牛宗碩

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

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衛(wèi)星雷達數(shù)據(jù)與處理軟件在德欽縣地質災害監(jiān)測中的最優(yōu)選取研究

牛宗碩

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

摘 要：德欽縣地質災害監(jiān)測項目主要運用的技術手段為合成孔徑雷達干涉技術，簡稱InSAR，該技術具有監(jiān)測范圍廣、不受時間空間限制、監(jiān)測精度高等特點。當前，雷達衛(wèi)星和處理軟件多種多樣，根據(jù)德欽縣地質環(huán)境特征，選取合適的雷達衛(wèi)星和處理軟件，是保證地質項目得以順利實施，取得良好監(jiān)測結果的重要環(huán)節(jié)。本文通過對比覆蓋德欽縣的雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，探討數(shù)據(jù)處理軟件的優(yōu)缺點，采用最優(yōu)原則，分析適合德欽縣地質災害監(jiān)測的雷達衛(wèi)星和處理軟件。

關鍵詞：地質災害；雷達衛(wèi)星；合成孔徑雷達干涉技術；差分雷達干涉技術

文獻著錄格式:牛宗碩.衛(wèi)星雷達數(shù)據(jù)與處理軟件在德欽縣地質災害監(jiān)測中的最優(yōu)選取研究［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學，2016，57（6）: 926-930.

德欽縣位于青藏高原南延的橫斷山脈縱谷部位，境內(nèi)高山峽谷，高差較大；冰峰林立，雪山縱橫；構造復雜，地形陡峻。特殊的地質環(huán)境特征給該區(qū)帶來了嚴重的地質災害，主要有泥石流、滑坡、崩塌等。地質災害給德欽縣人民造成了極大的威脅，嚴重制約了城市建設及國民經(jīng)濟的發(fā)展。德欽縣地質災害監(jiān)測項目主要運用合成孔徑雷達干涉技術（InSAR），為保證項目實施效果，需遵從“最優(yōu)原則”，對覆蓋德欽縣的雷達衛(wèi)星和數(shù)據(jù)處理軟件進行選擇。通過對比多種雷達衛(wèi)星，分析雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可用性和最優(yōu)性，選擇適合德欽縣的雷達衛(wèi)星；通過對比多款數(shù)據(jù)處理軟件，分析軟件的可行性和實用性，選擇適合覆蓋德欽縣的雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理軟件。

1 在軌民用雷達衛(wèi)星簡介

雷達衛(wèi)星是遙感衛(wèi)星的一種，屬于微波遙感衛(wèi)星，技術原理為雷達干涉原理。雷達衛(wèi)星的發(fā)展始于20世紀70年代，由美國率先進行發(fā)射和研究，主要用來進行軍事偵察和外星探索。隨著該技術的不斷成熟和普及，越來越多的國家研究并發(fā)射了雷達衛(wèi)星，雷達衛(wèi)星的應用也從單一的軍事機密領域發(fā)展到現(xiàn)在的多個領域。

目前，主要的在軌民用雷達衛(wèi)星技術參數(shù)詳見表1。除表中列出的以外，擁有雷達衛(wèi)星的國家還包括美國、俄羅斯、中國、印度、以色列等，由于這些國家的雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)只用于軍事或者只限本國使用，所以相關衛(wèi)星參數(shù)不對外公布，因此，不將其作為德欽縣InSAR數(shù)據(jù)選擇的備選衛(wèi)星。

表1　在軌民用雷達衛(wèi)星技術參數(shù)

2 德欽縣雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取

2.1 德欽縣雷達數(shù)據(jù)采集要求

根據(jù)德欽縣城周邊地質災害可行性研究報告的要求，InSAR數(shù)據(jù)采集應有以下幾點要求:監(jiān)測范圍為德欽縣城周邊約60 km2；監(jiān)測時間為2012—2016年，約5期數(shù)據(jù)，其中，在2013年8月28日的地震前后分別獲取2期歷史存檔數(shù)據(jù)；空間分辨率要求≤10 m。

2.2 衛(wèi)星參數(shù)對地質災害監(jiān)測項目的影響

在衛(wèi)星選取過程中，除了考慮德欽縣地質災害監(jiān)測的要求外，還需要對衛(wèi)星自身的參數(shù)進行考慮。

空間分辨要求≤10 m，這是可研報告的要求。一般發(fā)射時間較早的衛(wèi)星精度較低，如歐洲的Envisat衛(wèi)星，其最大的空間分辨率為10 m，加上其他因素的影響，定會造成精度的降低，達不到技術要求，而且該衛(wèi)星發(fā)射時間早，技術相對落后，不是最佳的衛(wèi)星選擇。

波段波長是影響監(jiān)測結果的一個重要因素，衛(wèi)星發(fā)射的波段越長，其穿透能力越好。德欽縣是一個低緯度、高海拔的地區(qū)，夏季植被發(fā)育茂密、多云多霧多雨，而且地形多高山峽谷的特征均會導致微波的干涉效果欠佳，所以要盡量選擇波長較長的衛(wèi)星，如日本的ALOS衛(wèi)星，采用L波段，波長為一般衛(wèi)星的5～10倍。

中央入射角、重復周期、極化方式是影響編程數(shù)據(jù)的重要因素。中心入射角越大、越接近正射，干涉效果就越好。重復周期越短，就可以獲得越多的景數(shù)據(jù)，利于差分處理。進行干涉差分處理時，極化方式通常要選擇HH方式或者VV方式。

歷史存檔數(shù)據(jù)是制約項目數(shù)據(jù)選取的重要因素，由于德欽縣地質災害監(jiān)測項目要求在2013年8月28日前后要有2期數(shù)據(jù)，這就要求衛(wèi)星在該時間點前后均要有歷史存檔數(shù)據(jù)，而且差分處理至少需要兩景存檔數(shù)據(jù)。據(jù)調(diào)查，記錄了德欽縣歷史存檔數(shù)據(jù)的雷達衛(wèi)星主要有意大利的Cosmo-Skymed衛(wèi)星、德國的TerraSAR-X衛(wèi)星、加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星。

2.3 雷達衛(wèi)星的數(shù)據(jù)對比

根據(jù)以上分析，在考慮德欽縣地震時間點的情況下，意大利Cosmo-Skymed衛(wèi)星、德國的TerraSAR-X衛(wèi)星、加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星被定為備選衛(wèi)星。下面，根據(jù)衛(wèi)星的詳細信息進行備選分析。

德國的TerraSAR-X衛(wèi)星。該衛(wèi)星的歷史存檔數(shù)據(jù)為2011年，分辨率為16 m，不符合本項目精度的要求，所以德國的TerraSAR-X衛(wèi)星不適合本項目的選擇。

加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星。如圖1所示，加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星有2種不同分辨率的歷史存檔數(shù)據(jù)，左側為3 m分辨率的3景數(shù)據(jù)，右側為8 m分辨率的5景數(shù)據(jù)。要想得到效果較好的差分干涉圖，要求衛(wèi)星的采集模式、中央入射角度、分辨率、軌道、極化方式等參數(shù)保持一致。但從圖1可以看出，無論是3 m還是8 m分辨率的數(shù)據(jù)，它們的采集情況都不相同（相同的話則兩圖框應重合），即在2009年這一期不能進行差分干涉處理，只能選取其中一景與編程數(shù)據(jù)進行處理。另外，3 m分辨率的數(shù)據(jù)不能全部覆蓋德欽縣城；8 m分辨率的數(shù)據(jù)雖然能夠覆蓋，但精度較低。另外，存檔數(shù)據(jù)為一景的話，往往不能與編程數(shù)據(jù)進行差分干涉處理，原因是數(shù)據(jù)太少，時間過長。綜上，加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星不適用于德欽縣城的地質災害監(jiān)測。

圖1　加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星存檔數(shù)據(jù)

意大利的Cosmo-Skymed衛(wèi)星。意大利的Cosmo-Skymed衛(wèi)星在德欽縣的歷史存檔數(shù)據(jù)共有11景，空間分辨率為3 m。2009年降軌數(shù)據(jù)為5景數(shù)據(jù)，其中有2組數(shù)據(jù)為同一參數(shù)的存檔數(shù)據(jù)，可用來InSAR處理；2009年升軌數(shù)據(jù)為6景數(shù)據(jù)，其中有1組數(shù)據(jù)為同一參數(shù)的存檔數(shù)據(jù)，可用來D-InSAR處理。

綜上，意大利衛(wèi)星存檔數(shù)據(jù)可形成3個干涉組:干涉組合1，升軌，日期分別為2009-09-03和2009-06-07，中心入射角51.12°；干涉組合2，降軌，日期分別為2009-09-14和2009-06-02，中心入射角: 48.08°；干涉組合3，降軌，日期分別為2009-05-31和2009-04-13，中心入射角29.36°。中心入射角過小，會降低數(shù)據(jù)信號的相干性，不利于InSAR分析，因此建議選擇干涉組合3進行研究。

2.4 雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)評估與總結

在考慮德欽縣地震時間點的情況下，通過對比各衛(wèi)星，初步確定意大利Cosmo-Skymed衛(wèi)星較適應于德欽縣城地質災害監(jiān)測項目。除了數(shù)據(jù)要求合格以外，數(shù)據(jù)價格也在預算之內(nèi)。

意大利的Cosmo-Skymed系統(tǒng)是由4顆雷達衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，每顆衛(wèi)星擁有一個多模式高分辨率合成孔徑雷達。在德欽縣城地質災害監(jiān)測項目中建議采用的束波模式為條帶模式（STRIPMAP）中的Himage成像模式，分辨率3 m，幅寬分別為40×40 km2。采用的產(chǎn)品級別為Level1A產(chǎn)品，單視復斜距SLC（SCS），數(shù)據(jù)中包含了強度信息和相位信息，用于生成DEM或做差分干涉測量。

但該衛(wèi)星存在以下缺點。出售該衛(wèi)星數(shù)據(jù)的商家比較少，目前，只了解到1家，商家過少不利于對比選優(yōu)。該衛(wèi)星采用的是X波段，相對較短，對植被、云霧等條件的穿透能力較差，干涉誤差較大，選用時需避開雨季進行數(shù)據(jù)采集。該衛(wèi)星的歷史存檔數(shù)據(jù)為2009年，按照項目計劃，2015年底進行數(shù)據(jù)編程，相隔6年之久可能會造成干涉效果不佳。

如果不考慮地震時間點，即選用2014年以后的數(shù)據(jù)，可以采用日本的ALOS衛(wèi)星，該衛(wèi)星費用較高，超過預算要求，但其采用長波段L，穿透能力較好，且該衛(wèi)星無須用戶要求，時時刻刻采集數(shù)據(jù)，較多的景數(shù)據(jù)易于進行差分干涉處理，相對精度也更高，變形監(jiān)測效果更好。

3 雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理軟件比選

3.1 德欽縣雷達數(shù)據(jù)處理要求

D-InSAR是在InSAR的基礎上發(fā)展起來的一項技術，以InSAR復數(shù)據(jù)提供的相位信息（干涉圖）為信息源，采用多幅雷達影像的相位差，通過重復軌道干涉測量的原理消除地形信息從而得到地表形變。根據(jù)去除地形信息方法的不同，D-InSAR技術可以分為二軌法、三軌法和四軌法等，德欽縣城地質災害監(jiān)測項目采用常規(guī)的二軌法和三軌法進行數(shù)據(jù)處理。

二軌法。首先利用同一地區(qū)前后2幅影像生成干涉紋圖，然后再利用外部獲取DEM數(shù)據(jù)模擬干涉紋圖，最后從兩干涉紋圖中去除地形信息得到地表變化信息。

三軌法。首先利用同一地區(qū)三景影像生成2幅干涉條紋圖，一幅反映地形信息，一幅反映地表形變信息，然后進行去地平和相位解纏，最后利用差分干涉測量原理計算得到地表信息。

選擇合適有效的干涉影像數(shù)據(jù)集（SLC數(shù)據(jù)）后，從外部獲取DEM數(shù)據(jù)，以其中一幅影像作為主影像，另外一幅或幾幅影像作為從影像，便可以開始干涉測量的數(shù)據(jù)差分處理。數(shù)據(jù)處理的過程包括2部分，第一部分是InSAR數(shù)據(jù)處理，主要包括:影像的配準、影像重采樣、干涉圖的生成、參考相位（平地相位）的去除、地形相位的去除（D-InSAR處理用到）、干涉圖的濾波、相位解纏（三軌法）和地理編碼（坐標系統(tǒng)的投影轉換）等，得到DEM和干涉圖；第2部分是差分處理，經(jīng)過差分干涉處理、相位解纏（二軌法）、相高轉化等步驟，生成形變圖。

3.2 常用雷達數(shù)據(jù)處理軟件

目前，InSAR數(shù)據(jù)處理軟件有許多種，有商業(yè)的、開源的、試用版的，等等。商業(yè)的專門用來處理InSAR數(shù)據(jù)，有特定的模塊，處理方式比較簡單，但費用較高；開源的軟件需要進行程序編碼才能使用，需耗費時間與精力；試用版的軟件僅適合個人學習和使用，不適合單位集體的研究。具體分述如下。

Gamma。強大的雷達成像、干涉處理、差分處理軟件，擁有DInSAR，PSInSAR及地理編碼等專業(yè)處理功能，屬于商業(yè)軟件。

SARscape。強大的雷達圖像數(shù)據(jù)處理與分析軟件，擁有極化干涉處理模塊，屬于商業(yè)軟件。但市面上亦存在盜版。

ERDAS。具有雷達圖像數(shù)據(jù)導入功能，有IFSAR，StereoSAR，OrthoRadar模塊，但不是專業(yè)的SAR處理軟件，屬于盜版軟件。

ROI-PACK。干涉SAR領域開源中最為強大的軟件，屬于開源軟件。

Doris。面向全球的開源軟件，有人專門開發(fā)了InSAR/DInSAR等功能，屬于開源軟件。

3.3 數(shù)據(jù)處理軟件對比

常用的InSAR數(shù)據(jù)處理中，最常用、且最好用的軟件為Gamma和SARscape，下面對其各自特點進行簡單介紹。

Gamma。該軟件能夠從軌道數(shù)據(jù)中進行基線估計、干涉圖像的配準、干涉紋圖的生成、相干系數(shù)的估計、去平效應、自適應濾波等步驟。如果從外部獲得了DEM，可以使用二軌法，利用這個模塊模擬干涉紋圖，利用干涉紋圖進行差分處理就可以消除地形相位的影響。此外，該軟件還具有永久散射體分析模塊，可針對特定目標點的相位進行分析，達到高精度誤差分析。

SARscape。ENVISARscape軟件是在ENVI遙感圖像處理軟件的基礎之上研發(fā)的，功能主要包括:雷達干涉測量、雷達強度圖像處理、極化雷達干涉測量。支持多種雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，提供SAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)導入、基線估計、多視處理、幾何校正、輻射校正、去噪影像、地表變形分析等基本功能；同時，支持極化SAR和極化干涉SAR數(shù)據(jù)的處理等功能，處理結果可以達到mm級的位移。

3.4 數(shù)據(jù)處理軟件評估與總結

Gamma，SARscape這2款軟件都可以進行InSAR數(shù)據(jù)處理，相比起來，Gamma更加專業(yè)，功能更加強大，操作簡單，但費用較高，國內(nèi)擁有授權的公司很少。SARscape軟件正式版費用較高，與Gamma軟件功能大體相同，但是該軟件有試用版，適合個人學習和研究。這2款軟件的主要區(qū)別是操作系統(tǒng)不同和處理效率不同: Gamma主要使用的操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)，處理方式為輸入命令進行處理，可以進行批量處理；SARscape采用的是Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理采用可視化窗口模式，處理速度較慢，不能進行批量處理。據(jù)此，建議綜合使用Gamma軟件和SARscape軟件來進行數(shù)據(jù)處理，Gamma軟件負責批量處量，SARscape軟件負責個人學習和研究。

4 小結

德欽縣地質災害監(jiān)測工作若要順利開展，勢必在設計階段對收集到的雷達衛(wèi)星資料進行分析和評估，為監(jiān)測項目的順利實施提供理論參考和技術依據(jù)，為該項目的立項奠定可行性基礎。結合選取的雷達衛(wèi)星和處理軟件，采用D-InSAR技術能夠快速獲取德欽縣地表形變區(qū)域內(nèi)的地表形變信息，能夠滿足對地表形變引起的泥石流的監(jiān)測要求。通過比選，初步確定意大利Cosmo-Skymed衛(wèi)星為德欽縣地質災害監(jiān)測的初選衛(wèi)星數(shù)據(jù)，Gamma為初選軟件。

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（責任編輯：高 峻）

中圖分類號：P694

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017（2016）06-0926-04

DOI：10.16178/j.issn.0528-9017.20160642

收稿日期:2016-03-04

作者簡介:牛宗碩（1989—），男，河北張家口人，碩士研究生，從事衛(wèi)星遙感研究工作，E-mail: nizongshuo123@163.com。