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《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第2-1期
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InSAR 在山体滑坡监测中的应用
InSAR processing for the recognition of landslides
(1.中国地质大学北京;2.中国国土资源航空物探遥感中心)
段建华
veteran1
田丰
admonish
2
DUAN Jian-hua TIAN Feng
摘要：合成孔径雷达干涉测量法(InSAR)是一种被广泛接受的监测地表形变的方法。这种方法在一些具有特定特征的地方应
用非常成功，比如：有足够的散射体，坡度比较缓，植被变化比较慢等的地方。我们研究了两种不同的测量技术，结果表明他们能很好的测定我国四川郧阳县的山体滑坡，并且测定数据与通过地学测量法获得的数据相吻合。研究结果证明了合成孔径雷达干涉测量在山体滑坡和地壳表面运动的探测中具有非常大的潜力。关键词:InSAR；山体滑坡；地表变形中图分类号:TP755.1文献标识码:A
Abstract:Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR)is an established method for the dete-ction and monitoring of earth sur -face process.This approach has been most successful where the obrved area fulfills specific requirements,such as sufficient backscattering,flat slope grad-ients or very slow changes of vegetation.We investigated the capability of two different InSAR tech -niques and achieved good results for the recognition of landslides in YunYang that compared well with geodetic derived movement rates.This demonstrates the strong potential of SAR Interf-erometry for the detection of landslides and earth surface movements.Key words:InSAR;landslide;earth surface
movements
文章编号:1008-0570(2010)02-1-0022-02
1引言trot
山体滑坡是最危险的灾难之一，每年都导致大的死亡。通常山体滑坡每年引起的死亡和经济损失是地震的两倍，据有关资料统计显示，滑坡灾害已成为威胁人类生存的主要自然灾害之一。所以对滑坡灾害的防治显得尤其重要，我国专门颁布了灾害防治法。就目前而言，从技术和经济等方面综合考虑，有些滑坡灾害是可以治理的或是必须治理的，像长江的链子岩滑坡；有些是治理不了的，像蔗头山中段滑坡等，对这些滑坡灾害只有采取监测，对监测数据进行处理，根据处理结果及时进行预测预报，将灾害损失尽可能减少到最小。对滑坡灾害的监测手段很多，仪器也很先进，像GPS 监测系统等；对监测获取的数据处理和预测预报方法，目前也很多，像经验公式法…。
2合成孔径雷达干涉测量
2.1基本原理
近年来，来自遥感系统尤其是来自主动遥感系统(比如雷达)数据的使用变得越来越重要，因为合成孔径雷达是一种具有强穿透力以及全天候观测的遥感检测工具。自从欧洲航天局分别在1991年7月和199
5年4月发射多功能地球遥感卫星ERS-1(European Remote Sensing Satellite-1)和ERS-2后，我们可以获得广泛区域的高精度的SAR(Synthetic Aperture Radar)图像，合成孔径雷达干涉测量(InSAR Interferometry)的主要应用有两个方面，一个方面是生成数字高程图DEM (Digital Elevation Mod －els)，另一方面是检测地面水平和垂直方向的位移，比如地震。
在SAR 对同一地区的两次观测中目标和天线之间的几何关系发生了变化，两次观测时天线之间的距离称之为基线,P 点吊带衫 英文
的向下位移导致了第二次观测时的一个距离的变化，引起了雷达信号中相位的位移。第三次观测时为了获取P 点的高度采用了更大的基线。
图1目标与天线之间的几何关系图
图2InSAR 处理流程图
段建华：博士研究生
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图2中双航法中的差分干涉图是由DEM 与主图像的干涉图和主图像与辅图像的干涉图差分得到的，而三航法中差分干涉图是由主图像与辅图像的干涉图和幅图像与第三幅图像的干涉图差分得到的。三航法中第三幅图像采用比主图像更大的基线。差分干涉图要经过滤波和解缠才能得到地表的位移数据。
通常同一地区的两景SAR 数据可以生成干涉纹图，干涉纹图是由两幅图像的相位差异得到的，而这些相位差异正是地面高程或者位移的体现。典型的SAR 几何关系图中为了发掘地面的变化主辅两幅图像之间有一个短的基线如图1所示。两幅图像之间能够有很好的相干性的首要条件是地面有很好的反散射性。相关系数是两幅图像相关性的量度，反映两幅图像中对应像素点的相关性。相干系数越高最后的差分干涉图越好。
SAR 卫星(ERS-1/2,ENVISAT and RADARSAT)使用的主要雷达波是C 波段，频率是5.3GHZ，波长是5.6CM 。日本的卫星JERS 和ALOS 使用L 波段，频率是1-2.6GHZ 。德国的雷达卫星TerraSAR —X
使用X 波段，频率是8.2-12.4GHZ 。雷达波的频率越高其穿透力就越低，另外这种穿透力也与监测物表面的粗糙程度和湿度有关。与L 波段和X 波段相比,C 波段对树木、矮灌木的穿透力和对土壤的反散射特性的处理能力都表现的比较好。InSAR 采用双航法、三航法，还是很多的图像来处理依赖于卫星的环绕周期。ERS -1/2,ENVISAT 的环绕周期是35天,RADARSAT 的环绕周期是24天。InSAR 处理过程的时间间隔受到相干性的限制，而相干性与植被的生长周期和生长速度有关。
对于SAR 数据处理的其他的限制因素是图像数据之间的正交基线的长度。Gens(1998)描述了ERS 基线的空间分布。基线在150米到300米之间是非常适合生成DEM 。基线在30米到70米之间是非常适合监测地表变化的。基线小于30米非常适合监测地面运动。这些数据同样也适合与EVNISAT，因为EVNISAT 和ERS 使用相同的波长。
2.2处理方法
图像的选择对于干涉测量法最后的处理结果具有很大影响。选择的标准应该根据研究对象而定。起限定作用的因素是传感器的类型和图像的有效性。基线在时间、空间上的分布和地形特征也是影响数据处理的重要因素。通过选择上升或者下降的雷达轨道可以减少地面斜坡对测量结果的影响。数据处理的第一步是两幅SAR 图像的配准。只有当图像的配准完成后，才可能通过像素点相位值的相乘得到干涉图和相关系数。精确的轨道参数和DEM 数据可以作为处理过程中的输入参数。多次滤波可以减少系
统或者处理噪声，提高图像的质量。之后通过相位解缠我们可以得到干涉纹图。这种处理方案称之为双航发。DEM 数据可以被采用更长基线的第三幅图像取代，由辅图像和第三幅图产生干涉纹图。三航法最后的结果是差分干涉纹图。
3InSAR 技术在山体滑坡中的应用
我们一般使用ERS-1和ERS-2的图像进行处理。在双航法的处理过程中我们把研究地区的DEM 作为一个输入数据。在多数三航法中为了获取从SAR 几何关系中获取高度模型，我们采用ERS-1和ERS-2并行飞行的姿态，并且他们之间基线也比较长。在带有预警系统的地理信息系统中两种类型的DEM 数据源对于数学建模和功能分析都非常有用。
3.1宝塔山体滑坡
InSAR 的研究目标是宝塔山体滑坡。宝塔是在郧阳市附近，郧阳市位于三峡库区，三峡大坝上游223公里，扬子江左岸。宝塔山体滑坡发生在1982年7月18日，是由百年一遇的大雨和洪水引发的。230万立方米的泥石流进入扬子江。有4000人生活在这个地方。发生山体滑坡区域长1900米宽450米至1000米。平均坡度是15度，山体滑坡的平均厚度是70米。
(a)(b)
图3相干系数图和干涉图
我们能够从欧洲航天局获取的该地区的ERS-1/2的数据比较少。所以只能采用双航法来处理。主图像来自ERS-1的，时间是1996年7月1日，辅图像来自ERS-2，时间是1996年1月7日，两图像的大小是2979*23424，正交基线是23米。因为两幅图像植被生长周期不同和该地的地势非常陡峭使得InSAR 处理过程中的一些输入参数需要进行人工修正。在图3(a)中能够看到由于土壤和植被表面的后向反射属性不同导致相干系数的差异很大。图3(a)中点的亮度越高相干性越好反之亦然。
干涉图的颜色变化反映了6个月(1996.1.7-1996.7.1)内时间的不同引起的地表变化。一个颜色变化周期称之为条纹宽大概是5毫米。从雷达传感器的角度来看斜坡中部的最大位移达到14毫米，斜坡底部的累积位移是3-5毫米。
1997年我们在发生山体滑坡的地区建设了GPS 陆地地形网络，该网络包括5个稳定的控制点和12个监控点。1997年通过GPS 和DEM 我们对该地区进行了3次测量，根据1997年1月和10月的测量结果，在这10个月期间斜坡中部的位移是10-25毫米，累积位移5-11毫米。通过1996年双航法的InSAR 结果与1997的观察结果比较显示斜坡的线性运动趋势和GPS 的测量结果是一致的。
4结论
madthumbs通过InSAR 测量数据和GPS 测量数据的比较，显示InSAR 能够对山体滑坡和地表运动进行检测。InSAR 检测的宝塔斜坡的运动速度也与GPS 的检测数据很好的吻合。比较InSAR 和GPS 的测量结果显示，如果目标地区满足特定条件包括很好的向后散射特性，地势比较平坦，变化比较缓慢的话,InSAR 是非常强大的检测地表形变的工具。参考文献
公共英语证书
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(1)试验条件：外场，坚硬的平地上;(2)环境：气温33摄氏度，风速3级;(3)噪声：环境噪声较小，比较安静；试验结果如表1所示。
表1节点距离的试验结果与实际值的对比
结果分析：由表1可以可知，实际坐标为(0,0),(8.65,0),(6.11,5.13)，推出节点2和节点3的实际坐标与计算坐标相差的距离绝对值分别为0.08m 和0.032m 。相比于节点间距离的误差
0.08m,0.03m,0.03m 来说相差不大。
可见多个距离计算坐标有利于减小测距的随机误差，由此可预见采用更多的节点利用最大似然估计法
可以得到更高的定位精度。
6总结
基于通信系统的硬件电路设计和通信协议的，实现了网络节点间的命令和数据传输；通过定位的算法和演示程序，由所测得的距离实现了全方向的节点的自定位；由上位机控制程序控制网络中心节点，通过无线通信和超声波测距实现了自定位，并且通过试验验证了系统的功能，结果表明，该系统能满足预定的要求。
本文作者创新点：建立了超声波测距模型，并完成了定位系统的全面设计。参考文献
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作者简介：李萍,(1974-)，女，博士研究生，主要研究方向为武器系统信息化。
Biography:LI Ping,(1974-),female,PH.D graduate,her rearch is weapon information system.
(102208北京96656部队)李萍胡秋霞安连帅(100073二炮装备研究院)石松涛(100073二炮档案馆)魏凤梅
通讯地址:(102208北京昌平回龙观96656部队)李萍
(收稿日期:2009.02.10)(修稿日期:2009.05.10)
(上接第23页)
[6]Werner,C.,Wegmueller,U.,and Strozzi,T.:Processing strate －gies for pha unwrapping for INSAR applications,Procs.EUSAR Conf.,Cologne,Germany,4–6June 2002,353–356,2002.
作者简介：段建华男1979.2生，汉族，山西五台人，中国地质大学(北京)地球科学与资源学院博士研究生，研究方向为：地图制图学与地理信息系统。
Biography:DUAN Jian -hua (1979-),Male (Han),Wutai in Shanxi,doctoral student in China University of Geosciences (Bei -jing),mainly engaged in image processing rearch.
(100083北京中国地质大学地球科学与资源学院)段建华(100083北京中国国土资源航空物探遥感中心)田丰蜜雪儿英文
通讯地址:(100083北京中国地质大学(北京)地球科学与资源学院)段建华
(收稿日期:2009.02.17)(修稿日期:2009.05.17)
(上接第30页)
(1)应用本文提出的网络拓扑法建立的网络拓扑关系，便可很容易地形成活岛内的支路和母线的连接关系。
(2)动态拓扑着色是根据开关的开合状态和设备的连接关
系确定设备的带电状态。实际上就是判断各电气岛是活岛(电气岛上存在发电机或等值电源等设备)，还是死岛。属于活岛的设备处于带电状态，否则就处于失电状态。利用该拓扑法可方便地找出10Kv 电网的电气岛，并确定是活岛，还是死岛。
4结论
论文研究了基于SVG 的电网图模一体化技术，采用基于矢量坐标位置和节点融合的拓扑分析方法，建立拓扑算法模型。应用C#语言开发了拓扑分析程序，并应用于10Kv 电网故障定位、隔离与恢复系统中的故障定位矩阵生成、故障恢复操作的校核和设备的动态着色中，在实践中取得了很好的效果。
本文作者创新点：利用SVG 技术实现10Kv 电网图模一体化，提出了10Kv 电网的拓扑生成方法，并应用于10Kv 电网系统中的故障定位矩阵生成、故障恢复操作的校核和进行设备的动态着色。参考文献
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作者简介：郑贵省(1975-)，男(汉族)，博士，副教授，研究方向为电
力电子与电力传动。
Biography:ZHENG Gui-xing(1975-),Male,HeNan Province,As -sociate professor of the Academy of Military Transportation,Ori -entation of study :electric power electron and power drive.(300161军事交通学院)郑贵省赵锐于波白丽娜康建华(The Academy of Military Transportation,Tianjin,300161,China)ZHENG Gui-xing ZHAO Rui YU Bo BAI Li-na KANG Jian-hua
通讯地址:(300161天津市军事交通学院计算机教研室)郑贵省
(收稿日期:2009.02.04)(修稿日期:2009.05.04)
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