卫星雷达数据与处理软件在德钦县地质灾害监测中的最优选取研究

2016-06-21牛宗硕

浙江农业科学 2016年6期

关键词：差分数据处理雷达

牛宗硕

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

卫星雷达数据与处理软件在德钦县地质灾害监测中的最优选取研究

牛宗硕

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

摘要：德钦县地质灾害监测项目主要运用的技术手段为合成孔径雷达干涉技术，简称InSAR，该技术具有监测范围广、不受时间空间限制、监测精度高等特点。当前，雷达卫星和处理软件多种多样，根据德钦县地质环境特征，选取合适的雷达卫星和处理软件，是保证地质项目得以顺利实施，取得良好监测结果的重要环节。本文通过对比覆盖德钦县的雷达卫星数据，探讨数据处理软件的优缺点，采用最优原则，分析适合德钦县地质灾害监测的雷达卫星和处理软件。

关键词：地质灾害；雷达卫星；合成孔径雷达干涉技术；差分雷达干涉技术

文献著录格式:牛宗硕.卫星雷达数据与处理软件在德钦县地质灾害监测中的最优选取研究［J］.浙江农业科学，2016，57（6）: 926-930.

德钦县位于青藏高原南延的横断山脉纵谷部位，境内高山峡谷，高差较大；冰峰林立，雪山纵横；构造复杂，地形陡峻。特殊的地质环境特征给该区带来了严重的地质灾害，主要有泥石流、滑坡、崩塌等。地质灾害给德钦县人民造成了极大的威胁，严重制约了城市建设及国民经济的发展。德钦县地质灾害监测项目主要运用合成孔径雷达干涉技术（InSAR），为保证项目实施效果，需遵从“最优原则”，对覆盖德钦县的雷达卫星和数据处理软件进行选择。通过对比多种雷达卫星，分析雷达卫星数据的可用性和最优性，选择适合德钦县的雷达卫星；通过对比多款数据处理软件，分析软件的可行性和实用性，选择适合覆盖德钦县的雷达卫星数据的处理软件。

1 在轨民用雷达卫星简介

雷达卫星是遥感卫星的一种，属于微波遥感卫星，技术原理为雷达干涉原理。雷达卫星的发展始于20世纪70年代，由美国率先进行发射和研究，主要用来进行军事侦察和外星探索。随着该技术的不断成熟和普及，越来越多的国家研究并发射了雷达卫星，雷达卫星的应用也从单一的军事机密领域发展到现在的多个领域。

目前，主要的在轨民用雷达卫星技术参数详见表1。除表中列出的以外，拥有雷达卫星的国家还包括美国、俄罗斯、中国、印度、以色列等，由于这些国家的雷达卫星数据只用于军事或者只限本国使用，所以相关卫星参数不对外公布，因此，不将其作为德钦县InSAR数据选择的备选卫星。

表1　在轨民用雷达卫星技术参数

2 德钦县雷达卫星数据获取

2.1 德钦县雷达数据采集要求

根据德钦县城周边地质灾害可行性研究报告的要求，InSAR数据采集应有以下几点要求:监测范围为德钦县城周边约60 km2；监测时间为2012—2016年，约5期数据，其中，在2013年8月28日的地震前后分别获取2期历史存档数据；空间分辨率要求≤10 m。

2.2 卫星参数对地质灾害监测项目的影响

在卫星选取过程中，除了考虑德钦县地质灾害监测的要求外，还需要对卫星自身的参数进行考虑。

空间分辨要求≤10 m，这是可研报告的要求。一般发射时间较早的卫星精度较低，如欧洲的Envisat卫星，其最大的空间分辨率为10 m，加上其他因素的影响，定会造成精度的降低，达不到技术要求，而且该卫星发射时间早，技术相对落后，不是最佳的卫星选择。

波段波长是影响监测结果的一个重要因素，卫星发射的波段越长，其穿透能力越好。德钦县是一个低纬度、高海拔的地区，夏季植被发育茂密、多云多雾多雨，而且地形多高山峡谷的特征均会导致微波的干涉效果欠佳，所以要尽量选择波长较长的卫星，如日本的ALOS卫星，采用L波段，波长为一般卫星的5～10倍。

中央入射角、重复周期、极化方式是影响编程数据的重要因素。中心入射角越大、越接近正射，干涉效果就越好。重复周期越短，就可以获得越多的景数据，利于差分处理。进行干涉差分处理时，极化方式通常要选择HH方式或者VV方式。

历史存档数据是制约项目数据选取的重要因素，由于德钦县地质灾害监测项目要求在2013年8月28日前后要有2期数据，这就要求卫星在该时间点前后均要有历史存档数据，而且差分处理至少需要两景存档数据。据调查，记录了德钦县历史存档数据的雷达卫星主要有意大利的Cosmo-Skymed卫星、德国的TerraSAR-X卫星、加拿大的Radarsat-2卫星。

2.3 雷达卫星的数据对比

根据以上分析，在考虑德钦县地震时间点的情况下，意大利Cosmo-Skymed卫星、德国的TerraSAR-X卫星、加拿大的Radarsat-2卫星被定为备选卫星。下面，根据卫星的详细信息进行备选分析。

德国的TerraSAR-X卫星。该卫星的历史存档数据为2011年，分辨率为16 m，不符合本项目精度的要求，所以德国的TerraSAR-X卫星不适合本项目的选择。

加拿大的Radarsat-2卫星。如图1所示，加拿大的Radarsat-2卫星有2种不同分辨率的历史存档数据，左侧为3 m分辨率的3景数据，右侧为8 m分辨率的5景数据。要想得到效果较好的差分干涉图，要求卫星的采集模式、中央入射角度、分辨率、轨道、极化方式等参数保持一致。但从图1可以看出，无论是3 m还是8 m分辨率的数据，它们的采集情况都不相同（相同的话则两图框应重合），即在2009年这一期不能进行差分干涉处理，只能选取其中一景与编程数据进行处理。另外，3 m分辨率的数据不能全部覆盖德钦县城；8 m分辨率的数据虽然能够覆盖，但精度较低。另外，存档数据为一景的话，往往不能与编程数据进行差分干涉处理，原因是数据太少，时间过长。综上，加拿大的Radarsat-2卫星不适用于德钦县城的地质灾害监测。

图1　加拿大的Radarsat-2卫星存档数据

意大利的Cosmo-Skymed卫星。意大利的Cosmo-Skymed卫星在德钦县的历史存档数据共有11景，空间分辨率为3 m。2009年降轨数据为5景数据，其中有2组数据为同一参数的存档数据，可用来InSAR处理；2009年升轨数据为6景数据，其中有1组数据为同一参数的存档数据，可用来D-InSAR处理。

综上，意大利卫星存档数据可形成3个干涉组:干涉组合1，升轨，日期分别为2009-09-03和2009-06-07，中心入射角51.12°；干涉组合2，降轨，日期分别为2009-09-14和2009-06-02，中心入射角: 48.08°；干涉组合3，降轨，日期分别为2009-05-31和2009-04-13，中心入射角29.36°。中心入射角过小，会降低数据信号的相干性，不利于InSAR分析，因此建议选择干涉组合3进行研究。

2.4 雷达卫星数据评估与总结

在考虑德钦县地震时间点的情况下，通过对比各卫星，初步确定意大利Cosmo-Skymed卫星较适应于德钦县城地质灾害监测项目。除了数据要求合格以外，数据价格也在预算之内。

意大利的Cosmo-Skymed系统是由4颗雷达卫星组成的卫星星座，每颗卫星拥有一个多模式高分辨率合成孔径雷达。在德钦县城地质灾害监测项目中建议采用的束波模式为条带模式（STRIPMAP）中的Himage成像模式，分辨率3 m，幅宽分别为40×40 km2。采用的产品级别为Level1A产品，单视复斜距SLC（SCS），数据中包含了强度信息和相位信息，用于生成DEM或做差分干涉测量。

但该卫星存在以下缺点。出售该卫星数据的商家比较少，目前，只了解到1家，商家过少不利于对比选优。该卫星采用的是X波段，相对较短，对植被、云雾等条件的穿透能力较差，干涉误差较大，选用时需避开雨季进行数据采集。该卫星的历史存档数据为2009年，按照项目计划，2015年底进行数据编程，相隔6年之久可能会造成干涉效果不佳。

如果不考虑地震时间点，即选用2014年以后的数据，可以采用日本的ALOS卫星，该卫星费用较高，超过预算要求，但其采用长波段L，穿透能力较好，且该卫星无须用户要求，时时刻刻采集数据，较多的景数据易于进行差分干涉处理，相对精度也更高，变形监测效果更好。

3 雷达卫星数据处理软件比选

3.1 德钦县雷达数据处理要求

D-InSAR是在InSAR的基础上发展起来的一项技术，以InSAR复数据提供的相位信息（干涉图）为信息源，采用多幅雷达影像的相位差，通过重复轨道干涉测量的原理消除地形信息从而得到地表形变。根据去除地形信息方法的不同，D-InSAR技术可以分为二轨法、三轨法和四轨法等，德钦县城地质灾害监测项目采用常规的二轨法和三轨法进行数据处理。

二轨法。首先利用同一地区前后2幅影像生成干涉纹图，然后再利用外部获取DEM数据模拟干涉纹图，最后从两干涉纹图中去除地形信息得到地表变化信息。

三轨法。首先利用同一地区三景影像生成2幅干涉条纹图，一幅反映地形信息，一幅反映地表形变信息，然后进行去地平和相位解缠，最后利用差分干涉测量原理计算得到地表信息。

选择合适有效的干涉影像数据集（SLC数据）后，从外部获取DEM数据，以其中一幅影像作为主影像，另外一幅或几幅影像作为从影像，便可以开始干涉测量的数据差分处理。数据处理的过程包括2部分，第一部分是InSAR数据处理，主要包括:影像的配准、影像重采样、干涉图的生成、参考相位（平地相位）的去除、地形相位的去除（D-InSAR处理用到）、干涉图的滤波、相位解缠（三轨法）和地理编码（坐标系统的投影转换）等，得到DEM和干涉图；第2部分是差分处理，经过差分干涉处理、相位解缠（二轨法）、相高转化等步骤，生成形变图。

3.2 常用雷达数据处理软件

目前，InSAR数据处理软件有许多种，有商业的、开源的、试用版的，等等。商业的专门用来处理InSAR数据，有特定的模块，处理方式比较简单，但费用较高；开源的软件需要进行程序编码才能使用，需耗费时间与精力；试用版的软件仅适合个人学习和使用，不适合单位集体的研究。具体分述如下。

Gamma。强大的雷达成像、干涉处理、差分处理软件，拥有DInSAR，PSInSAR及地理编码等专业处理功能，属于商业软件。

SARscape。强大的雷达图像数据处理与分析软件，拥有极化干涉处理模块，属于商业软件。但市面上亦存在盗版。

ERDAS。具有雷达图像数据导入功能，有IFSAR，StereoSAR，OrthoRadar模块，但不是专业的SAR处理软件，属于盗版软件。

ROI-PACK。干涉SAR领域开源中最为强大的软件，属于开源软件。

Doris。面向全球的开源软件，有人专门开发了InSAR/DInSAR等功能，属于开源软件。

3.3 数据处理软件对比

常用的InSAR数据处理中，最常用、且最好用的软件为Gamma和SARscape，下面对其各自特点进行简单介绍。

Gamma。该软件能够从轨道数据中进行基线估计、干涉图像的配准、干涉纹图的生成、相干系数的估计、去平效应、自适应滤波等步骤。如果从外部获得了DEM，可以使用二轨法，利用这个模块模拟干涉纹图，利用干涉纹图进行差分处理就可以消除地形相位的影响。此外，该软件还具有永久散射体分析模块，可针对特定目标点的相位进行分析，达到高精度误差分析。

SARscape。ENVISARscape软件是在ENVI遥感图像处理软件的基础之上研发的，功能主要包括:雷达干涉测量、雷达强度图像处理、极化雷达干涉测量。支持多种雷达产品数据和原始数据，提供SAR数据的数据导入、基线估计、多视处理、几何校正、辐射校正、去噪影像、地表变形分析等基本功能；同时，支持极化SAR和极化干涉SAR数据的处理等功能，处理结果可以达到mm级的位移。

3.4 数据处理软件评估与总结

Gamma，SARscape这2款软件都可以进行InSAR数据处理，相比起来，Gamma更加专业，功能更加强大，操作简单，但费用较高，国内拥有授权的公司很少。SARscape软件正式版费用较高，与Gamma软件功能大体相同，但是该软件有试用版，适合个人学习和研究。这2款软件的主要区别是操作系统不同和处理效率不同: Gamma主要使用的操作系统为Linux系统，处理方式为输入命令进行处理，可以进行批量处理；SARscape采用的是Windows操作系统，数据处理采用可视化窗口模式，处理速度较慢，不能进行批量处理。据此，建议综合使用Gamma软件和SARscape软件来进行数据处理，Gamma软件负责批量处量，SARscape软件负责个人学习和研究。

4 小结

德钦县地质灾害监测工作若要顺利开展，势必在设计阶段对收集到的雷达卫星资料进行分析和评估，为监测项目的顺利实施提供理论参考和技术依据，为该项目的立项奠定可行性基础。结合选取的雷达卫星和处理软件，采用D-InSAR技术能够快速获取德钦县地表形变区域内的地表形变信息，能够满足对地表形变引起的泥石流的监测要求。通过比选，初步确定意大利Cosmo-Skymed卫星为德钦县地质灾害监测的初选卫星数据，Gamma为初选软件。

参考文献:

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（责任编辑：高峻）

中图分类号：P694

文献标志码：A

文章编号：0528-9017（2016）06-0926-04

DOI：10.16178/j.issn.0528-9017.20160642