合成孑L徑雷達干涉測量技術及鐵路工程應用分析

合成孑L徑雷達干涉測量技術及鐵路工程應用分析
摘要：研究目的：介紹合成孔徑雷達干涉測量新技術的原理、干涉數(shù)據(jù)幾何模式、數(shù)據(jù)處理流程、高程干涉測量 和形變差分干涉測量方法；比較雷達干涉測量技術與當前常用的數(shù)字高程模型生產(chǎn)方法，分析鐵路地質(zhì)災害 監(jiān)測與青藏線多年凍土區(qū)形變長期監(jiān)測應用星載合成孔徑雷達差分干涉測量技術的潛力。 研究結論：(1)與常用的DEM生產(chǎn)方式相比較，合成孔徑雷達干涉測量技術具有一些獨特優(yōu)勢，適合快 速獲取各種范圍、高精度、高分辨率的DEM；(2)在鐵路勘測設計DEM獲取、鐵路地質(zhì)災害遙感監(jiān)測和青藏 線多年凍土區(qū)形變測量等方面應用潛力巨大，建議鐵路工程部門開展該技術的應用研究。

1 概述 近年來迅速發(fā)展的合成孔徑雷達(SAR)干涉測量 技術，提供了獲取地面三維信息的全新方法 。自歐 空局發(fā)射ERS一1／2衛(wèi)星以來，由于兩衛(wèi)星前后串接 可以提供僅有一天時間問隔的雷達干涉數(shù)據(jù)，大大推 進了雷達干涉測量的研究和應用 。2000年，由美國 國家航空航天局組織的“航天飛機雷達地形測圖”項 目采用航天飛機雷達干涉測量技術測制全球的三維地 形。這是人類歷史上第一個在太空對全球進行三維地 形成像的雷達系統(tǒng)，標志著空間遙感技術進入從二維 信息獲取到三維信息獲取的新階段。雷達干涉測量從 而也被認為是實現(xiàn)數(shù)字高程模型(DEM)獲取最為重 要的當代遙感技術發(fā)展成果之一。當前，國內(nèi)最重要 無人區(qū)測圖工 程”，它將在部分區(qū)域應用航空機載雷達干涉測量獲 取DEbl和青藏線勘測設計過程中對昆侖山南部活動 斷裂和地震變形帶進行衛(wèi)星雷達遙感干涉測量。當 前，隨著國內(nèi)外雷達干涉測量技術應用的蓬勃發(fā)展，鐵 路工程部門應用雷達干涉測量這一新技術成果是發(fā)展 的必然趨勢。

2 合成孔徑雷達干涉測量技術 干涉測量是利用復數(shù)雷達數(shù)據(jù)中含有的相位信 息，通過干涉處理來提取地球表面地形的三維信息。 其基本原理是：利用雷達傳感器的2副天線同時成像 或1副天線相隔一定時間重復成像，獲取同一區(qū)域的 復雷達圖像對。由于2副天線與地面某一目標之間的 距離不等，使得在復雷達圖像對同名像點之間產(chǎn)生相 位差，形成干涉條紋圖，干涉條紋圖中的相位值即為 2次成像的相位差測量值，根據(jù)2次成像相位差與地 面目標的三維空間位置之間存在的幾何關系，利用飛 行軌道的參數(shù)，即可測定地面目標的三維坐標。
2．1 干涉模式 根據(jù)搭載平臺和使用條件的不同，獲取雷達干涉 數(shù)據(jù)有3種模式：交叉軌道干涉、沿軌道干涉和重復軌 道干涉。
2．1．1 交叉軌道干涉 交叉軌道干涉模式要求2副天線安裝在同一平臺 上同時獲取數(shù)據(jù)，多用于機載系統(tǒng)。它的優(yōu)勢在于精 度高而且機動性能好。其干涉幾何如圖1所示，飛行 平臺上2副天線的安裝位置與飛行方向垂直。在該模 式下，干涉相位差是由于地面目標的高度變化引起的， 所以主要用于地形制圖和地形變化監(jiān)測。2000年的 航天飛機雷達全球測圖計劃由裝載在航天飛機上的雷 達主天線和從航天飛機上伸出的60 m的伸縮桿頂端 的外部天線一起構成了交叉軌道固定基線距離的干涉 測量系統(tǒng)。
2．1．2 沿軌道干涉 沿軌道干涉模式與交叉軌道干涉模式一樣，都要 求在同一平臺上安裝2副天線，因此目前也主要適用 于機載系統(tǒng)。沿軌道干涉的幾何表示如圖2所示，此 時2副天線沿飛行方向相隔一段距離。這種模式下得 到的相應像素的相位差是因測量期間目標的運動產(chǎn)生 的，因此它適用于對運動的目標進行監(jiān)測。
2．1．3 重復軌道干涉 重復軌道干涉模式只需要安裝1副天線，它采用 經(jīng)過近乎相同的軌道，以微小的幾何視差對同一地區(qū) 圖1 交叉軌道干涉模式 圖2 沿軌道干涉模式 徑 路徑 成像2次的方法來獲取數(shù)據(jù)。這種方法需要對飛行軌 道進行精確定位。衛(wèi)星比飛機受大氣的影響小，通常 具有更精確和穩(wěn)定的飛行軌道，因此該模式最適于航 天或星載干涉系統(tǒng)。 由于當前在軌的星載雷達系統(tǒng)都僅裝載一副天 線，故已有的星載雷達干涉測量研究大都采用重復軌 道干涉模式。星載重復軌道干涉的優(yōu)勢在于能夠快速 獲取大范圍或全球范圍的干涉數(shù)據(jù)。目前，這種方法 已成功地應用于歐空局ERS一1／2組成的雷達干涉系 統(tǒng)中。日本和美國也成功地應用該干涉模式進行了干 涉測量的應用研究，并取得了很好的效果。其干涉幾 何如圖3所示。

2．2 高程干涉測量 雷達干涉測量可以用來提供大范圍的高精度數(shù)字 高程模型。圖3顯示了衛(wèi)星重復軌道干涉模式成像幾 何關系。設O。和O：是衛(wèi)星2次對同一地區(qū)成像的天 線位置，2次位置之間的距離曰稱為基線距�；�線曰 可分解為水平分量B 和垂直分量B。；也可分解為平 行人射方向的分量曰∥和垂直入射方向的分量B。。某 一地面點的高程為z，O。和O：到地面點的距離分別為 r。和r 。則該地面點在2副SAR復圖像中的相位分 別為： 4"rrr1 = ÷ A r2l 6 圖3 重復軌道干涉模式 咖：2：= (2) 式中A——雷達信號的波長。 由式(1)和(2)可得2次測量的相位差 為： = (r2-rI)= r (3) 式中 ——路徑差。 式(3)反映了2次雷達成像的相位差與雷達信號 到地面目標信號路徑差的關系，等式左邊的2次測量 相位差 可以通過由2副復圖像生成的干涉條紋圖 來求得。 假設雷達對地觀測視角為0，基線距與水平方向 的夾角為 ，即基線傾角。根據(jù)余弦定理可得： r2：(r1+ ) =r +B 一2r1Bcos( "iT一0+ ) ：r +日 2r Bsin(0一 ) (4) 因為6r<<r ，故( ) 項可忽略，由式(4)整理可 得： 6r-~Bsin( )+ (5) 考慮日《r ，式(5)可以再次近似，忽略等式右邊 的第二項 ，可得： zrl 一Bsin(0一 )=B／／：B sin0一B cos0 (6) 式中日 為基線距的視線向分量，也可用基線水平 分量日 和垂直分量日 及本地入射角0表示。顯然， 上式中sin(0一 )可以從干涉距離差和基線長度推導 出。 由式(3)和(6)可得： = A ： A n( 一 )= A 日∥ = (B sin0一B cos0) (7) 即： in-I(器)+ (8) 式(8)右邊的各變量A、 、B和 均可由復數(shù)圖 像對的干涉條紋圖和衛(wèi)星參數(shù)計算得到，則視角0可 以確定。由成像幾何圖可知點Z( ，Y)的高度為： z( ，Y)=H—r1 cos0 ： H [cos 而一 si ·sin(0一 )] (9) 式中 飛行高度，可由衛(wèi)星的軌道參數(shù)獲得。 實現(xiàn)地形高度測量的數(shù)據(jù)處理過程主要包括相位 差確定、基線確定和地面高度確定3個部分，具體流程 如圖4所示。
主要包括：(1)復圖像的配準；(2)干涉 圖的生成；(3)用軌道參數(shù)法或控制點法測定基線； (4)相位解纏；(5)地形高度確定。 對于重復軌道干涉模式而言，由于2次成像獨立 進行，不能保證生成的2個二維復圖像中同樣位置的 像素對應于地面上的同一點，因此處理前需要進行 2幅復圖像的配準。2幅復圖像配準完成后，將其中一 幅圖像的各像素與另一幅圖像中的對應像素進行共軛 相乘，可得到相應的干涉條紋圖。干涉條紋圖中的相 位包括2個部分：一部分是地形的相對高度變化產(chǎn)生 的相位；另一部分是由平地效應產(chǎn)生的平地相位。平 地相位可以通過對干涉條紋圖乘以復相位函數(shù)來消 除，從而使干涉紋圖只留下第一部分的相位。但由于 干涉條紋圖中與地面位置直接相關的相位差測量值是 以2w為模的相位主值，也稱包纏相位，為了計算每一 點的高程，必須給每一個相位測量值加上整數(shù)倍的相 位周期以獲得相位差的原值。求解2w模糊性以獲得 絕對相位差問題，即相位解纏。常用的相位解纏方法 有枝剪法、條紋檢測法和最小二乘法等。相位解纏后， 結合確定的軌道和幾何等系統(tǒng)參數(shù)，依據(jù)前述計算式 逐點計算即可獲得成像區(qū)域的DEM。 SAR復數(shù)圖像1f ISAR復數(shù)圖像2 相 位 差 確 定 竺 困 一二—平相—地位二相噪1匕聲位—消抑一除制 j — T}I ’ l 計算高度 f—————_J 生成DEM 地理編碼 圖4 SAR干涉測量數(shù)據(jù)處理流程

2．3 差分干涉測量 合成孔徑雷達差分干涉測量方法是在上述高程干 涉測量的基礎上發(fā)展起來的。它是利用復雷達圖像的 相位差信息來提取地面目標微小地形變化信息的技 術。在忽略大氣影響、內(nèi)部時鐘漂移等因素的情況下， 只要雷達觀測期間地表的后向散射特性基本保持不 變，則由干涉數(shù)據(jù)處理生成的干涉圖通常包含如下信 息：(1)相對軌道位置所引起的傳播路程差；(2)地形 所引起的立體路程差，同基線距有關，可通過數(shù)字高程 模型或另一幅干涉圖消除地形影響；(3)數(shù)據(jù)獲取時 地表形變所引起的路程差，每個干涉條紋相當于沿雷 達視向半個波長的位移量。如果能夠消除掉前兩方面 的信號，那么剩下的第三個因素產(chǎn)生的干涉條紋可用 來監(jiān)測地表動態(tài)變化。根據(jù)消除地形效應所采用的方 法不同，差分干涉測量可分為2類：基于DEM模擬條 紋和基于生成的從干涉紋圖的差分測量。具體應用 時，后面的一類還可細分為三視、四視方法。但兩類方 法在基本原理上，并沒有太大的差別。
差分干涉測量的實現(xiàn)步驟從整體上可以分為兩大 步：(1)將地表形變前、后的兩幅聚焦雷達圖像配準， 共軛相乘，生成主干涉圖；(2)利用生成的地表形變前 的干涉圖或DEM模擬干涉圖，再在主干涉條紋圖中減 去生成的模擬條紋圖，消除地形影響，則最后得到的干 涉條紋圖只包含地表形變信息，即地表形變檢測圖。 具體流程可參見文獻[3]、[4]。 差分干涉測量的相位變化對地表形變遠比對地形 高程變化更為敏感，這也正是雷達差分干涉測量能從 幾百千米的高度上獲得毫米至厘米級的地表三維形變 的主要原因。如歐空局ERS一1／2干涉數(shù)據(jù)，1 m的高 度變化可產(chǎn)生4．3。的相位差，而1 m的地表形變量卻 對應12 800。的相位差，約是前者的3 000倍。也就是 說，如果要求變化檢測的精度達到厘米級，提取的或其 它渠道獲得的DEM數(shù)據(jù)，只要達到30 In的精度就足 夠滿足要求。當?shù)匦胃叱踢_到米級精度時，對形變測 量能達到厘米至毫米精度。 當前，雷達差分干涉測量技術已成為空間觀測地 表形變的重要研究工具。這種技術對動態(tài)變化的高靈 敏度、高空間分辨率及寬覆蓋率，使得這種技術在探測 地表形變方面具有一些無可比擬的優(yōu)越性。近年來， 隨著國際上雷達干涉測量研究與應用蓬勃開展，雷達 差分干涉測量已成功應用于地震、火山、滑坡和地表沉 降引起的形變測量和監(jiān)測研究中 -6]O但是至今為 止，鐵路遙感技術應用部門對該技術了解較少，相關應 用更少 。

3 雷達干涉測量鐵路應用
3．1 DEM 生產(chǎn) 數(shù)字高程模型(DEM)是鐵路綜合勘測設計一體 化和實現(xiàn)數(shù)字化鐵路最為重要的基礎數(shù)據(jù)之一。目 前，生成DEM常用方法有以下幾種(表1)。 表1 DEM 生產(chǎn)方式比較 生產(chǎn)方式 DEM的精度 速度 成本 更新程度 應用范圍 地面測量 非常高／cm 耗時 很高 很困難 小范圍區(qū)域、特別的工程項目 航空攝影測量 比較高／(cm～m) 比較快 比較高 周期性 大的工程項目 衛(wèi)星遙感立體像對 低～中／m 很快 低 很容易 國家范圍乃至全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集 GPS 比較高／(cm～m) 很快 比較高 容易 小范圍、特別的項目 地形圖手扶跟蹤數(shù)字化 比較低(圖上精度 比較耗時 低 0．2～0．4 mm) 周期性 國家范圍內(nèi)以及軍事上的數(shù)據(jù)采集， 地形圖屏幕數(shù)字化 比較低(圖上精度 非�？� 比較低 中小比例尺比形圖的數(shù)據(jù)獲取 0．1～0．3 mm) 雷達干涉測量 中～高／(on～m) 很快 比較高 容易 高分辨率、各種范圍
3．1．1 立體像對數(shù)字攝影測量 航空、航天攝影測量(主要是指航攝相片和遙感 影像立體像對)一直是鐵路勘測設計過程中各種比例 尺地形圖測繪和更新最有效也是最主要的手段，其獲 取的立體像對是高精度大范圍DEM生產(chǎn)最有價值的 數(shù)據(jù)源。
3．1．2 地形圖數(shù)字化采集 這種方式DEM的高程精度主要取決于地形圖的 高程精度，但生產(chǎn)中地形圖可能會存在覆蓋范圍不夠、 地圖高程數(shù)據(jù)精度低和地形圖等高線模糊等問題。另 外這種方式難以滿足現(xiàn)勢性要求。在發(fā)展速度快的地 區(qū)，由于土地開發(fā)利用使得地形地貌變化劇烈而且迅 速，既有地圖往往不宜作為DEM的數(shù)據(jù)源。
3．1．3 地面實測方式 用全站儀或經(jīng)緯儀、激光測距儀、全球定位系統(tǒng) GPS在野外進行觀測獲取地面點數(shù)據(jù)，一般用于小范 圍大比例尺(一般大于1：2 000)的數(shù)字地形測圖。 以地面測量的方法直接獲取的數(shù)據(jù)能夠達到很高的精 度，常用于有限范圍內(nèi)各種大比例尺高精度的DEM建 模。然而，由于這種數(shù)據(jù)獲取方法的工作量很大，效率 不高，加之費用高昂，并不適合于大范圍的鐵路帶狀地 形數(shù)據(jù)采集任務。 這幾種DEM生產(chǎn)方式中，數(shù)字攝影測量和地形圖 數(shù)字化的方法是大規(guī)模DEM采集最為普遍采用的 2種方式。 與上述常用的DEM生產(chǎn)方式相比較，合成孔徑雷 達干涉測量數(shù)據(jù)被認為是快速獲取高精度、高分辨率 DEM最有希望的數(shù)據(jù)源。干涉雷達測量的優(yōu)勢是能 夠全天候、全天時、快速、全數(shù)字化地獲取大面積地面 的精確三維信息，空間分辨率高，對大氣和季節(jié)的影響 不敏感，特別適于難以獲取光學遙感影像、環(huán)境惡劣和 森林面積覆蓋較廣的地區(qū)地形測量以獲取DEM。從 技術發(fā)展來看，進行地形測量以建立高精度的DEM是 自雷達干涉測量技術研究和應用以來的主要應用領 域，數(shù)據(jù)處理流程經(jīng)過多年的研究已經(jīng)成熟可用于生 產(chǎn)。如作者采用西藏瑪尼地區(qū)的ERS一1／2重復軌道 串行干涉模式數(shù)據(jù)進行處理，成功提取出試驗區(qū)的 DEM，與1：l0萬地形圖比較，均方根誤差為17．6 in。 圖5(a)為雷達圖像強度圖，圖5(b)為生成的干涉條 紋圖，圖5(c)為生成的DEM暈渲圖。

3．2 鐵路地質(zhì)災害監(jiān)測 雷達差分干涉測量技術能以厘米量級甚至更小尺 度測量地表形變，這對于進行鐵路地質(zhì)災害研究具有 非常重要的意義。地質(zhì)災害通常可以分為兩大類：漸 變型和突發(fā)型。突發(fā) 地質(zhì)災害，由于在極短的時間 內(nèi)發(fā)生，一般很難進行監(jiān)測。然而，突發(fā)性地質(zhì)災害發(fā) 生之前一般都先要經(jīng)歷較小的地表形變或塊體蠕動過 程。因此，對漸進式的蠕變和塊體運移進行監(jiān)測對于 (a)雷達圖像強度圖 (b) r涉條紋 ≯I ≤≯一 0 0 _：。0 黲l1≯ ： (( ) DEM暈演【冪 圖5 SAR干涉測量試驗處理圖像 地質(zhì)災害的識別、預警和防止具有決定性的意義 。 地質(zhì)災害的發(fā)生和斜坡緊密相關。斜坡地塊運動 速率變化從每年幾毫米或幾厘米的緩慢蠕動，到每天 1．5 m的快速運動，直到每秒鐘幾十米的極快速運動。 而雷達差分干涉測量技術已被國際上諸多研究實踐證 明，它在測量地表形變位移量，監(jiān)測地面動態(tài)變化方面 具有無可比擬的優(yōu)越性�，F(xiàn)在國內(nèi)外已有很多這方面 的應用研究實例。

3．3 青藏線多年凍土區(qū)形變監(jiān)測 青藏鐵路線多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性問題是關系到 青藏鐵路能否長期安全運營的關鍵問題。路基變形監(jiān) 測是判斷和分析路基穩(wěn)定性最為直接的手段。眾所周 知，在青藏高原這種特殊困難的自然地理環(huán)境條件下， 測厚儀| 測速儀| 轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀| 開展地面工作極其困難。青藏線格拉段經(jīng)過的高原多 年凍土區(qū)，自然條件極其惡劣、沿線人煙稀少、高海拔、 低氣壓、高寒缺氧，生產(chǎn)、�；顥l件差，交通不便、給氧 困難。而且，在此環(huán)境中長期生活和工作的人易患多 種高原疾病。在這種條件下，采用傳統(tǒng)的地面現(xiàn)場測 量方法對多年凍土區(qū)路基變形進行長期監(jiān)測需要克服 上述提到的種種困難，工作難度和工作量之大可想而 知。因此，探索多年凍土區(qū)路基變形監(jiān)測從傳統(tǒng)的定 點定時、人工操作、地面測量，向無人值守的從空間進 行長期連續(xù)監(jiān)測轉變，這對于青藏線多年凍土區(qū)特殊 困難環(huán)境下的變形監(jiān)測工作而言，具有非常重要的現(xiàn) 實意義。能否采用空間對地觀測技術進行自動、定期、 連續(xù)、長年的路基形變監(jiān)測，是當前擺在鐵路工作者面 前需要研究的新課題。 雷達差分干涉測量方法為這一技術實現(xiàn)提供了可 能。青藏高原多年凍土區(qū)特殊困難的自然地理環(huán)境， 盡管給傳統(tǒng)的地面現(xiàn)場測量方法進行路基形變長期監(jiān) 測帶來很大的困難。但相對于空間遙感技術應用而 言，青藏高原獨特的自然條件卻為遙感技術的應用提 供了最廣闊的有利空間，是開展空間雷達干涉測量應 用的極好“試驗場”。采用空間差分干涉測量方法無 需建立地面觀測站，可徹底改善形變觀測條件，同時大 大提高觀測效率，減少觀測費用，技術上具有巨大的潛 在經(jīng)濟效益。因此，研究應用該方法進行多年長期連 續(xù)監(jiān)測多年凍土區(qū)發(fā)生的地表形變及由此引起的路基 變形，具有極其重要的意義。

4 結論 雷達干涉測量可應用于我國鐵路建設的以下幾 方面：
(1)對一些難以獲得光學遙感圖像的現(xiàn)勢性要求 較強的地區(qū)、林木繁茂的森林覆蓋地區(qū)和環(huán)境惡劣的 西部地區(qū)(如青藏高原地區(qū))，可采用雷達干涉測量方 法建立DEM，為鐵路新線選線提供基礎的地形資料。 至今，鐵路勘測設計相關部門尚未采用該技術獲取地 形資料。隨著國內(nèi)外雷達干涉測量技術應用的蓬勃發(fā) 展，鐵路部門將采用雷達干涉測量這一新技術作為獲 取DEM的途徑之一是必然趨勢。
(2)雷達差分干涉測量技術能以厘米量級甚至更 小尺度測量地表形變，可用于大面積的地表微小形變 測量，這對于進行鐵路地質(zhì)災害研究具有重要的研究 意義，可為地質(zhì)災害遙感提供新的信息源和新的研究 手段。
(3)對于青藏線多年凍土區(qū)特殊困難環(huán)境下的變 形監(jiān)測工作而言，探索多年凍土區(qū)路基變形監(jiān)測從傳 統(tǒng)的定點定時、人工操作、地面測量，向無人值守的從 空間進行長期連續(xù)監(jiān)測轉變，具有非常重要的現(xiàn)實意 義，雷達差分干涉測量方法為這一技術實現(xiàn)提供了 可能。 合成孔徑雷達干涉測量被認為是最為重要的當代 遙感技術之一。該技術具有全天候、全天時、穩(wěn)定性 好、動態(tài)性強等技術特點；而且無需建立地面觀測站， 其觀測結果與其它離散點測量技術相比，具有空間連 續(xù)覆蓋的巨大優(yōu)勢。與常用的DEM生產(chǎn)方式相比較， 合成孔徑雷達干涉測量技術適合快速獲取高精度、各 種范圍、高分辨率的DEM。作者認為在鐵路勘測設計 DEM獲取、鐵路地質(zhì)災害(如地震和斷裂變形、地面沉 降、崩塌、滑坡、泥石流等)遙感監(jiān)測和青藏線多年凍 土區(qū)形變測量等方面應用潛力巨大，鐵路工程部門開 展該技術的應用研究是非常必要的。