潘明明 安佰強

（寧波市天一測繪設計研究有限公司 浙江寧波 315000）

1 引言

受自然和人為因素的影響，我國地質災害頻發(fā)，其中滑坡是地質災害中發(fā)生頻率最高的一種，加強對邊坡的變形監(jiān)測，實現(xiàn)滑坡地質災害預警，能夠在很大程度上減少人員和財產(chǎn)損失，也是目前測繪學界的一項迫切任務[1-2]。

根據(jù)測量過程中是否接觸被測目標，可將形變監(jiān)測分為接觸式和非接觸式兩類，但傳統(tǒng)的測量技術無法滿足對邊坡場景全覆蓋、長時間的連續(xù)實時高精度的形變監(jiān)測。地基合成孔徑雷達系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的一種新型的高精度形變監(jiān)測儀器，與傳統(tǒng)方法相比，具有危險系數(shù)低、全天時全天候、高精度和全覆蓋形變監(jiān)測等諸多優(yōu)點[3-5]。在GBSAR 系統(tǒng)中，主要采用PS 算法進行數(shù)據(jù)處理，但是在長時間的觀測過程中，SAR 圖像質量肯定會發(fā)生變化，造成PS 點集合以及相位質量隨時間會發(fā)生動態(tài)變化，因此，很難保證形變監(jiān)測的準確性[6-10]。

本文提出采用動態(tài)永久散射體與地基合成孔徑雷達系統(tǒng)相結合，對邊坡進行實時高精度形變測量，可為地質災害的長期穩(wěn)定高效監(jiān)測提供借鑒。

2 技術基礎

2.1 PS 技術

永久散射體（PermanentScatters，PS）技術誕生于20 世紀90 年代，通過將長時間的SAR 多幅圖像作為輸入項，然后選出在監(jiān)測時間范圍內(nèi)保持高度相關的一些散射點并將其定義為永久散射體。散射點的空間分布和散射特性決定了每個分辨率單元的雷達波信號，其成像結果是由這些散射點成像結果通過疊加而成，在不同觀測次數(shù)下，散射點發(fā)生隨機位移，導致時間的去相關現(xiàn)象，從而對差分干涉形變反演結果產(chǎn)生影響。

根據(jù)分辨率單元內(nèi)散射體分布情況的不同，可將散射體分為單散射體模型、分布式散射體模型以及統(tǒng)治性散射體模型。不同的觀測場景具有千差萬別的目標散射體特性，導致選擇門限隨場景動態(tài)變化，而且在長時間的監(jiān)測過程中，SAR 圖像質量肯定會發(fā)生變化，造成PS 點集合以及相位質量隨時間會發(fā)生動態(tài)變化。因此，傳統(tǒng)的PS 處理方法不再適應當代工程監(jiān)測的要求，故本文提出采用基于幅度、相關系數(shù)和相位多種方法聯(lián)合的動態(tài)處理技術。聯(lián)合動態(tài)PS 處理技術流程示意見圖1。

圖1 聯(lián)合動態(tài)PS 處理技術

2.2 GBSAR 系統(tǒng)

地基合成孔徑雷達系統(tǒng)（ground-based synthetic aperture radar，GBSAR）是一種利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成為較大的等效天線孔徑的雷達，具有分辨率高、穿透性強、適應性廣等特點，已被廣泛應用于航空遙感及測量、圖像匹配制導、工程觀測等領域。地基合成孔徑雷達系統(tǒng)一般由雷達傳感器、高精度電控位移臺、實時監(jiān)測軟件、計算機系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成。

地基合成孔徑雷達系統(tǒng)采用地基重軌干涉SAR技術來實現(xiàn)對邊坡的變形實時測量，本文所使用的GBSAR 系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。在監(jiān)測過程中，首先將雷達系統(tǒng)安裝在坡面一側，然后通過寬波覆蓋邊坡表面，采用電控位移臺帶動雷達傳感器運動的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)，將采集到的雷達回波數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，最后再對不同時刻的圖像數(shù)據(jù)進行差分干涉處理，提取相關信息。

表1 GBSAR 系統(tǒng)參數(shù)

3 動態(tài)PS+GBSAR 實時形變測量技術

3.1 算法處理流程

針對PS 技術和GBSAR 系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，提出基于動態(tài)散射處理技術的GBSAR 測量方法（文中簡稱動態(tài)PS+GBSAR）。該技術不僅具有PS 點集合較為穩(wěn)定、PS 點相位質量高的特點，還具有實時性和高精度的優(yōu)勢，動態(tài)PS+GBSAR 最大的特點還在于它不是一個連續(xù)處理的過程，在正常工作狀態(tài)下，一般處于兩個狀態(tài)：等待狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，當只有新的SAR 數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)時，系統(tǒng)才會有等待狀態(tài)轉變?yōu)閳?zhí)行狀態(tài)，處理結束后，系統(tǒng)又將轉回等待狀態(tài)。

PS 對SAR 圖像的處理可分為初始化階段和形變反演階段，其算法處理流程示意見圖2。初始化階段：由于此時系統(tǒng)的SAR 圖像積累數(shù)量還不足以進行幅度離差和幅度信息候選PS 點選擇，因此無法得到候選的PS 點集合以及最終的PS 點，故而無法完成邊坡的形變反演處理，此階段的SAR 圖像僅用于PS 點的選擇處理。形變反演階段：當SAR 圖像數(shù)量足夠后，系統(tǒng)開始進行候選PS 點集合和PS 點集合的提取，完成對監(jiān)測對象的形變反演。

圖2 算法處理流程示意

3.2 PS 點選擇處理

由于監(jiān)測時間較長，PS 點難免會出現(xiàn)新生或消失后又重生的現(xiàn)象，這將導致PS 點集合存在一定的差異性，從而影響成像質量和提取效果，因此需要在傳統(tǒng)星載PS 處理方法基礎上進行改進。本文主要從SAR 圖像分組和主圖像更新兩個方面進行PS 點選擇處理改進。

SAR 圖像分組：由于SAR 圖像所對應的PS 點集合差異較大，所生成的干涉圖往往不適合進行形變反演處理，因此需要根據(jù)時間基線長短對SAR 圖像進行分組，然后首先對每組SAR 圖像進行處理，處理完成后再重新選擇PS 點，這樣可以保證PS 點集合保持足夠的穩(wěn)定，有利于信息的提取。

主圖像更新：雖然經(jīng)SAR 圖像分組后，保持了PS點集合的穩(wěn)定性，但是由于時間基線較長，針對不同組的SAR 圖像而言，還需要對主圖像進行更新，最終得到本幅圖像相較于初始時刻的累積形變量。本文將上一組的最后一幅SAR 圖像作為下一組的主圖像，這樣可以減小因時間基線引起的主圖像偏差影響。

3.3 高精度形變反演

基于“動態(tài)PS+GBSAR”的高精度實時高精度反演形變流程示意見圖3。首先將主SAR 圖像與新SAR 圖像一起生成干涉圖像；然后，提取PS 點復數(shù)據(jù)并將其分為高質量和中等質量兩類；其次利用高質量PS 點復數(shù)據(jù)和中等質量PS 點復數(shù)據(jù)分別進行三維和二維空間相位解纏處理；并進行大氣和軌道誤差相位估計和補償，根據(jù)相位與形變量的相關關系得到形變信息，從而得到SAR 圖像對應不同時刻的形變量；最后，還需要通過差值法等后期處理變形方法，獲得整個場景的相對形變信息，得到最終的形變反演結果。

圖3 形變反演流程示意

4 應用分析

4.1 試驗介紹

為了驗證“動態(tài)PS+GBSAR”方法的可靠性，選取某石礦場邊坡進行試驗，石礦場邊坡主要包括懸崖、突破和石墻等目標。GBSAR 系統(tǒng)距離邊坡的距離為230～700m，同時在距離GBSAR 系統(tǒng)475m 和562m處設置兩個角反，在475m 角反上面安裝形變調(diào)節(jié)器，形變調(diào)節(jié)器的精度為0.01m，通過形變調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)角反射的位置可以模擬該位置發(fā)生的形變情況。利用GBSAR 系統(tǒng)對該邊坡進行連續(xù)24h 的監(jiān)測，共獲得39 幅SAR 圖像。邊坡場景及SAR 圖像示意見圖4。

圖4 邊坡場景及SAR 圖像示意

4.2 試驗結果

利用1～10 幅SAR 圖像進行PS 點選擇，利用11～39 幅圖像進行形變反演分析，并將第10 幅SAR 圖像作為主圖像，得到的時間基線為1hour 的場景積累形變量結果見圖5。從圖5 中可以看到：試驗得到的邊坡形變量近乎為0，這是因為觀測時間較短，觀測場景內(nèi)并未檢測到明顯的變形情況發(fā)生（圖中A、B、C、D 分別表示土坡、石墻、參考角反以及懸崖四個目標點）。

圖5 時間基線為1hour 的場景積累形變量結果

為了加速試驗進程，從24 幅SAR 圖像開始，利用形變調(diào)節(jié)器對反射位置進行調(diào)節(jié)，得到形變角反位置處的形變反演曲線以及形變反演誤差曲線見圖6。從圖6 中可以看到：形變反演量與標準形變量（形變調(diào)節(jié)量）基本匹配，兩者的誤差控制在±0.2mm 以內(nèi)，表明“動態(tài)PS+GBSAR”方法具有較高的形變反演精度。同時，得到了A、B、C、D 四個目標點的形變反演情況，見圖7。從圖7 中可以看到：四個目標點的形變量在觀測時間內(nèi)均在0 附近徘徊，反演形變量結果大部分在±0.2mm 以內(nèi)，表明四個目標點并未發(fā)生明顯的變形，這與圖5 得到的結果基本吻合。

圖6 形變角反位置反演結果

圖7 目標點位置反演結果

采用形變反演誤差值σ 來衡量各目標點的形變反演平均精度：

式中：K—圖像的數(shù)量，取39；i—圖像的序號;λi,反—反演形變值；λi,標—標準形變值，其中角反位置取調(diào)節(jié)量，A、B、C、D 目標點取0（認為無實際變形）。

計算得到的不同位置處的形變反演誤差值結果見表2。從表中可以看到：在自然場景（A、B、D）下，隨著斜距的增大，形變反演誤差值逐漸增大，這是可能由于當目標遠離GBSAR 系統(tǒng)后，回波信號和信噪比均會降低，隨機產(chǎn)生的噪聲誤差會逐漸增大，因而造成反演精度降低；形變角反和參考角反C 的反演誤差值相差不大，且明顯小于其他幾個場景目標點，這是因為反射器的反射信號強、信噪比高，因而形變反演誤差小，精度高。從整體上看，基于“動態(tài)PS+GBSAR”形變監(jiān)測方法的測量精度可達到0.1mm（亞毫米級）。

表2 形變反演誤差值計算結果

5 結束語

本文基于動態(tài)永久散射體技術和地基合成孔徑雷達系統(tǒng)，構建“動態(tài)PS+GBSAR”實時形變測量方法，該方法不僅具有PS 點集合穩(wěn)定、PS 點相位質量高的特點，還具有實時性和高精度的優(yōu)勢。通過應用實踐表明：基于“動態(tài)PS+GBSAR”的邊坡形變反演量與標準變形量基本匹配，形變反演誤差可控制在亞毫米級別，測量精度較高，可在實際工程中予以運用。