InSAR实验室—地表变形InSAR观测技术

实验室负责人：姚鑫

实验室简介

InSAR是一种“距以千里、感知毫厘”的对地微波观测技术，利用同一地区的两幅具有相干性的雷达图像的重复观测相位信息获取地表形变（图1）。地质力学所建设了比较完善的 InSAR 观测整装力量，实验室的建设以促进 InSAR 技术在活动性滑坡灾害防控的理论创新和技术进步为目标， 在地表变形 InSAR 观测与灾害防控这一新兴的研究领域处于国内先进水平并紧跟国际前沿。 建立了特色鲜明的干涉雷达研究方向。与长安大学、中科院地理所、成都理工大学等单位开展了 InSAR 科研合作，和英国纽卡斯尔大学、日本岛根大学、美国南卫理公会大学（ Southern MethodistUniversity）建立了国际交流联系。

（1）拥有国内一流的InSAR技术力量和软硬件设备，是InSAR研究方向的博士生培养单位；

（2）开展了金沙江巨型水电站、川藏高速公路、全国地质灾害识别等30多项InSAR相关的国家重点研发计划、自然科学基金、地调、社会等项目；

（3）取得了100余项论文、软著和专利等知识产权，牵头编制了《地质灾害InSAR监测技术指南》（T00/CAGHP-013）；

（4）成功应用在滑坡崩塌、地面沉降、库区岸坡、线性工程规划、矿山地表岩移、构造运动、建筑物稳定性等领域的识别监测和评价；

（5）建成了灾变识别→监测预警→信息化服务的整装InSAR技术体系和产品。

图1 卫星SAR图像重复观测形成的InSAR图像示意 图2 力学所InSAR技术在相关领域的应用

图3 地质力学所完成的覆盖全国的InSAR观测图幅、编制的规范、软件著作权、专利和学术报告

图4 2018年3月地质力学所举办了“全国地质灾害InSAR调查监测技术培训会”

实验室成员

InSAR 实验室由姚鑫博士为带头人，拥有正高职称人员4人、副高职称2人、中级职称3人，其他人员9人。

姚鑫，男， 1978 年生人，博士、研究员、教授级高工、博士研究生导师。先后承担国家级、省部级以及企业的 InSAR 地质灾害观测项目 20 项。发表第一作者（通讯作者）论文 51 篇（含 SCI/EI 论文 18 篇），获得 InSAR 软件著作权 3 项，发明专利 2 项，编制报告 19 部，参与编写专著 6 部，作为主笔人编写省部级规范2 项，获省部级一等奖 2 项，获省部级二等奖 1 项，获得中国地质调查局“地质英才”、 “先进个人”，第十五届中国地质学会青年科技奖“银锤奖”、国土资源部“模范职工”等荣誉称号。中国地质学会青年工作委员会、国际工程地质与环境地质委员会（ IAEG）和中国地质学会工程地质专委会委员，国际减灾协会（ ICGdR）终身委员。

测试研究内容与成果简介

一、广域InSAR快速识别技术—GMD-InSAR

地质力学所研发的相位共振增强InSAR变形观测技术(PRE-InSAR)，针对广域灾变大范围快速识别。首选对时间和空间基线较短的SAR数据进行D-InSAR计算，获得高质量的干涉相对，然后进行与高程正相关的层流大气去除和湍流大气的滤波，最后进行多期叠加增强，随机相位误差互相抵消消除，变形相位共振增强，去除低频变形，突出高频的活动性滑坡的空间形态特征和变形强度。

主要特色是计算速度快（5万平方千米变形2小时内计算完成）、灾变效果突出、可一次性识别大范围地质体灾变，并获得相对变形强度，适用于灾害应急调查、大区域普查、动态识别、分析地震构造运动模式、矿区地质环境监控等领域，具有很高的性价比。

案例一 大区域地质灾害识别，InSAR技术识别活动性地灾灾害的位置、范围、动态变形和发育规律等信息

图5 InSAR识别的三江地区活动性滑坡及分部的相关成果

案例二 同震构造运动分析，震后快速识别同震形变区、地表破裂展布、反演构造运动模式、取得地震影响区。

图6 汶川地震、玉树地震、西昆仑地震同震地表变形InSAR观测结果与构造活动分析

案例三 采矿地表岩移分析，基于InSAR观测开采诱发的地表塌陷，计算岩移参数，反演煤矿地下采空区。

图7 根据地表变形反演的某煤矿引发的地表塌陷、岩移影响角和地下采空区

二、灾变InSAR监测预警技术—GMM-InSAR

力学所研发的精准时序、角反射器（CR）增强、多量程融合、趋势概率、联合反演等时序InSAR监测技术和专利，可以开展地质体毫米级监测、多角度三维立体监测、预警预报等工作，在单体滑坡、大型危岩体、重要工程设施、矿山开采等领域大有用武之地。主要特色：

（1）历史回溯观测可以预测出十几年前危险源的位置和范围；

（2）现今高频观测可以明显早于现场巡排查探测到灾害的变形加速；

（3）采用三维时序InSAR立体监测可获得了与GNSS相近的水平变形监测精度，并且弥补了GNSS对微小垂直变形监测的不确定性；

（4）变形破坏区范围的动态变化监测，有助于弥补地面监测设备空间上部署的不足；

（5）离散点算法，对干涉条件比较苛刻的地区，仅借助少量反射点也可获得监测值；

（6）借助地面CR快速部署，仍可以测得稳定、长期、微弱的变形值和变形过程；

（7）适于InSAR数据的预测模型，提供中长期的破坏失稳预警；

（8）结合数值模拟和工程地质分析，可揭示地质体成灾机制。

监测案例一：精准三维监测，金沙江乌东德库区早谷田巨型危岩体的InSAR三维时序监测，获得了mm级的监测精度，并且弥补了GNSS对垂直变形监测的不确定性和空间覆盖不足。

图8 InSAR观测的水平方向变形速率与GNSS对比（误差6.6mm），及仅InSAR能观测到的垂直方向变形

监测案例二：高分辨率精细监测，揭示了北京首都国际机场地裂缝缝受沉降和断裂反向双控的成因机制，活动断裂是其控制背景，抽水地面沉降是主要诱发因素，地表硬化铺装和飞机降落载荷决定了其反向破裂形式。

图9 北京首都国际机场地裂缝缝变形InSAR观测与反向破裂机制研究

监测案例三：角反射器（CR）监测，为了提高InSAR监测的适应性和精度，研发了CR-SAR观测专利和算法，可提升10~100倍微波反射强度，有利于消除干扰，适于弱干涉地表条件应用，在溪洛渡库区岸坡、贵州鬃岭变形发育区等地段安装使用，获得了良好的效果。

图10 CR方法原理、专利、SAR图像中增强的效果和测量结果

监测案例四：滑坡失稳破坏预测，提出了时序InSAR测量结果与逆速度法(INV)和斜率法(SLO)相结合的一种滑坡InSAR监测预警模型，在溪洛渡库区岩湾滑坡中进行了有效应用，结合数值模拟揭示了蓄水高陡反倾基岩岸坡变形破坏机制，预测其中长期将恢复稳定。

图11 基于InSAR变形结果的预警算法研究

 图12 金沙江白格滑坡和岩湾滑坡的长时空序列InSAR监测和数值模拟稳定性分析

三、InSAR信息管理与服务平台—GMI-InSAR

建立了SAR数据快速获取→InSAR大数据准自动处理→灾变体快速识别→时序变形监测预警→成果Web管理与发布→野外数字化调绘反馈的全流程、内外业一体化的InSAR信息管理与服务平台（GMI），在支撑国家地质灾害防治和服务重大工程建设中得到有效应用，为开展重大滑坡的普适型监测提供了新的技术思路和平台基础，是InSAR技术工程化应用的重要载体。主要特色

（一）SAR大数据快速获取，可以百兆速度级别获得SAR，快速更新全国SAR；

（二）InSAR大数据自动处理算法，适用于我国地质地貌条件的变形数据处理技术；

（三）InSAR灾变自动识别监测，高效识别灾害体，自动时序计算变形过程，提出预警

（四）InSAR成果管理发布系统，后台数据库管理和B/S服务，可扩展进行灾变预警。

（五）InSAR成果调绘移动端，野外全业务流程数字化，并与InSAR-WEB实时互馈更新。

图13 地质力学所GeoInSAR平台系统构架

图14 平台的相关软件著作权

图15 Pad-InSAR野外调绘与Web-InSAR数据库实时更新显示获取的信息

联系方式：姚鑫 010-88815199，Email：yaoxinphd@163.com