应用CRInSAR技术监测三峡库区滑坡形变＊

涂鹏飞 谌 华 甘卫军

(1)三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,宜昌 443002 2)中国科学院空间科学与应用研究中心国家八六三计划微波遥感技术实验室,北京 100190 3)中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京 100029)

应用CRInSAR技术监测三峡库区滑坡形变＊

涂鹏飞1)谌 华2)甘卫军3)

(1)三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,宜昌 443002 2)中国科学院空间科学与应用研究中心国家八六三计划微波遥感技术实验室,北京 100190 3)中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京 100029)

在对 CR InSAR技术的基本理论和处理算法及实际应用进行研究的基础上,比较 CR InSAR技术与传统InSAR技术的异同后认为,CR InSAR技术更适合三峡库区的滑坡监测。

角反射器;合成孔径雷达干涉测量;三峡库区;滑坡监测;形变

1 引言

传统 InSAR差分技术在地震同震场形变提取、火山活动和冰川漂移等目标范围大的形变监测领域已经取得很好的研究成果[1-3],但将其应用于目标范围较小的形变监测,如山体滑坡、城市局部地表沉降监测、矿山开采引起的地面沉降等研究领域时遇到了很多困难,主要原因在于像元尺度较大,在较小的范围内很难形成有效的干涉条纹,如,ERS-1/2和ENV ISAT-1的 SAR数据的一个像元对应地表范围是 30 m×30 m,这样,对于一个范围仅有几十米或几百米的滑坡体,其在干涉图像中才几个或几十个像元,由此很难形成有效的干涉条纹来对其进行监测。

而近年来的研究热点角反射器 (CR)+InSAR技术是在传统 InSAR技术的基础上发展起来的,利用角反射器的角反射效应,将接收到的雷达波束经过几次反射后,形成很强的回波信号,在所获得的SAR图像中形成很亮的星状亮斑,可以在 SAR图像上被准确地识别出来,在重点监测目标上架设角反射器用以在 SAR图像中识别出需要监测的目标物,同时利用其后向散射特性稳定、相干性强的特点提高较长时间间隔的 SAR图像序列的相干性。目前,国内外很多学者已经开展 CR InSAR技术的应用研究,并在滑坡监测、城市局部地表沉降监测、矿山开采引起的地面沉降等研究领域取得了一定成果[4-7]。

2 CRInSAR基本理论及处理算法流程

2.1 CR基本概念

角反射器 (CR),特指那些利用导电性能和导磁性能良好、电容率大的金属材料 (一般选铝)做成规则几何形状(如二面角或三面角),表面为实体或网状的一种点状人工地物目标。因为几何形状规则,雷达散射截面可以精确计算出来,如三面角角反射器的最大雷达截面(RCS)的计算公式为：

这里,l表示角反射器棱边边长,λ是雷达波波长。从公式(1)知道,最大雷达截面与雷达波长成反比,与角反射器尺寸成正比。也就是说,雷达波频率越高,角反射器尺寸越大,散射截面越大。相对雷达图像分辨率而言,角反射器的回波信号可以被视为一个点散射体[4]:

式中,x表示方位坐标,t表示斜距时间,R表示卫星与目标的最小距离,Ls表示合成孔径,τp表示脉冲宽度,k表示频率,B表示发射波波束宽度,D表示天线长,ρr表示斜距向分辨率,ρa表示方位向分辨率。响应峰值表达为[4]:

这里的距离向和方位向都是 sinc函数形式的。

2.2 CR的设计与架设

角反射器的设计主要根据科学目标的要求和实际架设区域的情况来确定。实际研究中,可供选择的星载 SAR数据主要为 C波段和L波段。为了保证角反射器在雷达图像中能被准确地识别出来,必须考虑角反射器周围地物的后向散射特性和角反射器自身的尺寸。一般地面植被背景的散射截面为-5分贝～-10分贝,没有植被的较粗糙地表的散射截面要略大,但以分贝计一般也是负的。式 (1)表明,散射截面与材料特性没有显式关系。但电磁波理论表明,材料表面越光滑,材料导电性越好,反射能力越强,反射效率越高,实现最大散射截面的可能性越大。

在架设过程中,必须保证雷达波入射方向与角反射器的法线方向重合,这样,角反射器才会有最大的散射截面,在 SAR图像中表现出更为明显的特征。而要保证这一点,必须满足以下两个条件：1)根据所要选取的 SAR数据模式,升轨或降轨,来调整角反射器的底边方位角,使角反射器的底边与卫星飞行方向平行;2)根据所要选取的 SAR数据的入射角模式(如 ENV ISAT卫星的ASAR数据,其入射角就是可变的,变化范围为 15°～45°),来调整角反射器的仰角,使角反射器的法线方向与雷达波入射方向重合。图 1给出了卫星飞行模式、照射模式和角反射器底边方位角、仰角的关系示意图,这里给出这几者之间更为精确的数学关系,角反射器底边方位角β和卫星轨道倾角α、角反射器所在纬度ξ的关系如下[4]:

图 1 卫星飞行模式和角反射器底边方位角的关系示意图 (a)及照射模式和仰角的关系示意图 (b)Fig.1 Relation bet ween the satellite flight mode and the azimuth of angular flactor’s bottowside(a)and relation between the shiningmode and angle of elevation(b)

式中,ξ是角反射器安装地点的纬度,β是角反射器底边与经线方向 (南北向)的夹角。若获取数据是升轨数据,则 cosα前取正;若是降轨数据则取负。

2.3 处理算法流程

在差分干涉处理中,差分干涉相位φ能够被写成如下形式:

这里,φdefo表示地表形变相位,φatmos表示大气水汽相位,φoffset表示随机误差相位,φdem_error表示 DEM残差相位,φnoise表示由噪声引起的残差相位。且假定大气相位偏差φoffset和大气影响贡献值对于整个处理区域是一个常数。在将稳定区域的相位值进行均值处理后,可以得到φatmos+φoffset的估计值,去除这些选项后:

这里,φnoise代表通用噪声,这些噪声可能是由残余大气影响而产生的残余相位。下面将对φatmos_corr_int做进一步的分析。从式(5)可以得:

具体算法处理流程见图 2。

图2 算法处理流程图Fig.2 Flowchart of the algorithm

3 应用研究

选取 ENV ISAT卫星的ASAR数据的降轨模式。在设计角反射器时,综合材料方面的散射效率的考虑,选择边长为 1米的角反射器,这样,对 C波段的SAR而言,边长为 1米的角反射器的最大雷达截面为 31.25分贝,所以角反射器的散射截面比周围一般地表背景要大很多。为保证对雷达波的反射效果,角反射器的材料选择铝板和镀锌铁皮双层结构。根据公式(4),在计算出角反射器的底边方位角和仰角后,在研究区域完成了角反射器的架设工作,并在获取的 SAR图像中识别出了角反射器 (图 3)。与此同时,在现有数据的基础上,使用 EV-InSAR处理软件,得到了时间序列差分干涉纹图系列和平均后向散射图等处理结果(图 4和图 5)。但由于目前的 SAR数据积累不足,还没能得到最后的处理报告。

4 结论与展望

图 3 在研究试验区架设的角反射器及影像特征Fig.3 Angular flector installed in the experimental field and the image features

图4 时间序列差分干涉纹图系列Fig.4 Differential fringe series of time series

通过研究可以看出,CR InSAR技术在研究目标、研究条件和研究方法等方面都有了很大的改变。从研究目标来看,CR InSAR监测更侧重于尺度范围小的地表或需要重点监测的微量形变目标物;从研究条件来看,CR InSAR的限定条件增多：1)必须架设相当数量的角反射器;2)在监测区域中必须有稳定区域的存在;3)需要大量的 SAR数据(至少 15景以上)。从研究方法来看,CR InSAR处理中所关注的误差因素比传统的 InSAR技术多,不仅要考虑DEM的误差、随机误差,更要去除大气的影响,这样才能监测到重点目标上的微量形变。

通过比较知道,CR InSAR技术非常适合三峡库区的滑坡监测研究,期待在不久的将来,能够将CR InSAR技术实用化、工程化,为三峡库区的滑坡监测及防治工作做出贡献。

图5 平均后向散射图Fig.5 I mage ofmean backward scattering

1 Massonet D et al.The displacement field of the Landers earthquake Mapped by Radar Interferometry[J].Nature, 1993,364：138-142.

2 MassonnetD,Briol P andArnaud A.Deflation ofMount Etna monitored by spaceborne radar interferometry[J].Nature,1995,375：567-570.

3 Fuji wara S,et al.Crustal deformation measurements using repeat-pass JERS-1 synthetic aperture radar interferometry near Izu peninsula.Japan[J].J.Geophys.Res.1998,103 (B2)：2 411-2 426.

4 Xia Y,Kaufmann H and Guo X F.Differential SAR interferometry using corner reflectors[A].IGARSS[C].2002,Toronto Canada,24-28 June 2002,1 243-1 246.

5 Ludger Timmen,et al.Monitoring of s mallmotions in mining areas by SAR interferometry[S].FR I NGE 96.1996.

6 Linlin Ge,et al.Quantitative subsidence monitoring：The integrated InSAR,GPS and GIS approach[A].The 6th International Symposium on SatelliteNavigation Technology Including Mobile Positioningamp;Location Serivces[C].Melbourne,Australia,22-25 July 2003.

7 薛怀平,等.三峡库区秭归 GPS-CR滑坡监测网的建立[J].大地测量与地球动力学,2006,(增刊)：178-180, 184.

APPL ICATION OF CRInSAR INMONITORING LANDSL IDE DEFORMATION IN THREE GORGES RESERVO IR AREA

Tu Pengfei1),Chen Hua2)and GanWeijun3)

(1)Key Laboratory of Geological Hazards in Three Gores ReservoirA rea,China Three Gorges University, M inistry of Education,Yichang 443002 2)Center for Space Scienceamp;Applied Research,Chinese Academ yof Sciences,N ationalM icrowave Rem ote Sensing Lab.,Beijing 100190 3)State Key Laboratory of Earthquake Dynam ics,Institute of Geology,CEA,B eijing 100029)

A certain research on the basic theory,processing algorithm and practical application of CR InSAR is made.Having compared the difference between conventional InSAR and CR InSAR,the feasibility of applying CR In-SAR formonitoring the landslides in Three gorges reservoir region is discussed.

Corner Reflectors(CR);InSAR;Three Gorges reservoir region;landslide monitoring;deformation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0126-04

2010-05-10

湖北省自然科学基金重点项目(2008CDA096);中国地震局地震行业科研专项(20070813)

涂鹏飞,男,1965年生,硕士,高级工程师,主要从事地质灾害预测预报的科研与教学工作.E-mail：tupengfei2000@163.com

PTU198+.2

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