基于InSAR技术的摩西台地崩滑隐患探测

何宗翰

西南科技大学 四川省绵阳市 621010

摘要：磨西古镇位于磨西台地上，属于第四纪冰水台地。近年来，随着人类工程活动的加强，以及泸定的地震等自然灾害的频发,滑坡隐患探测显得尤为重要。文章对研究区InSAR数据处理做了详细说明。首先阐明了处理所用的数据基础以及方法理论，其中包括DEM数据、Sentinel-1数据、Sentinel-1卫星精密轨道数据的数据来源和选取；Stacking-InSAR技术和SBAS-InSAR技术的详细流程。然后进行了升降轨数据处理得到了SAR坐标系下LOS向形变速率结果图、形变速率图以及平均形变速率图，发现变形主要集中在西南方向的区域，最大形变速率为-67mm/yr。最后进行滑坡解译，选取一处来介绍解译方法于步骤，共统计出区域滑坡灾害隐患19处。

关键词：InSAR；Stacking-InSAR；SBAS-InSA；隐患探测；

合成孔径雷达干涉（InSAR）是一种利用雷达技术进行地表形变监测的方法，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar）简称为SAR，无线电探测与测距（Detection and Ranging）的缩写简称为雷达。雷达技术的发展历史可以追溯到人们对电磁场的不断深入认识以及电磁波的发现。1886年，赫兹通过实验证明了无线电波具有反射性这一特征，这一发现推动了雷达技术的发展。直到20世纪30年代中后期，各国开始逐渐重视起来雷达技术的发展与应用，并在美国、日本、德国、俄罗斯、意大利、法国、英国等多个发达国家进行了爆发性的研究，取得了许多重大的科研成果。雷达技术因此得到了更加迅速的发展，并在军事领域得到了广泛应用。合成孔径雷达（SAR）的概念最早由美国的卡尔·威利在1951年提出，随后他提出了多普勒波束锐化系统。在同一时间，伊利诺伊大学的控制系统实验室也针对改善雷达的分辨率进行了相关试验，在1953年，该实验室获得了第一张合成孔径雷达图像。然而，一直到20世纪60年代中期，合成孔径雷达图像才被学者所解密，并应用于学术研究，其中主要用于地质测绘、陆地开发和海洋学等多个方面的学术研究。在1969年和1974年，科学家们分别利用雷达技术在中美洲和南美洲开展了测量和采集信息，通过此次活动，科学家们首次获得了该地区较为清晰的影像，进而引发了人们对侧视合成孔径雷达的广泛兴趣，促进了雷达的应用和发展。

数字高程模型（DEM）在InSAR数据处理与操作过程中是必不可少的重要辅助数据，在进行影像配准、平地效应去除和地理编码等操作中DEM都起着关键作用。在整个数据处理流程中最关键的一步就是去除相位中的地形信息及其形变，而将相对应的DEM引入并进行若干干涉处理，相关问题可以有效得到解决。不同的DEM数据所影响的最终形变信息的相关准确度也完全不同，所以针对不同类型的地貌选取合适的DEM也是非常重要的。不同类型的DEM数据具有不同的特点，常见的包括SRTM DEM、ASTER GDEM和GTOP DEM等。不仅DEM数据类型重要，而分辨率和垂直精度也在DEM数据选择中同样重要。因此本文选择了分辨率为30米、垂直精度为5米的AW3D30 DSM数据并且用于后续的InSAR处理，以确保数据处理的准确性和可靠性。

以升轨数据为例，介绍数据处理流程。首先对下载的Sentinel-1数据进行预处理。预处理关键步骤是从原始数据中提取覆盖研究区域的SLC数据，对其通过迭代的方法进行配准，要求SAR影像之间配准精度达到千分之一，最后通过相位去斜即可获取单视复数影像，即配准之后的SLC影像。

由于我们的研究区域较小，但是经过预处理之后的获取的单视复数影像（SLC）较大，所以在数据处理中为了提高数据处理效率，减少数据处理过程中对电脑内存的过高要求，把我们的研究区域裁剪处理进行处理。然后对裁剪之后的SLC进行距离向和方位向进行压缩，采用4×1的多视比进行处理，目的是以牺牲SAR数据发分辨率为代价，来提高信噪比。为了提高数据处理效率和增加干涉对，我们参照InSAR数据处理规范和该区域数据处理经验，设置时间基线不大于60天，空间基线不大于250米进行干涉对组合，其时空基线图如图3.5，共获取了126个差分干涉对。在这一步处理之前应该进行SAR影像的配准，但是我们在Sentinel-1数据预处理的时候已经完成了影像配准，因此直接对裁剪之后SAR影像进行干涉处理。依据上一步生成的干涉组合进行差分干涉处理，并对主从影像进行复共轭相乘获取原始干涉图。在进行地形相位移除的过程中，需将外部的DEM数据统一至SAR坐标系统，再进行主影像的精配准，最后需要在干涉相位中去除模拟的DEM相位。本文选择AW3D 30DEM来完成这一步处理。同时在这一步会获取相关系数图，相干系数图是衡量主从影像之间的相似程度和干涉图的质量指标。从相关系数图中可知，相关系数越大，则相干性越好，相干性越好，会使得干涉条纹越密集。我们采用64×64的滤波窗口进行滤波处理，达到削弱噪声提高相干性、同时又不会滤掉有用信息的目的。相干系数图是衡量主从影像之间的相似程度和干涉图的质量指标发现相干性得到很大提升，尤其是工作区域相干性保持较好。干涉条纹也比较密集。为获取相关的地貌及地表形变信息，需要进行多次反演，所以反演是SBAS处理过程中的关键步骤之一。在本研究中地形结构紧凑，共需进行两次反演。最后得到形变速率图和时间序列曲线图。

结合光学影像和InSAR时序监测曲线显示来判断解译结果是否为滑坡隐患，通过以上方法解译分析，最后共统计出区域滑坡灾害隐患19处。如图1所示。

图1 研究区滑坡灾害分布图

结论   

本文利用Stacking-InSAR技术对研究区的Sentinel-1升轨、降轨影像进行处理，结合光学影像及Stacking-InSAR结果解译出研究区范围内的崩滑隐患点。通过SBAS-InSAR技术对研究区范围内滑坡隐患点进行处理，获取其时间序列曲线，进一步分析隐患点的形变特征。综合Stacking-InSAR技术、SBAS-InSAR技术及光学影像的结果，共统计出区域滑坡灾害点19处。

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