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基于TerraSAR-X强度图像相关法测量三峡树坪滑坡时空形变

2016-09-12 10:54:59来源:《岩石学报》2011,27(12) 编辑:乌冬喵浏览:

李小凡1 MULLER Jan Peter2方晨1赵永红1

(1.北京大学地球物理学系,北京100871   2.英国伦敦学院大学Mullard空间科学实验室,London)

摘要 三峡工程蓄水之后,有可能引起两岸滑坡的发生。本文以三峡库区树坪为研究区域,对不同时相的TerraSAR-X的强度图进行相关计算,求解出2009年2月至2009年10月期间发生的滑坡位移场时空演化。结果表明,在滑坡发生的前几个月,累积变形量很小;在滑坡发生的两三个月当中,变形量比较大,平均位移达到51cm;之后的几个月中,变形量又恢复到平静期的数值,与布设在该区的位移伸缩计结果一致。从本文的研究可以看出,该方法不仅能计算出滑坡引起的形变场,而且能探测地面形变的早期信号,可以用它作为三峡库区未来滑坡监测的重要技术手段。

关键词 亚像元相关计算;TerraSAR-X;SAR强度图;树坪滑坡;三峡

1 引言

三峡库区包括长江沿岸宜昌、秭归、重庆等20个县(市、区),长达660km,河道平均宽度1.1km。三峡库区的地质灾害主要包括滑坡和崩塌,地质灾害防治工作是三峡工程建设的重要组成部分。

滑坡地表形变监测的主要方法有自动伸缩计法、DInSAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达差分干涉测量)技术、GPS(Global Positioning System,全球定位系统)法、PS(Persistent Scatterer,永久散射体)技术等(彭轩明等,2004;傅文学,2007;胡红兵,2008;杨武年等,2003;范景辉,2008)。Xia et al.(2004)利用DInSAR与PS技术结合,计算了三峡库区的新滩和链子崖地区10个角反射器点发生的位移。Perissin et al.(2009)通过对ENVISAT ASAR数据运用半永久散射体干涉处理(Quasi-PS InSAR),给出2003年下半年到2007年初期间三峡巴东和秭归地区的滑坡速率和大坝的相对稳定趋势。Qiao et al.(2002)使用GPS观测了分布在三峡库区的23个站点的地表变形率。Kincal et al.(2011)使用卫星光学遥感图像Landsat TM和ASTER GDEM生成了三峡新秭归地区块体滑移危险性图,并用同地区的ENVISAT数据做PS处理,验证了该地图的有效性。

这些监测三峡滑坡的方法除了DInSAR都属于离散点数据采集方法,不能全面地反映滑坡变形的整体状况。DInSAR是一种面式数据采集方法,能够测量到视线向的微小地表形变,但是受相位失相干因素影响(Hanssen,2001),难以应用于三峡地区的滑坡监测。SAR强度图受相位去相干因素的影响较小,对其做相关处理可以得到精度为1/20-1/50个像元的二维形变位移场(Leprince et al.,2007),弥补了DInSAR只能求出一维形变场的不足,这种方法已经被应用到地震形变场的求解(Michel et al.,1999;Hu et al.,2008)。随着SAR成像分辨率的提高和重访周期的缩短,使得对小尺度、高频度滑坡形变的监测成为可能。本文将2009年2月21日至2009年10月10日期间成像的22景TerraSAR-X数据的强度信息图进行相关计算,得到三峡树坪地区的滑坡形变场,从而定量得出滑坡的空间位置和随时间的变化。

2 研究地区背景情况

树坪滑坡位于三峡库区长江南岸旧秭归县沙镇溪镇,经纬度范围30.989411°N~30.998197°N,110.610170°E~110.624161°E。图1是从Google Earth中截取的研究区域地理位置概图,左上角的红框是本文的研究区域,树坪滑坡的发生地点用红框中的黄色图钉标识,它距离图中右下角的三峡大坝约45km水路。

图1 研究区域的地理位置红色矩形中是本文研究的树坪滑坡区域(Google截图)

有研究显示,从2004年1月15日起,树坪滑坡体(图2a)开始发生蠕动变形,进入了滑坡发展阶段(彭轩明等, 2004)。在2009年5月到8月期间由于水库水位下降和降雨影响,该滑坡体发生了规模较大的滑移,观测数据表明最大位移量在半米以上,从山坡上向长江方向滑去。2009年11月本文作者在树坪实地考察,滑坡引起的裂缝随处可见,图2(b)展示的是穿过滑坡体上被滑坡撕开的裂缝。

图2 沙镇溪镇树坪滑坡体(a)和滑坡裂缝(b)

3 TerraSAR-X数据

TerraSAR-X是固态有源相控阵的X波段合成孔径雷达(SAR)卫星,具有全天候、全天时工作的特点,对地面植被有一定的穿透能力,能获得类似光学照片的目标图像。TerraSAR-X卫星飞行在514.8km高度的太阳同步轨道上,重返周期短至11天,工作在X波段上,有三种成像模式,分别为条带式(Stripmap)、聚束式(Spotlight,分为普通聚束式和高分辨率聚束式)和宽扫式(ScanSAR),每种模式对应不同的覆盖范围和分辨率,其中高分辨率聚束式(High Resolution SpotLight,HS)成像可达到1.1m分辨率,覆盖范围5km×7km(德国航空航天局DLR,2009;陈艳玲等,2007)。本文考虑到滑坡体的空间范围相对较小,滑坡的变形尺度仅数十厘米,数据的覆盖面积不需要太大,以覆盖树坪滑坡区域为宜,而对数据的分辨率则要求越高越好,因此向DLR预定了22景高分辨率聚束式数据,这些图像的具体成像参数见表1。

表1 本文所用的高分辨率聚束式数据的成像参数

HS模式的成像参数 参数值
覆盖范围 5308m(方位向)*7454m(斜距向)
入射角 43.6895°
极化方式 HH
斜距向分辨率 0.85m
方位向分辨率 1.1m

这些数据从2009年2月21日开始,每隔11天有一景,这22景数据覆盖大致相同的区域。以下使用成像日期区别命名这22景图像。它们的强度示意图如图3所示。

图3 树坪地区TerraSAR-X数据的合成示意图(成像日期2009年2月21日)

4 数据处理方法

对SAR强度图进行数字相关求解形变场,主要包含以下4个步骤:

4.1对SAR SLC图像配准,然后生成强度图

能否得到正确的滑坡形变场,SAR图像的配准起到了至关重要的作用。对于TerraSAR-X这种重复轨道成像机制,需要根据数据头文件中提供的轨道数据、雷达波波长,图像中心的标称入射角等参数,寻找主、从图像(事件发生前拍摄的图像称为主图像,之后的图像称为从图像)上的同名区,然后根据2维傅利叶变换复相关分析拟合估计出同名点的亚像元级精确的对应位置。根据拟合得到的配准多项式,再对从图像按配准多项式确定的转换关系使用sinc函数卷积进行重采样(曾琪明和解学通,2004)。SAR复图像对配准成功后,生成强度图,以进行后续的相关计算。本文使用遥感数据处理软件ENVI内嵌的雷达处理模块SARscape提供的配准功能生成相关计算所需的所有SAR强度图。

4.2对主从图像做相关计算

相关计算的基本原理是匹配物体表面不同状态下的数字图像上的几何点,跟踪点的运动从而获得物体表面变形信息(马少鹏,2003;Zhao et al.,2009)。匹配程度由相关函数计算得到的相关系数决定。做相关计算时,一次计算一个点。先在主图像上以该点为中心划一个计算窗口(此为相关函数的计算范围),再在从图像上以这个点为中心划一个大的搜索窗口(一般窗口大小大于两倍位移估计量),在从图像上搜索窗口中逐点计算主从图像中上目标点和搜索点的相关系数。搜索结束后,取从图像上相关系数最大的点为计算点的匹配点,从而得到该点的位移量。本文使用加州理工大学Caltech开发的数字相关软件COSI_Corr对配准好的SAR强度图做相关计算(Ayoub et al.,2009)。根据相关函数定义的不同,该软件提供两种相关计算的方法,一种是频域相关计算,该方法将图像做傅利叶变换转换到频率域,计算主图像中的目标点在从图像中的频域内最佳匹配点。这个方法精度比较高,但是对噪声敏感,适用于信息比较丰富高品质的光学遥感和航拍图像;另一种是统计法相关计算,该方法使用概率意义上的相关函数来表征目标点和搜索点之间的相似程度,相似度最高的点即认为是目标点在从图像上的同名点。这种方法比较强健,对噪声相对不那么敏感,适用于频域相关计算得不到好的结果、信噪比相对较低的图像,比如SAR强度图。一般来说,相关计算方法的精度可以达到1/50-1/20个像素(Leprince et al.,2007),对于1m的TerraSAR-X数据,计算得到的位移精度可以达到2~5cm。

经过反复实验和对比分析,本文选用统计法做相关计算,搜索窗口取32×32,计算窗口为10×10,为了让相关计算得到的位置值不受相邻点的影响,还设置了计算步长16个像素,这相当于对原图像做16×16的采样,虽然结果的分辨率降低了,但是保障了计算结果的精度。

4.3去除某些不可靠的计算结果

考虑到实际的滑坡位移分量接近1m,因此认为位移分量超过3m的计算结果是不符合实际情况、不可靠的。产生这些不可靠的计算值的原因可能是参与相关计算的两幅图像的信噪比过低或者是计算区域落在水域内。为了防止这些不可靠结果干扰后续的滤波和结果分析,本文将这些点标示为空值。

4.4滤波

本文采用的是非局部平均滤波方法(Non Local Means Filter)去除图像噪声。非局部平均滤波(Buades et al.,2006;Gossens et al.,2008;Ayoub et al.,2009)的主要思想是定义一基于相似度的权系数,对图像的所有像素点进行加权平均,得到滤波图像。图像像素点间灰度值越相似,它们具有的权系数就越大。处理图像时,一次对一个点进行处理,以这个点为中心划一个小窗口(通常取5×5或者7×7大小),拿该窗口和其它非局部的同等大小的窗口的值做比较。这个小窗口的周围取一个更大的区域(本文取21×21)作为搜索范围。目标点的滤波值是这个大搜索窗口的所有像素点作加权平均得到的,权重由该点所在的小窗口与目标点的小窗口的相似程度决定。这种滤波方法能有效地保留图像数据中的真实信号和特征。

5 结果和分析

根据上述的计算过程,本文将已有的22景数据,以2009年2月21日为公共主图像,其它的21景图像分别作从图像,做了21对处理,详细信息见表2(李小凡,2011)。本文在表中以成像日期区别命名这22景图像,每个从图像后面括号中的数字代表它与公共主图像之间的空间距离(基线)。

表2 做相关计算的21对TerraSAR-X数据的信息

公共主图像 从图像(基线)
20090221 20090304(192m),20090315(215m),20090326(040m),20090406(028m), 20090417(080m),20090428(050m),20090509(040m),20090520(041m), 20090531(051m),20090611(052m),20090622(125m),20090703(074m), 20090714(072m),20090725(137m),20090805(071m),20090816(120m), 20090827(074m),20090907(040m),20090918(156m),20090929(180m), 20091010(046m).

本文对这一系列处理结果进行分析,发现求解出的滑坡位移量随时间变化而逐渐增加。图像对之间的基线越大,两图像成像条件相差越大,计算结果受噪声干扰越多。在时间跨度最大的一对数据(20090221~20091010)的相关计算结果中,X方向(斜距向,近东西向,正轴为西偏北11度)和Y方向(方位向,近南北向,正轴为北偏东11度)上的位移量达到了最大,如图4中所示。

图4 2009年02月21日至2009年10月10日期间发生的总位移形变场(由上下两幅图组成)

上图显示X方向(斜距向)上的位移场,正值代表向左移动;下图为Y方向(方位向)位移场,正值代表向上移动。

树坪滑坡位于长江南岸的山坡上,大致轮廓在图4中用红线勾勒出来。图4中的两幅大图由上至下分别表示滑坡位移场在X方向和Y方向的位移分量,其中向左和向上运动分别为正值,在色标中用红色表示;反之为负值,用蓝色表示;零值用绿色表示,对于不可靠(如落在水域上的值)和不合理的位移值(绝对值超过3m的值)表示为空值,显示为黑色,因此,长江和它的两条支流在图中都完全显示成黑色。在Y方向位移场中,滑坡体的轮廓清晰可辨,可以看到滑坡块体的外部位移基本为零,在边界上由黄色向红色过渡,这说明滑坡体基本作整体平移,在局部地区有位移差异,最大位移量67cm,均值为45cm。X方向位移场类似于Y方向,规模比Y方向小,有局部位移集中,滑坡体顶部位移较大,总体也可看出有滑移现象。这个方向上最大位移量为向左86cm,平均为33cm。综合两个方向位移场可以看出,滑坡体有明显的滑动边缘,归类为块体滑移,整体上从山坡上向长江滑去,滑移方向主要为北偏西,平均滑移量56cm。

从处理完的时间序列中,可以明显地看出滑坡位移量随时间变化而逐渐演化,因此将此期间发生的滑坡过程分为三个阶段:滑坡孕育期(从2009年2月21日起至2009年5月20日止)、滑坡活动期(从2009年05月20日起至2009年08月05日止)和滑坡平静期(从2009年08月05日起至2009年10月10日止)。相应地,本文挑选出来其中的3对数据20090221~20090520,20090520~20090805和20090805~20091010再做相关计算,得到对应的三个阶段计算结果。

5.1滑坡孕育期

本阶段共长88天,以20090221为主图像、20090520为从图像做相关计算,结果显示如图5。

图5 2009年02月21日至2009年05月20日期间发生的总位移形变场

这一阶段滑坡体处于缓慢发展状态。从2月21日起到5月9日之间,相关计算结果中没有看到明显的形变迹象。在5月20日后,从结果上看到滑坡体上有小区域开始出现位移异常。滑坡区的大部分范围内,两个分量场的位移值和背景值基本保持一致。从两个分量场都可以看出这个地点开始有滑坡发生。从规模上来看,X方向的位移比Y方向的大,可以看到的小片范围内有黄色和红色区,代表了向左(近似西向)的滑动行迹,位移量平均在20cm左右,个别点上达到最大向左移动62cm。Y方向上有相应的向上滑移行迹,虽然规模小,但是数值较大,在33cm左右。综合两个方向的位移场,可以看出,初始滑坡以向左移动为主,向上移动为辅。对比地形图中的坡向,可知滑坡体先从坡顶向坡谷移动。

5.2滑坡活跃期

本阶段共长77天,以20090520为主图像、20090805为从图像做相关计算,结果显示如图6。

图6 2009年05月20日至2009年08月05日期间发生的总位移形变场

从图6中可以看到,在这个期间滑坡体移动比较剧烈。从规模上看,以向上即向长江里移动为主。从整个区域看,在靠近顶部区域的滑移量最大。在Y方向位移场中,滑坡体的轮廓清晰可辨,滑坡块体的外部位移接近于零,在边界上由黄色向红色过渡,位移梯度较大,说明滑坡体在这一期间基本作整体滑移,在靠近滑坡体顶部区域有位移差异,最大向上位移量65cm,整体上均值为46cm,向上平均滑动率0.6cm/d。X方向位移场类似于Y方向,规模比Y方向小,也有局部集中,在靠近顶部位移达到最大位移量为64cm,总体也可看出有滑移现象,平均位移为22mm,平均滑动率0.3cm/d。综合两个方向位移场可以看出,滑坡体有明显的滑动边缘,大致可以归类为块体滑移,整体上从山坡上向长江滑去,滑移方向主要为西北向,平均滑移量51cm。这一阶段,滑坡的移动以向上为主,即滑坡体向长江里滑去,而以向左的运动为辅。

5.3平静期

本阶段共长66天,以20090520为主图像、20091010为从图像做相关计算,结果显示如图7。

图7 2009年08月05日至2009年10月10日期间发生的总位移形变场

在图7中可以看到,X方向、Y方向的位移分量趋于背景值,滑坡体没有出现位移异常,因此本文判断这个期间滑坡停止,回归平静。

综合以上,本文通过对图像对20090221~20091010进行相关计算,得到在2009年2月21日到2009年10月10日期间,树坪滑坡在Y方向的最大位移量67cm,均值为45cm。X方向上最大位移量为向左86cm,平均为33cm。综合两个方向位移场可以看出,滑坡体有明显的滑动边缘,大致可以归类为块体滑移,整体上从山坡上向长江滑去,滑移方向主要为北北西,平均滑移量56cm。同时,对间隔11天的21个相关计算结果进行分析,可以看出树坪滑坡随时间的增加而发展,因此将这8个月的观测期划分为3个阶段:滑坡孕育期、滑坡发展期和滑坡静止期。在滑坡孕育期(从2009年2月21日起至2009年5月20日),滑坡体处于缓慢发展状态。在2月21日到5月9日之间,相关计算结果中没有看到滑坡体有明显形变迹象。在5月20日后,滑坡区的大部分范围内,两个分量场的位移值和背景值基本保持一致;有小区域开始出现位移异常。从两个分量场都可以看出这个区域开始有滑坡发生。综合两个方向的位移场,可以看出,初始滑坡的以向左移动为主,向上移动为辅,滑坡体先从坡顶向坡谷移动。在滑坡发展期(从2009年5月20日起至2009年8月5日),滑坡体移动比较剧烈。从规模上看,以向上即向长江里移动为主。从整个区域看,在靠近顶部区域的滑移量最大。在Y方向位移场中,靠近滑坡体顶部区域有位移差异,最大向上位移量65cm,整体上均值为46cm。X方向位移场规模比Y方向小,在靠近顶部位移达到最大位移量为64cm,平均位移为22cm。从两个方向位移场均可以看出,滑坡体有明显的滑动边缘,大致可以归类为块体滑移,整体上从山坡上向长江滑去,滑移方向主要为西北向,平均滑移量51cm,平均滑动率0.6cm/d。滑坡静止期(从2009年8月5日起至2009年10月10日),这一阶段X方向、Y方向的位移分量趋于背景值,滑坡体没有出现位移异常,因此本文判断这个期间滑坡停止,回归平静。树坪滑坡在2009年2月21日到10月10日的位移量和位移速率综合显示如表3。

表3 2009年2月21日至10月10日树坪滑坡位移场计算结果小结

阶段 方向

平均值(cm)

最大值(cm) 移动方向 移动速率(cm/d)
整个观察周期20090221~20091010 Y方向 45 67 向上
X方向 33 86 向左
整体上 56 北北西
滑坡孕育期20090221~20090520 Y方向 33 向上
X方向 20 62 向左
整体上
滑坡活跃期20090520~20090805 Y方向 46 65 向上 0.6
X方向 22 64 向左 0.3
整体上 51 北北西

6 讨论和结论

本文对从2009年2月21日到2009年10月10日共231天内获取的三峡树坪地区22幅TerraSAR-X的SAR强度图做相关计算,计算出这8个月期间内树坪滑坡的总位移量,得到北偏西方向的整体平均滑动量56cm。同时,通过分阶段分析还动态展示了这个滑坡的发展过程。在滑坡发生的前几个月,累积变形量很小;在滑坡显著发生的两三个月当中,变形量比较大,平均滑动量达到51cm;之后的几个月中,变形量又恢复到平静期的数值,滑坡体回归平静。从计算结果中,可以明确地划分出孕育期、活动期和平静期,在孕育期末尾小部分区域出现变形量的急剧增加,由此可以判断活动期的到来。滑坡体在总的8个月期间的滑移方向以向上运动为主向左移动为辅,这一过程是经历了孕育期的局部小区域的向左移动为主,向上移动为辅开始,到活动期整个滑坡体向上移动为主向左移动为辅。

从本文的研究可以看出,该方法是监测滑坡形变的有效方法,可以利用TerraSAR-X数据继续以后的监测,起到滑坡灾害发生的预警效果。

致谢 感谢德国DLR为Muller教授提供TerraSAR-X数据(项目号LAN0112);感谢欧空局ESA在龙计划2期框架下对编号为5343的“监测三峡、丹雄-拉萨和江苏省地区地表形变”项目的支持;感谢加州理工大学Caltech Institute of Technology免费提供嵌入ENVI的数字相关软件Cosi_Corr;特别感谢三峡大学的涂国保老师提供树坪滑坡的实测数据以及各种帮助。

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