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GB-SAR变形监测技能研讨现状与展望

发布日期: 2022-10-03 13:34:41 来源:亚博88
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  地基合成孔径雷达(ground-based synthetic aperture radar,GB-SAR)是近十多年打开起来的地上主动微波遥感技能 [] 。GB-SAR技能是将干与变形监测技能从空基转化到地基,该技能能够不受天然条件约束,对感兴趣的方针区域进行全天候、全地利、大规模、远间隔的侦办监督,为变形监测范畴带来一次新的技能革命。跟着变形监测技能的打开,传统的监测办法逐步无法满意不断深化的运用需求,如大坝、桥梁、修建物、冰川、滑坡等运用范畴都亟须一种准确、无损、安稳、长途、长时刻而又实时的安全监测系统,地基合成孔径雷达系统的诞生,为完成这样一种新式安全的监测供给了技能确保。鉴于此,打开新式GB-SAR变形监测技能在人工大型修建和天然灾祸等范畴的运用研讨具有十分重要的含义。

  GB-SAR技能成功概括了合成孔径雷达成像原理与电磁波干与技能,运用传感器的系统参数、姿势参数和轨迹之间的几许联系等准确丈量地表某一点的空间方位及细小改动,能够勘探毫米级乃至亚毫米级的地表形变。关于小规模的区域监测,地基SAR比星载SAR愈加安稳,它能够专门为方针监测区域树立特定的几许场景,得到该区域的变形趋势和整体变形特征,是星载SAR技能的有用补偿 [2] 。比较星载SAR而言,地基SAR有安顿便利、可任意调整观测视点、实时监测才能强等长处,因而逐步遭到国内外专家和学者的广泛重视。

  本文环绕GB-SAR变形监测办法及其运用打开论说,对当时国内外研讨现状进行概括和评述,剖析GB-SAR变形监测技能的优势和缺乏,总结当时研讨中存在的难点问题,旨在让更多学者了解、知道地基合成孔径雷达,促进GB-SAR在国内的打开。最终,概括考虑GB-SAR的特色及当时的实践运用需求,对GB-SAR的运用远景进行了展望。

  地基雷达干与丈量的根本原理是将两张雷达图画进行比较,然后从一张丈量的相位图画中减去另一张图画的相位值,然后得到观测方针的形变相位。在GB-SAR系统中,相位是与间隔 r 有关的一个函数, r 是传感器与方针之间的间隔,可表示为

  观测相位 φ w (即环绕相位)为一个相对相位,因为它总是环绕在区间(-π, π)之间。肯定相位(即解缠相位)与相对相位 φ w 之间的联系可表示为

  w { φ }为环绕相位;相位含糊度 n (即相位总和的整倍数)是不知道的,即沿视野方向(LOS)发射信号和散射信号之间的相位周期总和是不知道的,因而雷达传感器与方针之间的肯定间隔无法确认,仅能获取相对间隔Δ r 。GB-SAR差分干与丈量如图 1所示,干与条纹通常用呈规律性改动的五颜六色条纹来显现,并以2π为周期进行规律性改动。

  GB-SAR按数据收集形式可分为接连监测形式(C-GBSAR)和非接连监测形式(D-GBSAR)。接连监测形式为最常用的数据收集办法,该办法将设备固定到同一个方位,设置一个时刻间隔后主动获取数据,如每隔几分钟。非接连监测形式依据监测方针的实践形变状况,人为设定一个合理的监测周期进行定点观测,如每周、每月或每年,然后减轻变形监测的人力、物力本钱,难点为每隔一段时刻装置仪器之后获取的印象之间需从头配准,对仪器装置的精度要求较高。比较而言,C-GBSAR更合适对方针进行短期快速的实时监测,如形变量级为mm/d或m/d的形变方针,该形式对滑坡等突发性灾祸的应急救援特别有利,可有用预警二次灾祸发生;D-GBSAR则能够监测缓慢改动的方针。整体来说,文献中触及的GB-SAR技能一般都运用C-GBSAR形式,但跟着GB-SAR系统的深入研讨,D-GBSAR形式的运用也越来越多。

  自从1999年文献[6]提出GB-SAR是一种根据合成孔径雷达技能的地上遥感成像系统,宣布了第一篇将该技能运用于大坝监测的文章。GB-SAR技能便开端广泛运用于大坝、桥梁、高速铁路、电力设备等基础设备的变形监测。文献[7]研讨了GB-SAR系统在桥梁健康监测中的运用,获取了桥梁视野向的变形曲线和自振频率,充沛验证了其在桥梁健康监测中巨大的运用价值。文献[8]运用GB-SAR系统进行了大坝的变形监测实验和剖析研讨,为大型水利设备的健康监测供给了新的思路。文献[9—10]将GB-SAR系统运用到风力发电塔群组的监测傍边,为风轮机的实时监测供给了或许,并提出可用GB-SAR技能检测方针高度。文献[11]运用意大利IDS公司的IBIS-L系统对紫坪铺大坝进行监测实验,成果标明该系统可获取高精度的大坝坝体形变信息,可为大坝的高精度监测供给确保。文献[12—14]对IBIS-S和IBIS-L系统进行精度检定,并运用IBIS-S系统对桥梁进行了监测实验,证明地基雷达系统在实践桥梁结构安全监测中的可行性。文献[15]运用GAMMA Remote Sensing公司的GPRI-Ⅱ系统对香港Ting Kau大桥进行监测实验,展现了GPRI-Ⅱ系统在桥梁变形或振荡监测中的才能,为桥梁结构健康监测供给拓荒了一条新途径。文献[16]运用荷兰Metasensing公司的Fast-GBSAR系统对大坝进行监测实验,该系统将收集单景印象的时刻缩短到5 s,极大地处理了SAR印象简单失相干的问题。尽管GB-SAR技能在基础设备的变形监测中获得了较好的运用作用,可是GB-SAR技能在监测过程中易受大气影响。接连监测形式下的配准问题后续还需深入研讨。

  GB-SAR变形监测技能前期首要运用于滑坡等天然灾祸的监测,并获得了一系列有利的成果。文献[17]运用地基SAR系统对意大利Tessina滑坡进行监测实验,并与已有传统光学丈量成果比较较,其控制点最大差错不超越3 mm,GB-SAR技能的监测功用得以验证。文献[18]运用地基SAR系统对澳大利亚某滑坡进行监测,并与GPS数据比较较,证明该技能运用于快速形变体的优越性。文献[19]对意大利古镇Civitadi Bagnoregio一处滑坡进行实验,剖析了接连监测形式下设备噪声和大气影响引起的失相关对数据精度的影响。文献[20]对意大利Citrin峡谷边坡进行监测,初次提出在GB-SAR系统中运用永久散射体技能(permanent scatterers, PS)改正大气相位,得到了较好的改正成果。文献[21—22]研讨了交融三维激光扫描数据和GB-SAR数据在滑坡监测中的运用,完成了监测区域形变量的可视化表达。文献[23]运用IBIS-L对四川雅安境内一处滑坡进行监测,验证了地基雷达系统在杂乱地势下监测的可行性。地基SAR系统已广泛运用于突发性滑坡的救援作业傍边,以其非触摸长途主动化的杰出监测功用,有用地对二次灾祸进行了预警,极大地确保了救援人员的生命安全。可是,因滑坡区域及其构成机理的杂乱性,后续还需研讨多维度、多传感器的监测形式,以更好地猜测滑坡变形的发生。

  地基合成孔径雷达技能已成功运用于露天矿变形的监测,在该范畴得到广泛的运用,为露天矿斜坡预警供给了一个有用的前期预警东西。缺乏之处是获取数据易受不均匀大气、失相干等要素的影响。文献[24]运用GB-SAR系统对加泰罗尼亚中部发掘盐矿诱发的城市地表沉降进行了深入研讨,成果标明监测精度可达毫米级。文献[25]在意大利托斯卡纳一个采石场运用GB-SAR系统进行了40天的监测实验,并主动生成研讨区域的干与DEM,对采石场的边坡安稳性进行了剖析研讨,获得了杰出的成果。文献[26]运用IBIS-M系统对我国某露天矿边坡进行了监测实验,实验标明该系统可为露天矿边坡监测供给实时、准确的形变信息。文献[27]运用我国安全出产科学研讨院研发的地基SAR系统对福建紫金山金铜矿露天采场进行了监测实验,并与全站仪同步监测的数据进行比照,验证了国产地基雷达系统的牢靠性。文献[28]将GB-SAR变形数据经过Oracle数据库和ArcSDE与GIS结合起来,运用GIS强壮的显现、剖析功用,为露天矿的安全监测供给了新思路。文献[29]将遥感印象和高程数据添加到地基雷达系统获取的变形数据傍边,丰厚了GB-SAR数据的可视化程度。现在,GB-SAR技能首要着眼于矿区形变监测和预警,且系统仅能获取二维形变图,关于怎么获取矿区三维形变图和深度剖析变形机理等问题仍需进行深入研讨。

  因为微波对冰/雪面有必定的穿透才能,传统的星载SAR已用于制作积雪图,以及模仿和猜测融雪径流等,展现了合成孔径雷达技能在雪、冰动态监测中巨大的潜力。受星载SAR技能的启迪,文献[30]经过地基SAR实验监测了降雪改动对雪崩的影响,在约一年的时刻里成功监测近100次天然雪崩、5次人为引发的雪崩,充沛展现了GB-SAR技能的对细小形变的灵敏度。文献[31]运用C波段的GB-SAR系统对冰川流速进行了监测,为部分区域冰川运动监测拓荒了一条新的途径。文献[32]运用IBIS-L系统对新疆和静县境内的一处山地冰川流速进行研讨,验证了地基雷达技能丈量冰川外表流速的可行性,拓宽了该技能在国内的运用场景。近几年来,运用GB-SAR技能研讨冰川运动的研讨也逐步增多,该技能为丈量高分辩率冰川发生的相对位移供给了一种牢靠的东西。但因雪崩和冰川运动的杂乱性,未来还需考虑结合地球物理、天然地理等常识深入剖析改动原理,以便有用地进行灾祸预警。

  GB-SAR技能除了较高的时空采样才能之外,还能够远间隔监测极小的位移。文献[33]立异性地提出将GB-SAR技能运用于历史修建文物的变形监测。文献[34]和文献[35]运用GB-SAR系统比照萨斜塔、乔托钟楼等国际闻名遗址进行了监测,为文物保护供给了一种无损、长途、高精度的监测办法。GB-SAR技能在文物保护监测中具有广泛的运用潜力。怎么在实践监测中交融三维激光扫描仪的点云数据对历史文物进行深度形变剖析,将是一个扎手的问题,将是未来该技能在该范畴研讨的热门。

  现在,GB-SAR变形监测技能研讨现已获得了明显的开展,可是还有许多缺乏之处。首要问题包含以下几个方面。

  在雷达干与丈量中,大气相位是丈量差错的一个重要来历,现在还没有比较完善的大气相位改正战略,极大地约束了该技能的变形监测才能。地基雷达为进步本身监测精度,一般都运用短波高频的雷达系统,直接导致GB-SAR系统对大气推迟有高灵敏度,简单受其影响。因而,获取方针的实在形变相位有必要先进行大气校对。与大气相位相干的影响因子首要有气压、温度和湿度,其间湿度对大气相位的影响最为明显。文献[36]在峻峭地势下进行监测实验,研讨标明在地基雷达数据中或许存在高度相关的大气相位重量。在峻峭的山区地势中,大气效应对干与图有激烈的扰动,即便在几分钟内的时刻短观测也是如此。大气扰动首要是由不同时刻太阳光照耀的差异引起的大气湿度改动导致。现在,大气相位改正的常见办法有气候数据校对法、相位累计法及永久散射体技能,但这3种办法都有各自的局限性,针对不同的监测方针能够合理挑选或结合运用适宜的办法。

  全部将相位由主值(模为2π)康复到真值的办法统称为相位解缠 [37] 。运用相位解缠技能是由观测相位的含糊性决议的。从干与图中得到的相位仅是实在相位的主值部分,其取值规模在(-π, π)之间,这是由arctan函数本身界说约束的 [37] ,要得到形变相位有必要加上2π的整数倍。干与图画的相位解缠是GB-SAR数据处理中重要的组成部分,直接决议了后边提取形变的精度。GB-SAR技能一个要害的约束要素是相位环绕,也便是干与相位的含糊性,这将导致形变估量呈现误差,特别是对形变位移特别大的区域更易受其影响。文献[38]提出一种非干与GB-SAR办法,该办法勘探形变的才能下降,但可不受相位含糊性影响,对方针做出正确的形变估量。相位解缠是一个三维问题,包含时刻解缠和空间解缠。星载SAR常见的解缠办法有支切法、途径盯梢法、最小二乘法、卡尔曼滤波法、最小费用流法等。地基SAR一般先运用卡尔曼滤波器进行时刻维度解缠,然后再运用最小费用流法进行空间维度解缠,最终得到解缠后的干与图。

  GB-SAR干与丈量数据的相干性至关重要,但关于有些场景很难满意这一要求,特别对错接连监测形式(D-GBSAR),因而,在进行监测之前均需拟定可行性剖析,若有必要可在监测区域布设人工角反射器来添加相干性。差分干与图定量点评的根本条件是印象的相干性。相干性是散射方针在不同收集时刻的散射系数的相关程度。GB-SAR系统空间基线为零,因而时刻去相关对相干性的影响最为重要。相干性的好坏取决于监测方针的外表掩盖特性或位移梯度,一般植被区域的快速去相关现象能够在很短的时刻内呈现,首要由风改动方针的后向散射强度引起 [39] 。因为相干性是表征地上分辩单元安稳性的定量参数,因而能够运用相干性的改动判别监测方针中发生的改动,如雪崩、岩石掉落、滑坡等失相干的监测方针。通常状况下,相干系数大于0.8的图画才合适进行干与处理。

  因受GB-SAR系统传感器规划仅能观测视野向形变的约束,与雷达视野方向笔直的位移无法丈量,如彻底平整区域的笔直位移无法丈量,约束了该技能监测笔直向位移的或许,传感器的改善需进一步完善 [38] 。GB-SAR系统的精度取决于许多要素,如系统频率、传感器的降噪功用等。从技能视点讲,大多数GB-SAR系统均选用Ku波段,这样设备便能获得高分辩率和对细小形变的高灵敏度。文献[40]研讨标明瑞士GAMMA Remote Sensing公司Ku波段的传感器(GPRI)信噪比为30 dB时相当于0.04 mm的形变值。文献[19]计算了C波段的传感器(LISA)的监测灵敏度为0.7 mm。通常状况下,仪器的精度是指在没有大气扰动状况下的丈量精度,精度往往随仪器和监测方针间隔的添加而下降。因而,经过进行必定的大气改正和对多幅干与图相位均匀来下降相位噪声,都能够明显进步监测精度。

  现在,GB-SAR变形监测成果根本都依赖于实地丈量数据(如水准、GPS等)来检核其精度和牢靠性。其间最科学合理的办法是在研讨区域布设人工角反射器,在SAR印象获取时刻运用实地丈量手法对角反射器进行精细丈量,并以此为规范对GB-SAR成果进行精度鉴定。可是值得注意的是,有些区域布设角反射器往往存在各式各样的困难。综上所述,现在GB-SAR精度鉴定受限于实地丈量数据的数量和牢靠性,因而未来有必要研讨一种不依赖于外部数据的GB-SAR精度点评办法。受星载SAR精度鉴定的启示,可运用GB-SAR干与图的相干性衡量监测精度,相关问题可待进一步研讨。别的,方差重量估量理论能够经过平差得到的观测值改正数来迭代估量观丈量的方差,不受任何先验信息的约束,有望在GB-SAR精度鉴定中获得打破 [41] 。

  尽管国内现在有关GB-SAR变形监测技能的研讨还处于初期探究阶段,但其潜在的运用价值已遭到国内学者的广泛重视。概括考虑现在实践运用需求及GB-SAR系统本身的特色,对该技能往后的打开进行展望:

  (1) 为处理GB-SAR仅能观测视野向形变的问题,可将地基SAR和星载SAR技能相结合,运用星载SAR数据补偿笔直于地基SAR视野向形变数据缺失的问题,然后得到监测方针的三维形变量。将星载SAR监测规模广和地基SAR设站灵敏的优势相结合,构建六合一体化的变形监测系统,对大型人工设备(如三峡大坝、港珠澳大桥等)进行全方位多视点观测具有非常重要的含义。

  (2) 针对GB-SAR丈量易受大气扰动影响的问题,可运用非干与丈量的办法获取形变,该办法承继了星载SAR时刻序列干与技能提取形变的思维。非干与丈量法运用GB-SAR强度图画的几许信息,并经过印象匹配估量变形,精度可达毫米级。为确保杰出的印象匹配质量,该技能需在监测区域布设人工角反射器。大气相位改正的问题,仍是未来亟须研讨的热门问题之一。

  (3) 针对GB-SAR仅能获取监测方针二维形变,难以准确判读变形发生方位的问题,将地基雷达数据有用投影到三维激光扫描仪获取的三维空间数据中,然后添加地基雷达数据的可视化程度,易于后期进行深度剖析,然后有用进步灾祸的猜测水平。

  (4) 为充沛发掘监测方针变形机理,将GB-SAR技能和工程地质、地球物理、气候等学科的先进技能相结合,完成各技能间优势互补、优化集成,这是未来GB-SAR技能打开的重要趋势之一。

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