合成孑L径雷达干涉测量技术及铁路工程应用分析

合成孑L径雷达干涉测量技术及铁路工程应用分析
摘要：研究目的：介绍合成孔径雷达干涉测量新技术的原理、干涉数据几何模式、数据处理流程、高程干涉测量 和形变差分干涉测量方法；比较雷达干涉测量技术与当前常用的数字高程模型生产方法，分析铁路地质灾害 监测与青藏线多年冻土区形变长期监测应用星载合成孔径雷达差分干涉测量技术的潜力。 研究结论：(1)与常用的DEM生产方式相比较，合成孔径雷达干涉测量技术具有一些独特优势，适合快 速获取各种范围、高精度、高分辨率的DEM；(2)在铁路勘测设计DEM获取、铁路地质灾害遥感监测和青藏 线多年冻土区形变测量等方面应用潜力巨大，建议铁路工程部门开展该技术的应用研究。

1 概述 近年来迅速发展的合成孔径雷达(SAR)干涉测量 技术，提供了获取地面三维信息的全新方法 。自欧 空局发射ERS一1／2卫星以来，由于两卫星前后串接 可以提供仅有一天时间问隔的雷达干涉数据，大大推 进了雷达干涉测量的研究和应用 。2000年，由美国 国家航空航天局组织的“航天飞机雷达地形测图”项 目采用航天飞机雷达干涉测量技术测制全球的三维地 形。这是人类历史上第一个在太空对全球进行三维地 形成像的雷达系统，标志着空间遥感技术进入从二维 信息获取到三维信息获取的新阶段。雷达干涉测量从 而也被认为是实现数字高程模型(DEM)获取最为重 要的当代遥感技术发展成果之一。当前，国内最重要 无人区测图工 程”，它将在部分区域应用航空机载雷达干涉测量获 取DEbl和青藏线勘测设计过程中对昆仑山南部活动 断裂和地震变形带进行卫星雷达遥感干涉测量。当 前，随着国内外雷达干涉测量技术应用的蓬勃发展，铁 路工程部门应用雷达干涉测量这一新技术成果是发展 的必然趋势。

2 合成孔径雷达干涉测量技术 干涉测量是利用复数雷达数据中含有的相位信 息，通过干涉处理来提取地球表面地形的三维信息。 其基本原理是：利用雷达传感器的2副天线同时成像 或1副天线相隔一定时间重复成像，获取同一区域的 复雷达图像对。由于2副天线与地面某一目标之间的 距离不等，使得在复雷达图像对同名像点之间产生相 位差，形成干涉条纹图，干涉条纹图中的相位值即为 2次成像的相位差测量值，根据2次成像相位差与地 面目标的三维空间位置之间存在的几何关系，利用飞 行轨道的参数，即可测定地面目标的三维坐标。
2．1 干涉模式 根据搭载平台和使用条件的不同，获取雷达干涉 数据有3种模式：交叉轨道干涉、沿轨道干涉和重复轨 道干涉。
2．1．1 交叉轨道干涉 交叉轨道干涉模式要求2副天线安装在同一平台 上同时获取数据，多用于机载系统。它的优势在于精 度高而且机动性能好。其干涉几何如图1所示，飞行 平台上2副天线的安装位置与飞行方向垂直。在该模 式下，干涉相位差是由于地面目标的高度变化引起的， 所以主要用于地形制图和地形变化监测。2000年的 航天飞机雷达全球测图计划由装载在航天飞机上的雷 达主天线和从航天飞机上伸出的60 m的伸缩杆顶端 的外部天线一起构成了交叉轨道固定基线距离的干涉 测量系统。
2．1．2 沿轨道干涉 沿轨道干涉模式与交叉轨道干涉模式一样，都要 求在同一平台上安装2副天线，因此目前也主要适用 于机载系统。沿轨道干涉的几何表示如图2所示，此 时2副天线沿飞行方向相隔一段距离。这种模式下得 到的相应像素的相位差是因测量期间目标的运动产生 的，因此它适用于对运动的目标进行监测。
2．1．3 重复轨道干涉 重复轨道干涉模式只需要安装1副天线，它采用 经过近乎相同的轨道，以微小的几何视差对同一地区 图1 交叉轨道干涉模式 图2 沿轨道干涉模式 径 路径 成像2次的方法来获取数据。这种方法需要对飞行轨 道进行精确定位。卫星比飞机受大气的影响小，通常 具有更精确和稳定的飞行轨道，因此该模式最适于航 天或星载干涉系统。 由于当前在轨的星载雷达系统都仅装载一副天 线，故已有的星载雷达干涉测量研究大都采用重复轨 道干涉模式。星载重复轨道干涉的优势在于能够快速 获取大范围或全球范围的干涉数据。目前，这种方法 已成功地应用于欧空局ERS一1／2组成的雷达干涉系 统中。日本和美国也成功地应用该干涉模式进行了干 涉测量的应用研究，并取得了很好的效果。其干涉几 何如图3所示。

2．2 高程干涉测量 雷达干涉测量可以用来提供大范围的高精度数字 高程模型。图3显示了卫星重复轨道干涉模式成像几 何关系。设O。和O：是卫星2次对同一地区成像的天 线位置，2次位置之间的距离曰称为基线距。基线曰 可分解为水平分量B 和垂直分量B。；也可分解为平 行人射方向的分量曰∥和垂直入射方向的分量B。。某 一地面点的高程为z，O。和O：到地面点的距离分别为 r。和r 。则该地面点在2副SAR复图像中的相位分 别为： 4"rrr1 = ÷ A r2l 6 图3 重复轨道干涉模式 咖：2：= (2) 式中A——雷达信号的波长。 由式(1)和(2)可得2次测量的相位差 为： = (r2-rI)= r (3) 式中 ——路径差。 式(3)反映了2次雷达成像的相位差与雷达信号 到地面目标信号路径差的关系，等式左边的2次测量 相位差 可以通过由2副复图像生成的干涉条纹图 来求得。 假设雷达对地观测视角为0，基线距与水平方向 的夹角为 ，即基线倾角。根据余弦定理可得： r2：(r1+ ) =r +B 一2r1Bcos( "iT一0+ ) ：r +日 2r Bsin(0一 ) (4) 因为6r<<r ，故( ) 项可忽略，由式(4)整理可 得： 6r-~Bsin( )+ (5) 考虑日《r ，式(5)可以再次近似，忽略等式右边 的第二项 ，可得： zrl 一Bsin(0一 )=B／／：B sin0一B cos0 (6) 式中日 为基线距的视线向分量，也可用基线水平 分量日 和垂直分量日 及本地入射角0表示。显然， 上式中sin(0一 )可以从干涉距离差和基线长度推导 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)右边的各变量A、 、B和 均可由复数图 像对的干涉条纹图和卫星参数计算得到，则视角0可 以确定。由成像几何图可知点Z( ，Y)的高度为： z( ，Y)=H—r1 cos0 ： H [cos 而一 si ·sin(0一 )] (9) 式中 飞行高度，可由卫星的轨道参数获得。 实现地形高度测量的数据处理过程主要包括相位 差确定、基线确定和地面高度确定3个部分，具体流程 如图4所示。
主要包括：(1)复图像的配准；(2)干涉 图的生成；(3)用轨道参数法或控制点法测定基线； (4)相位解缠；(5)地形高度确定。 对于重复轨道干涉模式而言，由于2次成像独立 进行，不能保证生成的2个二维复图像中同样位置的 像素对应于地面上的同一点，因此处理前需要进行 2幅复图像的配准。2幅复图像配准完成后，将其中一 幅图像的各像素与另一幅图像中的对应像素进行共轭 相乘，可得到相应的干涉条纹图。干涉条纹图中的相 位包括2个部分：一部分是地形的相对高度变化产生 的相位；另一部分是由平地效应产生的平地相位。平 地相位可以通过对干涉条纹图乘以复相位函数来消 除，从而使干涉纹图只留下第一部分的相位。但由于 干涉条纹图中与地面位置直接相关的相位差测量值是 以2w为模的相位主值，也称包缠相位，为了计算每一 点的高程，必须给每一个相位测量值加上整数倍的相 位周期以获得相位差的原值。求解2w模糊性以获得 绝对相位差问题，即相位解缠。常用的相位解缠方法 有枝剪法、条纹检测法和最小二乘法等。相位解缠后， 结合确定的轨道和几何等系统参数，依据前述计算式 逐点计算即可获得成像区域的DEM。 SAR复数图像1f ISAR复数图像2 相 位 差 确 定 竺 困 一二—平相—地位二相噪1匕声位—消抑一除制 j — T}I ’ l 计算高度 f—————_J 生成DEM 地理编码 图4 SAR干涉测量数据处理流程

2．3 差分干涉测量 合成孔径雷达差分干涉测量方法是在上述高程干 涉测量的基础上发展起来的。它是利用复雷达图像的 相位差信息来提取地面目标微小地形变化信息的技 术。在忽略大气影响、内部时钟漂移等因素的情况下， 只要雷达观测期间地表的后向散射特性基本保持不 变，则由干涉数据处理生成的干涉图通常包含如下信 息：(1)相对轨道位置所引起的传播路程差；(2)地形 所引起的立体路程差，同基线距有关，可通过数字高程 模型或另一幅干涉图消除地形影响；(3)数据获取时 地表形变所引起的路程差，每个干涉条纹相当于沿雷 达视向半个波长的位移量。如果能够消除掉前两方面 的信号，那么剩下的第三个因素产生的干涉条纹可用 来监测地表动态变化。根据消除地形效应所采用的方 法不同，差分干涉测量可分为2类：基于DEM模拟条 纹和基于生成的从干涉纹图的差分测量。具体应用 时，后面的一类还可细分为三视、四视方法。但两类方 法在基本原理上，并没有太大的差别。
差分干涉测量的实现步骤从整体上可以分为两大 步：(1)将地表形变前、后的两幅聚焦雷达图像配准， 共轭相乘，生成主干涉图；(2)利用生成的地表形变前 的干涉图或DEM模拟干涉图，再在主干涉条纹图中减 去生成的模拟条纹图，消除地形影响，则最后得到的干 涉条纹图只包含地表形变信息，即地表形变检测图。 具体流程可参见文献[3]、[4]。 差分干涉测量的相位变化对地表形变远比对地形 高程变化更为敏感，这也正是雷达差分干涉测量能从 几百千米的高度上获得毫米至厘米级的地表三维形变 的主要原因。如欧空局ERS一1／2干涉数据，1 m的高 度变化可产生4．3。的相位差，而1 m的地表形变量却 对应12 800。的相位差，约是前者的3 000倍。也就是 说，如果要求变化检测的精度达到厘米级，提取的或其 它渠道获得的DEM数据，只要达到30 In的精度就足 够满足要求。当地形高程达到米级精度时，对形变测 量能达到厘米至毫米精度。 当前，雷达差分干涉测量技术已成为空间观测地 表形变的重要研究工具。这种技术对动态变化的高灵 敏度、高空间分辨率及宽覆盖率，使得这种技术在探测 地表形变方面具有一些无可比拟的优越性。近年来， 随着国际上雷达干涉测量研究与应用蓬勃开展，雷达 差分干涉测量已成功应用于地震、火山、滑坡和地表沉 降引起的形变测量和监测研究中 -6]O但是至今为 止，铁路遥感技术应用部门对该技术了解较少，相关应 用更少 。

3 雷达干涉测量铁路应用
3．1 DEM 生产 数字高程模型(DEM)是铁路综合勘测设计一体 化和实现数字化铁路最为重要的基础数据之一。目 前，生成DEM常用方法有以下几种(表1)。 表1 DEM 生产方式比较 生产方式 DEM的精度 速度 成本 更新程度 应用范围 地面测量 非常高／cm 耗时 很高 很困难 小范围区域、特别的工程项目 航空摄影测量 比较高／(cm～m) 比较快 比较高 周期性 大的工程项目 卫星遥感立体像对 低～中／m 很快 低 很容易 国家范围乃至全球范围内的数据收集 GPS 比较高／(cm～m) 很快 比较高 容易 小范围、特别的项目 地形图手扶跟踪数字化 比较低(图上精度 比较耗时 低 0．2～0．4 mm) 周期性 国家范围内以及军事上的数据采集， 地形图屏幕数字化 比较低(图上精度 非常快 比较低 中小比例尺比形图的数据获取 0．1～0．3 mm) 雷达干涉测量 中～高／(on～m) 很快 比较高 容易 高分辨率、各种范围
3．1．1 立体像对数字摄影测量 航空、航天摄影测量(主要是指航摄相片和遥感 影像立体像对)一直是铁路勘测设计过程中各种比例 尺地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，其获 取的立体像对是高精度大范围DEM生产最有价值的 数据源。
3．1．2 地形图数字化采集 这种方式DEM的高程精度主要取决于地形图的 高程精度，但生产中地形图可能会存在覆盖范围不够、 地图高程数据精度低和地形图等高线模糊等问题。另 外这种方式难以满足现势性要求。在发展速度快的地 区，由于土地开发利用使得地形地貌变化剧烈而且迅 速，既有地图往往不宜作为DEM的数据源。
3．1．3 地面实测方式 用全站仪或经纬仪、激光测距仪、全球定位系统 GPS在野外进行观测获取地面点数据，一般用于小范 围大比例尺(一般大于1：2 000)的数字地形测图。 以地面测量的方法直接获取的数据能够达到很高的精 度，常用于有限范围内各种大比例尺高精度的DEM建 模。然而，由于这种数据获取方法的工作量很大，效率 不高，加之费用高昂，并不适合于大范围的铁路带状地 形数据采集任务。 这几种DEM生产方式中，数字摄影测量和地形图 数字化的方法是大规模DEM采集最为普遍采用的 2种方式。 与上述常用的DEM生产方式相比较，合成孔径雷 达干涉测量数据被认为是快速获取高精度、高分辨率 DEM最有希望的数据源。干涉雷达测量的优势是能 够全天候、全天时、快速、全数字化地获取大面积地面 的精确三维信息，空间分辨率高，对大气和季节的影响 不敏感，特别适于难以获取光学遥感影像、环境恶劣和 森林面积覆盖较广的地区地形测量以获取DEM。从 技术发展来看，进行地形测量以建立高精度的DEM是 自雷达干涉测量技术研究和应用以来的主要应用领 域，数据处理流程经过多年的研究已经成熟可用于生 产。如作者采用西藏玛尼地区的ERS一1／2重复轨道 串行干涉模式数据进行处理，成功提取出试验区的 DEM，与1：l0万地形图比较，均方根误差为17．6 in。 图5(a)为雷达图像强度图，图5(b)为生成的干涉条 纹图，图5(c)为生成的DEM晕渲图。

3．2 铁路地质灾害监测 雷达差分干涉测量技术能以厘米量级甚至更小尺 度测量地表形变，这对于进行铁路地质灾害研究具有 非常重要的意义。地质灾害通常可以分为两大类：渐 变型和突发型。突发 地质灾害，由于在极短的时间 内发生，一般很难进行监测。然而，突发性地质灾害发 生之前一般都先要经历较小的地表形变或块体蠕动过 程。因此，对渐进式的蠕变和块体运移进行监测对于 (a)雷达图像强度图 (b) r涉条纹 ≯I ≤≯一 0 0 _：。0 黪l1≯ ： (( ) DEM晕演【幂 图5 SAR干涉测量试验处理图像 地质灾害的识别、预警和防止具有决定性的意义 。 地质灾害的发生和斜坡紧密相关。斜坡地块运动 速率变化从每年几毫米或几厘米的缓慢蠕动，到每天 1．5 m的快速运动，直到每秒钟几十米的极快速运动。 而雷达差分干涉测量技术已被国际上诸多研究实践证 明，它在测量地表形变位移量，监测地面动态变化方面 具有无可比拟的优越性。现在国内外已有很多这方面 的应用研究实例。

3．3 青藏线多年冻土区形变监测 青藏铁路线多年冻土区路基稳定性问题是关系到 青藏铁路能否长期安全运营的关键问题。路基变形监 测是判断和分析路基稳定性最为直接的手段。众所周 知，在青藏高原这种特殊困难的自然地理环境条件下， 测厚仪| 测速仪| 转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器| 试验机| 扭力计| 流速仪| 粗糙度仪| 流量计| 平衡仪| 开展地面工作极其困难。青藏线格拉段经过的高原多 年冻土区，自然条件极其恶劣、沿线人烟稀少、高海拔、 低气压、高寒缺氧，生产、牛活条件差，交通不便、给氧 困难。而且，在此环境中长期生活和工作的人易患多 种高原疾病。在这种条件下，采用传统的地面现场测 量方法对多年冻土区路基变形进行长期监测需要克服 上述提到的种种困难，工作难度和工作量之大可想而 知。因此，探索多年冻土区路基变形监测从传统的定 点定时、人工操作、地面测量，向无人值守的从空间进 行长期连续监测转变，这对于青藏线多年冻土区特殊 困难环境下的变形监测工作而言，具有非常重要的现 实意义。能否采用空间对地观测技术进行自动、定期、 连续、长年的路基形变监测，是当前摆在铁路工作者面 前需要研究的新课题。 雷达差分干涉测量方法为这一技术实现提供了可 能。青藏高原多年冻土区特殊困难的自然地理环境， 尽管给传统的地面现场测量方法进行路基形变长期监 测带来很大的困难。但相对于空间遥感技术应用而 言，青藏高原独特的自然条件却为遥感技术的应用提 供了最广阔的有利空间，是开展空间雷达干涉测量应 用的极好“试验场”。采用空间差分干涉测量方法无 需建立地面观测站，可彻底改善形变观测条件，同时大 大提高观测效率，减少观测费用，技术上具有巨大的潜 在经济效益。因此，研究应用该方法进行多年长期连 续监测多年冻土区发生的地表形变及由此引起的路基 变形，具有极其重要的意义。

4 结论 雷达干涉测量可应用于我国铁路建设的以下几 方面：
(1)对一些难以获得光学遥感图像的现势性要求 较强的地区、林木繁茂的森林覆盖地区和环境恶劣的 西部地区(如青藏高原地区)，可采用雷达干涉测量方 法建立DEM，为铁路新线选线提供基础的地形资料。 至今，铁路勘测设计相关部门尚未采用该技术获取地 形资料。随着国内外雷达干涉测量技术应用的蓬勃发 展，铁路部门将采用雷达干涉测量这一新技术作为获 取DEM的途径之一是必然趋势。
(2)雷达差分干涉测量技术能以厘米量级甚至更 小尺度测量地表形变，可用于大面积的地表微小形变 测量，这对于进行铁路地质灾害研究具有重要的研究 意义，可为地质灾害遥感提供新的信息源和新的研究 手段。
(3)对于青藏线多年冻土区特殊困难环境下的变 形监测工作而言，探索多年冻土区路基变形监测从传 统的定点定时、人工操作、地面测量，向无人值守的从 空间进行长期连续监测转变，具有非常重要的现实意 义，雷达差分干涉测量方法为这一技术实现提供了 可能。 合成孔径雷达干涉测量被认为是最为重要的当代 遥感技术之一。该技术具有全天候、全天时、稳定性 好、动态性强等技术特点；而且无需建立地面观测站， 其观测结果与其它离散点测量技术相比，具有空间连 续覆盖的巨大优势。与常用的DEM生产方式相比较， 合成孔径雷达干涉测量技术适合快速获取高精度、各 种范围、高分辨率的DEM。作者认为在铁路勘测设计 DEM获取、铁路地质灾害(如地震和断裂变形、地面沉 降、崩塌、滑坡、泥石流等)遥感监测和青藏线多年冻 土区形变测量等方面应用潜力巨大，铁路工程部门开 展该技术的应用研究是非常必要的。