters ofAIOS PALSAR 像对编号 卫星传感器 景编号 获取日期 时间间隔/d垂直基线m多普勒频移差Hz2π模糊度高度m ALOS PALSAR A1P9Rh04820510 2008-01-12 Ar 46 438883 -14625 131.471 ALOS PALSAR AIPh11530510 2008-02-27 ALOS PALSAR AIP9Rh04820510 2008-01-12 92 813466 -33191 70.981 ALOS PALSAR A1Ph182405102008-04-13 2.2微小形变位移图的产生 过处理后的干涉条纹图则仅含地形和形变相位信 选定的地形数据对A及地形形变数据对A 息，如图5所示.从图5可看出去除平地效应和滤 经配准、复数共轭（干涉和多视处理后，得到如图4 波后的干涉图，不仅将均匀密集的小条纹去除而且 所示的初始干涉条纹图.由图可明显看到由于时间 干涉条纹较清晰. 引起的失相关及垂直基线距等原因，46的地形对 干涉条纹图A明显好于92d的形变对干涉条纹 图A 滤波后的整幅干涉条纹图 左上角小红线框内的放大图 L整幅初始干涉条纹图 左上角小红线相框内的放大图 1,整平和滤波后的整幅干浅条纹图 左上角小红线框内的放大 1整制初始干涉条纹图 左上角小红线框内的放大图 图5整平和滤波后的干涉图 Fg 5 hterfe ogem a fter flatten ing and filtering 图4初步形成的干涉图 F4 Inital interfeogram 另外，在干涉处理过程中主辅图像的相干性好 为了去除干涉图中由平地效应而引起的较密集 坏，是影响数据质量和结果精确与否的重要因素. 均匀的小干涉条纹以及干涉中产生的各种噪声影 相干系数是衡量相干性好坏的标准.图6为干涉数 响，对产生的干涉条纹图进行整平和滤波处理.经 据对A和A的相干系数图，其为[0]间的值.相

第 2期 王桂杰等:差分干涉合成孔径雷达技术在广域滑坡动态辨识上的实验研究 图 3 滑坡研究区域 Fig.3 Studiedareaoflandslides 表 1 所用 ALOSPALSAR卫星的数据参数 Table1 ParametersofALOSPALSAR 像对编号 卫星传感器 景编号 获取日期 时间间隔 /d 垂直基线 /m 多普勒频移差 /Hz 2π模糊度高度 /m AT ALOSPALSAR ALPSRP104820510 2008--01--12 46 438.883 -14.625 131.471 ALOSPALSAR ALPSRP111530510 2008--02--27 AD ALOSPALSAR ALPSRP104820510 2008--01--12 92 813.466 -33.191 70.931 ALOSPALSAR ALPSRP118240510 2008--04--13 2.2 微小形变位移图的产生 选定的地形数据对 AT及地形 /形变数据对 AD 经配准 、复数共轭 (干涉)和多视处理后,得到如图 4 所示的初始干涉条纹图.由图可明显看到由于时间 引起的失相关及垂直基线距等原因, 46 d的地形对 干涉条纹图 AT明显好于 92 d的形变对干涉条纹 图 AD. 图 4 初步形成的干涉图 Fig.4 Initialinterferogram 为了去除干涉图中由平地效应而引起的较密集 均匀的小干涉条纹以及干涉中产生的各种噪声影 响 ,对产生的干涉条纹图进行整平和滤波处理.经 过处理后的干涉条纹图则仅含地形和形变相位信 息, 如图 5所示 .从图 5可看出去除平地效应和滤 波后的干涉图 ,不仅将均匀密集的小条纹去除而且 干涉条纹较清晰. 图 5 整平和滤波后的干涉图 Fig.5 Interferogramafterflatteningandfiltering 另外 , 在干涉处理过程中主辅图像的相干性好 坏, 是影响数据质量和结果精确与否的重要因素. 相干系数是衡量相干性好坏的标准.图 6为干涉数 据对 AT和 AD的相干系数图 ,其为[ 0, 1]间的值 .相 · 135·