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海岛海岸带处于海陆相互作用的交汇地带，具有重要的社会经济、生态环境、科学研究和国防价值。由于受自然因素和人为因素的共同影响，海岛海岸带的外部形态变化很快，区域内的人工建筑设施也易受多种因素的影响而发生形变，因此加强对海岛海岸带的监测十分必要。目前卫星遥感、全站仪、测量机器人、全球导航定位系统和船载传感器等传统技术已在海岛海岸带监测中得到广泛应用，但其已难以满足对监测范围、精度和时效的要求；无人机低空遥感技术以其灵活、快速和分辨率高的特性被成功应用于海岛海岸带监测，但其精度有限，且易受天气的影响；三维激光雷达技术以点云的方式获得监测目标的空间信息，不仅能获得单点形变信息，而且可反映目标的整体变化，但其遥测距离有限，且精度随监测距离的增加而急剧降低。  因此，迫切需要更加高效、快速、灵活、高分辨率和高精度的监测技术，实时监测港口码头、防波堤坝和跨海大桥等海上构筑物以及岛礁的变化信息，掌握山体滑坡等地质灾害的发生和发展过程，建立动态监视监测系统，对于维护海岛海岸带的安全以及提高预警和应急能力具有重要意义。 近年来逐渐发展的地基合成孔径雷达干涉技术（GB-InSAR）具有全天候、高分辨率和连续空间覆盖等特点，尤其具有可达亚毫米级的高精度监测能力，已被认为是前所未有的形变监测技术，为海岛海岸带监测开辟了新的道路。Tarchi等最早提出利用GB-InSAR远程监测建筑物的形变；随后许多学者陆续将此技术应用于监测坝体、滑坡、山崩和雪崩、冰川以及火山等的变化，取得一系列丰硕成果；Oriol等基于已有研究，综述GB-InSAR的基本原理及其应用，较系统地总结了该技术的优缺点。我国对GB-InSAR也开展了相关研究，在监测桥梁、大坝、煤矿、山体滑坡和微地形变化等方面也取得一些进展，但仍处于起步阶段，很多问题尚未解决，应用领域也需进一步拓展，尤其亟须加强在海岛海岸带监测方面的应用。 一、GB-InSAR的原理和优势 GB-InSAR是基于微波探测主动成像方式的、非接触式的全新监测技术。通过步进频率连续波技术（SF-CW）和合成孔径雷达技术（SRA）可实现较高的距离向分辨率和方向分辨率；通过雷达干涉测量技术可实现优于毫米级的微变形监测，无需接近目标区域即可精确获取地表信息。 GB-InSAR的工作原理是利用微波对目标区域扫射，并对后向散射信号进行相干记录，接收的回波信息经聚焦和滤波等一系列处理后，得到合成孔径雷达图像，并从每个复数的虚部和实部计算矩阵相应元素的相位和振幅信息。通过雷达干涉测量技术，利用相位信息计算位移图，在2个不同时刻发射微波信号，根据2次信号回波之间的相移推导后向散射目标的运动，从而获得监测目标的微形变量。 ⑴SF-CW在最小扫描脉冲内，以不同的频率发射1组微波信号，以保证长距离传输，从而提高距离向分辨率。 ⑵SRA是近年来发展的空间对地观测新技术，属于多普勒分析技术，即用1个真实的小天线运动等效1个长天线运动，根据运动的雷达在同一距离单元中不同方位向的散射体之间小的多普勒频移的差别，从而提高方向分辨率；其一边相对观测区域运动，一边发射和接收步进频率连续波信号，再经过信号处理模拟雷达天线，天线的长度取决于雷达移动的距离，即合成孔径。 ⑶雷达干涉测量技术通过比对不同时刻扫描采样之间的位移相位差，得到监测目标在径向方向的形变信息。 与传统的监测技术相比，GB-InSAR可在恶劣环境下实现全天候、全天时和高精度的位移监测，主要有6个优势：①监测全过程高度自动化，无需在目标区域安装角反射器，可实现对危险区域的远程监测；②不受气候条件的限制，可实现全天候和全天时的实时监测；③监测精度高，雷达视线方向可达亚毫米级，遥测距离可达数千米，可实现波束覆盖范围内数千平方千米区域的监测；④监测形变率范围大，可从数毫米/a至1m/h；⑤数据采集时间短，可为整个目标区域提供时空连续的变形监测图，1次监测范围可达数十万平方米；⑥通过无线控制可实现连续远程处理和监测。 二、监测流程 海岛海岸带的地形复杂多变，外部形态变化迅速，各处潮汐差异较大，滩涂种类性质多样，易受人类活动干扰，这些都为监测工作带来很大的困难。因此，在监测前要整体谋划，从顶层设计统筹制定工作流程，主要包括构建基准网、建立监测系统、采集数据、处理和分析数据、制作形变图和预测变化趋势以及制订防护措施和应急预案等步骤。 GB-InSAR系统的监测流程如图1所示。  图1 GB-InSAR系统的监测流程 三、关键技术 高精度的变形监测需要精准的干涉相位来保证，图像的精确配准是有效监测的前提。因此，在优化站址选择的基础上，利用基础数据大致推算形变场及其特征，通过采集多时段、零基线的重复监测数据以提升匹配精度；重点研究相干点目标的提取、消除和减弱误差等数据精细处理的关键算法；利用全球导航定位系统和水准测量等其他监测手段进行精度评估和验证，以确保监测结果的有效性和可靠性。 ⒈配准图像 图像配准是GB-InSAR形变监测的关键步骤之一，也是生成干涉图的基础。将两景影像中代表相同地物的像元匹配到同一位置，并利用同一位置的2幅图像重叠的相位信息，计算分布在2幅图像窗口的相干值。通常采用能够获得高质量干涉条纹的相关算法，主要包括图像匹配、仿射变换和图像重采样等步骤。 ⒉生成干涉图和相干图 在配准图像后，须利用雷达图像数据生成高质量的干涉图，通过准确提取干涉相位为相位解缠做准备。将配准后的图像对共轭相乘生成干涉图，根据相干性理论计算公式生成相干图。 ⒊干涉图滤波 由于噪声的存在，干涉图的相位数据可能跳跃和不连续，将导致误差传递，从而影响后续的解缠处理。因此，须滤除噪声干扰，提高信噪比，减少残余出现的频度。为保持数据的连续性，通常采用平滑滤波处理以及基于相干性加权的圆周期均值滤波处理等方法。 ⒋相位解缠 相位解缠是干涉相位主值还原为真值的过程，是GB-InSAR形变监测的关键环节之一，其准确性直接影响GB-InSAR监测结果的精确性。由于采用短波长雷达波，相位解缠的难度有所增加，常见方法包括路径跟踪法、最小二乘法、边缘分析或区域分割法以及最优估计法等。 ⒌大气相位校正 大气中不均匀的介质会对微波的传播路径和方向造成干扰，产生大气相位（APS），该相位误差会在干涉处理过程中传播，形成大气效应，从而对干涉结果造成严重影响。因此，须对大气相位进行校正，以提高监测精度，通常采用基于全球导航定位系统数据校正法、逐对分析法、层叠法、永久散射体法、空间辐射计测量法、基于地面气象信息建模法和建立大气模型校正法等方法。 ⒍框架基准确定和地理编码 为更加清晰地比对和融合通过GB-InSAR监测与其他技术手段获得的形变信息，须对监测结果进行地理编码，并将雷达坐标系中的结果投影到同一地理坐标框架下。 四、应用前景 GB-InSAR基于地基平台，将步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术以及雷达干涉测量技术有效融合，不仅可监测由于自然灾害引起的位移，而且可精确监测跨海大桥等海上构筑物的微小形变，同时可快速获取高分辨率和高精度的图像，具有系统结构简单、数据获取快速和监测形变精度高等特点，在采集目标形变信息方面具有传统监测技术无法比拟的优势，是进行区域空间形变监测的利器。 GB-InSAR已在各监测领域有成功的应用，如滑坡监测、高层建筑物形变监测、地面沉降监测、边坡稳定性监测、地表微形变监测、山崩和雪崩运动监测、火山灾害监测和预警以及冰川位移监测等。 目前我国在海岛海岸带监测中已广泛应用全球导航定位系统、遥感和地理信息系统等技术，并取得令人瞩目的成就，有的应用已达到国际先进水平。未来我国应积极推进GB-InSAR的研究和应用，通过借鉴国内外的典型应用和成功案例，结合海岛海岸带独特的地理环境，将此项新技术应用于海岛海岸带监测领域。随着测绘技术的进步，形变监测将向高精度、智能化、全方位和立体化的方向发展，具有巨大潜力的GB-InSAR在海岛海岸带监测方面具有广阔的应用前景。随着GB-InSAR系统软硬件的逐渐成熟以及数据处理和分析技术的不断完善，其将极大地提高在海岛海岸带监测中应用的深度和广度，更加形象和直观地表达海岛海岸带的形变趋势，更加有效地监控、预警和响应灾害事件，为海岛海岸带管理提供有力的技术支撑，从而提升海洋管理效率和水平。  【作者简介】本文作者/麻德明 刘焱雄 徐文学 王彦兵 高兴国，分别来自自然资源部第一海洋研究所、中国海洋大学环境科学与工程学院、国网经济技术研究院有限公司和山东电力工程咨询院有限公司；第一作者麻德明，工程师，博士研究生，研究方向为3s技术在海岛海岸带综合管理中的应用；本文为基金项目，海岛监视监测研究（SY0518002）、海底电缆工程高精度多元数据获取及分析技术研究（JYYKJXM［2017］003）、测绘新技术在海上工程勘察中的应用研究；文章来自《海洋开发与管理》（2018年第8期） |
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