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基于地面合成孔径雷达的滑坡监测：对意大利Tessina滑坡的应用实例
Dario Tarchia，Nicola Casaglib,*， Riccardo Fantib，David D.Levaa，Guido Luzic，
Alessandro Pasutod，Massimiliano Pieraccinic，Sandro Silvanod
a公民保护与安全研究所(IPSC),人道主义安全小组（HSU），意大利伊斯普拉
B佛罗伦萨大学地球科学系，意大利佛罗伦萨
c佛罗伦萨大学电子和电信部门，意大利佛罗伦萨
d国家研究理事会，水利水电地质保护研究所，意大利帕多瓦
2002年1月7日收稿；2002年5月29日修订；2002年7月8日录用
摘要：一种使用基于雷达干涉测量和实现的地面仪器的创新技术，已被应用在了Tessina的滑坡监测上（意大利，贝卢诺）。此项技术已经能让我们得到具有高空间分辨率和精度的滑坡完全枯竭区域的多时相表面形变地图。在这个应用程序中使用的便携式设备被称为线性合成孔径雷达（LISA），并且它在17兆赫条件下测量的合成孔径能达到2.8米。通过将电动经纬仪以及电子距离表（EDM）分别测量出的像素位移进行比较验证了这一结论。
关键词：滑坡；遥感；监测；雷达
1.介绍
在世界的许多地方，滑坡影响到了城市地区和人类活动，并且在巩固工程方面很难采取有效对策，这种局面迫使人们共同来面对这些风险条件。为了保证人的生命或相关的财产和基础设施处于足够的安全水平，一个最佳的风险管理办法需要建立基于永久监测仪器来实时采集可靠数据的预警系统。特别是在紧急事件发生时，在困难的操作条件下，数据的实时有效性是预测短期演变运动和定义风险事态的基础。在能定义大量运动行为和预测其短期演变的参数之中，分离与积累区域的表面形态变化是特别重要的。一般情况下，通过使用地质（测斜仪，伸长计，测距器等等）和GPS监测或传统的地形测量的地面监测技术来提供滑坡区域内一定数量监测点的信息。
即使单点数据是准确的并从特别重要区域（滑坡冠，空区，累积区等）测得，它们也不能被认为可由此推知整个滑坡地区的情况。这在大型滑坡或者具有不同运动特征的复杂滑坡运动里是尤为重要的。为了消除这种明显的局限性，通常将地形和（或）仪器测量组成广泛和复杂的监测网络。然而，这些传统的监测技术不能给出一个详细的大面积空间信息，并且不能用于那些处于高风险或不可及的滑坡区域。
通过卫星或地面传感器实现的合成孔径雷达（SAR）技术，已经了表明其有能力在广大区域内测量地表位移。尤其是它在沿着传感器瞄准线的情况下能够检测出具有较高精度的位移分量。由意大利航天局（ASI）和国家研究理事会（CNR）共同制定的研究计划框架内已经开始探索使用合成孔径雷达技术来监测滑坡位移的潜在价值。为了测试在此领域里的技术，人们已经进行了大量涉及不同的运动和材料的各种地面运动的实验活动。在Ruinon岩滑上的第一次应用情况已被相关人士发表。本文介绍了在2000年9月25日至10月13日期间在意大利东部阿尔卑斯山脉使用地基雷达技术对Tessina滑坡进行测量得到的结果。
2.地基差分合成孔径雷达干涉测量
上面提到的是一种遥感测量地面位移技术。在测量工具领域中它能够提供地面部分的变形场，并且不需要在地面上定位目标，也不需要与滑坡进行任何物理接触。这种技术是基于合成孔径雷达和干涉测量技术（InSAR），最初由地球观测卫星发展而来。合成孔径雷达和干涉测量技术以同一环境下两雷达之间获得的相位信息进行定量比较为基础。使用一对合成孔径雷达图像，其中前者和后者分别被称为主（m）和从（s）图像，一次干涉由以下关系式决定：
（1）
其中*表示共轭。
在一般情况下，卫星观测得到的两条结果来自于有微小差别的位置和时刻，干涉图中的每个像素的相位，称为干涉相位，它包含了以下不同的结果：
·地形影响.这个涉及到地形部分高度的结果与干涉图中的一个像素相对应。合成孔径雷达和干涉测量技术应用的目的是利用这种方式获得一个数字高程模型（DEM）的成像区域。这样的效果来源于两图像的采集的位置略有不同。因此，它消失的图像对从相同的位置（零基线）取得。
·介电效应.这方面提到了由于大气传播和反射靶的介电性能所引起的移相。通常假设介电特性对所有结果都相同并且对干涉相位没有影响。这不能被认为具有普遍的有效性，并且在考虑到获得每次结果以及它们之间的时间间隔的相关条件时需要进行具体分析。
·绘制地形的转换.单一合成孔径雷达图像的每个像素的相位包含了关于在传感器和对应于像素的地形的部分之间系统瞄准线的绝对距离的信息。当地形的位移发生在对合成孔径雷达获取信息的时间跨度之间，干涉相位会相应变化。合成孔径雷达和干涉测量技术应用旨在利用这种效应获取成像区域位移模式。显然，如果图像对同时获得就不会出现这样的效果。
假设一个可以忽略不计或中度影响干涉相位的介电效应，区分出两种剩余表征的可能方式是依靠适当选择采集参数以便抵消其中一个影响并且保留另一个。如果要建立理想的数字高程模型那么就需要同一卫星从不同位置获得的图像，美国宇航局在最近的航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）已经完成了它。另一方面，为了获得位移图，结果需要从不同时刻但完全相同的轨道（零基准）上来获得。实际上，这种事是几乎没有的，为了得到一个能够直接与地形运动相联系的“自由地形”干涉图已经有两种方法被提出。前者，简称使用三分之一个图像的三通干涉。后者。简称数字高程模型提取方法，它在获取配对图像时通过使用被观察地区的数字高程模型和传感器的轨道（轨道参数）的精确信息来生成合成图。这个对合成孔径雷达和干涉测量技术特定的应用被通常称为差分合成孔径雷达和干涉测量技术。
另一方面，以地基为平台，零基准的理想条件就能被实现并且一对图像就足够生成一个地形自由干涉，最后得出位移信息。为了简单起见，我们将把这个使用地基系统的合成孔径雷达和干涉测量特定应用技术成为地基差分合成孔径雷达和干涉测量技术（GB-DInSAR）。
每当地基差分合成孔径雷达和干涉测量技术应用于运动的监测时，平台和具体方法都是独立的，最终的结果可以描述为一种具有以下一般特征的位移图：
·被测得的位移涉及到沿着SAR系统视线实际位移的组成部分和获取合成孔径雷达图像的时间间隔；
·空间分辨率等同于原始合成孔径雷达图像的空间分辨率；如果空间平均值被施加在处理环节的某些步骤，该分辨率可能会降低。
虽然几个合成孔径雷达和干涉测量技术利用星载数据的滑坡中的应用的例子只在科学文献上可行，这种传感器在运用到实际上仍面临许多挑战。
主要的限制在于卫星参数与DInSAR技术的内在约束，通过Wasowski 和Gostelow (1999)的讨论，总结如下：
- 采集方式：典型的入射角和轨道允许一个可接受的在垂直面上的灵敏度和只在全方位（大概东到西）上的位移分量；
- 几何畸变：合成孔径雷达图像的变形影响的前瞻性本质（透视，停留，阴影）强烈限制在陡峭的山坡上或在狭窄的山谷滑坡观测；这些限制只能通过处理上升和下降的数据采集来进行部分删除；
- 空间分辨率：卫星的有效分辨率现在介于15和30米之间；雷达能得到10times;9m的数据但只能满足基本需求；在任何情况下，这些解决方法只适合大型斜坡运动；
- 重访时间：欧洲地球遥感卫星需要35天，雷达需要24天，日本地球遥感卫星需要44天；在任何情况下，时间覆盖不适合监测高变形率；
- 时间去相关：在观察区的变化通常降低干涉图的质量并阻碍了技术的应用。通常情况下滑坡现象经常发生在密集植被区；一般来说，相干性损失与获得结果的时间间隔相关。
一个地基雷达的使用使我们能够克服大多数与星载干涉测量相关的限制，为了达到克服极端变化并提供必要的灵活性，在尺寸方面，运动机理、置换率、含水量、状态及分布都从本质上定性了滑坡过程。事实上，这种方法使得改变观测参数（如与目标的距离，观测频率、合成孔径长度、入射角、重访时间）变为可能，以适应他们的每一个特定的情况。
另一方面，一个地基系统受到不同的局限性，例如覆盖有限扩展地区的可能性和一个具有合适的可视性的区域的位置必要性。除此之外，在获取结果期间系统应该被固定在一个平稳位置并且对于合成孔径的有限扩展，方位空间分辨率依靠于传感器的距离和相对于传感器位置的侧向位移。还应注意的是，所获得的方位角分辨率远非最佳。然而，虽然得到的方位分辨率通常是低于最佳值的幅度几阶，但它通常对监测滑坡运动也足够了。
3.Tessina滑坡
Tessina滑坡位于北意大利阿尔卑斯贝卢诺市附近，在1960年10月第一次引发。这是一个拥有受由陡峭的通道发展成一个泥浆流的旋转平移滑动影响源区的复杂滑坡。这个滑坡在Tessina峡谷625至1220m之间发展，并且有近3公里的纵向延伸，最大宽度约500米，总体积约700万立方米。泥石流掠过Funes村并且伸展下坡到Lamosano村（图1）。滑坡涉及复理石建造，它由泥灰质泥质灰岩层交替组成，总厚度从1000至1200米不等。这一结构组成了整个滑动区域的不透水的基石和主要由Fadalto石灰岩组成的Teverone山的山脚下的作物。
在上世纪60年代，涉及约500万立方米的材料的几种再生作用，造成了Tessina峡谷的充填。这些动作严重危及富内斯的村庄，坐落在陡峭的山脊本来相当高的河床，但现在水平几乎与泥浆流量相同。该滑坡于1992年4月发生时对Lamosano和富内斯的村庄带来较高的风险，致使人们临时疏散。作为一个旋转的滑动，运动在耗尽区的上部开始，伴随着20到30m的深层破坏面，也影响到了复理石基岩和涉及约100万立方米的岩石和泥土。滑坡运动一直持续到1992年6月，造成总体积约200万立方米岩石的流动。流失的物质最初到达上堆积区（图1）然后被引导，从而产生一系列在斜坡下部的主泥浆流汇合的土流。
在这场主要滑坡复活之后，意大利民事保护部为了保障住宅区并安装永久监控和预警系统这一短中期的基础工作分配了资金。由国家研究委员会建立的系统，由一个传感器装置和测量仪器，包括两个基础线的引伸计，以测量30基准表面运动自动地标检测器地形系统组成（图1和图2）。两个报警装置，一个包含有三个方向杆和超声波回声测深仪，另一个包含有两个方向杆和回声测深仪等，被安装在了泥流体上，向上一直到Funes和Lamosano村庄。被安装的3台用来记录该地区的滑动动作摄像机被认为是最关键的，即上堆积区和Funes和Lamosano上坡区的2处地方。位于Chies drsquo;Alpago市政厅内的控制中心，接收来自于从周边电台到传感器连接范围内的数据。该系统一般用于预警目的，并且它与一个包括在危险情况下从住宅区疏散人口民事保护计划相关联。
图1.Tessina滑坡计划展示了安装的检测系统和纵向地质剖面突出的主要地质单位。图中对象：（1）主流体；（2）旋转滑动；（3）碎石坡；（4）折叠和破碎的复理石；（5）复理石形成（下始新统）；（6）Fadalto石灰石（上白垩统）；
滑坡耗尽区被选为雷达观测区。这块区域是不断活动的，并且它能被三个主要断层陡坎来表示特征（图2）。过去的全球滑坡活化一直由这个地区大量地质运动所引发；出于这个原因，它的控制在预警系统的框架中至关重要。图2表明了，通过不同的标志，去年平均位移速率在30个基准下被记录。位于主崖最活跃的版块以1m/年的速度分离，该地区物质向上积累区间歇地滑动（图1）。在这个区域内的浅层土流最高速度（每小时可达几十厘米）已被记录。
4.材料，方法和测量活动
在这个应用中使用的地面合成孔径雷达装置是一种便携式设备，称为线性合成孔径雷达（LISA），它由联合研究中心设计和实施。线性合成孔径雷达系统主要由以下几个部分组成（图3）：
·一个微波系统，由一个连续波频率步进雷达（CWSF）组成，并基于一个信号源在30千赫到6千兆赫之间的网络分析器（NWA）；一个相干转换模块使操作频率升至17千兆赫成为可能。
图2.耗尽区图展示了滑坡主崖，雷达和地形系统的位置，基准的位置和它们在过去一年
的平均速度.
图3.LISA系统技术方案.网络分析器（NWA）；发射天线（Tx）；接收天线（Rx）.
·一个机器构件由长2.8米直轨组成，并用一个电动雪橇来承载雷达天线，其运动是通过一个线性定位器控制的。
在Tessina滑坡上的测量活动在2000年9月25日和10月13日间进行。仪表安装在海拔997.3米的在耗尽区前面对面的山坡上一个稳定的区域，并且在500米的平均距离是完全可见的（图2）。
现场仪表的布置如图4所示。钢轨被安装在一个混凝土墙上，并使用电子设备采集数据，可视化被放置在现有的建筑来支持地形监测系统。在这些测量中采用的仪器已被设计成尽可能使安装变得方便，对于提出的应用考虑到典型的操作条件。
图5显示的是由雷达仪器观测到的场景，对应于滑坡的上部（耗尽区和上部富集区的一部分）。图中每个白点都代表了一个基准点，其位
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