【案例分享】InSAR技术应用于水利设施管理

在很多国家里，水利管理基础设施正逐渐老化，气候变化引发的威胁使其面临进一步的风险。如今，通过持续观测对水利设施进行稳定性和风险性评估越来越重要。

水利管理基础设施的任何异常移动都必须近实时、毫米级地识别和分析。虽然传统的监测方法非常准确，但它们实施复杂，而且耗时、费用高，而且往往无法提供有关结构稳定性的连续数据。此外，水利管理基础设施通常位于相对偏僻的位置，如河岸或深谷，这使得现场调查变得困难。过度生长的植被也限制了现场调查。

最近，匈牙利启动了一个基于Sentinel-1 SAR数据的全国性InSAR监测系统，作为国家FIR地球观测信息系统的一部分，目的是监测国家水文站点的稳定性。该全自动、连续InSAR监测系统使用最新的硬件和先进的软件技术处理大量Sentinel-1数据，包括使用GPU的高性能计算和ENVI SARscape提供的成熟InSAR处理算法。

基于InSAR的对地观测监测

当涉及到持续的广域监测，特别是对难以进入的地点进行风险和稳定性测量时，天基地球观测比传统测量方法更具优势。基于卫星的监测可以通过广域、重复数据覆盖，以及室内处理和分析来克服现场调查的局限性。

与只能在白天工作的光学卫星传感器不同，合成孔径雷达（SAR）卫星系统提供自己的能源，使它们能够昼夜收集数据，甚至“看透”云层。定期获取和免费提供的Sentinel-1SAR卫星数据已成为一个官方接受的数据来源，基于SAR的地球观测已成为一种成熟的技术解决方案，用于从太空持续监测地表形变。

SAR干涉叠加技术，如永久散射体（PS）和小基线（SBAS），可以进行长时间缓慢地表运动的测量，并已证明其在监测构造或人类活动引起的地表形变现象的可靠性。在过去的十年里，大量免费提供的Sentinel-1 SAR卫星数据、InSAR处理技术的深入发展和计算能力的提高，促进了许多InSAR监测服务的应用，这些应用覆盖很多国家甚至整个欧洲。

图1：匈牙利已调查的水利管理设施的位置（黄色圆圈）和已安装的角反射器位置（红色圆圈）。资料来源：Ronczyk等人（2022）

FIR地球观测信息系统的InSAR处理技术

最近，匈牙利灾害管理局开发并引入了一个全国性的、可运行的战略水管理设施InSAR监测系统。项目要求每月监测63个供水设施，包括分布在匈牙利各地的83个单独物体（图1），并开发一个近乎实时的预警系统。

监测系统的工作包括实施一个全新的、完全自动化的InSAR即服务系统（SaaS），该系统包括用户需求、准备工作、Sentinel-1自动处理流程的编制、角反射器的安装、一个特殊的预警系统和一个基于B/S的用户界面，该用户界面提供有关监测水设施对象稳定性的详细信息。图2显示了由该系统监控的供水设施的示例。它们分为八种不同的类型，主要由水闸、堰、水闸和水坝组成。

图2：Sentinel-1 SAR图像中可检测（A1）和不可检测（B1）水管理站点的示例，以及可以安装角反射器以提高谷歌卫星图像中的可检测性（C1）及其土地覆盖率的站点（A2-C2）。资料来源：Ronczyk等人（2022）。

基于InSAR技术的水利设施监测系统是匈牙利FIR地球观测信息系统的一部分，FIR是一个全国性地球观测系统，它是一个复杂的匈牙利灾害管理局地球观测项目，基于最先进的DevOps流程。FIR在匈牙利也有其他应用，如森林探测、洪水监测和火灾识别。

InSAR水利设施监测系统的技术细节

InSAR水利设施监测系统需要大量的计算处理能力和大量的时间来生成最终产品。所需的硬件需求取决于目标物体的数量、分布和观察频率以及监测区域的总大小。因此，作为该项目的一部分，需要使用最先进的硬件和软件解决方案，以应对近实时数据处理、大量待监测对象、不同类型和大小的供水设施等技术挑战，并克服Sentinel-1传感器的潜在局限性。

FIR地球观测信息系统的硬件设置包括1000多个CPU核心、768 GB RAM、2 PB存储空间和两个专门用于InSAR处理工作流程的NVIDIA Tesla V100 GPU。InSAR计算使用PS技术进行，该技术非常适合检测具有良好几何形状和永久相位稳定性的物体，如人造水利管理设施。

InSAR处理技术的核心部分是通过ENVI SARscape实现的，ENVI SARscope是业界领先的SAR数据处理和分析软件解决方案。ENVI SARscape实现了SAR数据的端到端处理和信息生成，包括用于PS处理的高级多步骤处理链。ENVI SARscape还可以利用GPU的计算能力，通过在网络集群环境中进行并行化，可以显著加快大数据处理的PS工作流程。

ENVI SARscape的Sentinel-1 PS处理工作流程被集成到DevOps环境中，并实现了功能即服务（FaaS）解决方案。Docker镜像在Kubernetes集群中实现了一个完善的容器化策略。在Docker镜像中，安装了操作系统ENVI SARscape以及Python。图3概述了为匈牙利FIR地球观测信息系统实施的InSAR处理架构图。

图3：匈牙利FIR地球观测信息系统的InSAR处理管道。资料来源：Ronczyk等人（2022）。

Sentinel-1图像以升轨和降轨的方式采集数据，每个位置都有重叠，用于每个水利设施对象的单独视线方向PS计算。然后将它们组合在一起，以获得垂直方向和东西方向的三维测量值。当然系统也可以处理其他SAR图像，如高分辨率X波段图像。

构造效应对匈牙利水利设施的稳定性只起到很小的作用，这就是为什么InSAR计算只关注水利设施及其周围环境的原因。最初在PS计算中被确定为检测不良的部位，通过使用角反射镜提高了其可识别性。InSAR结果验证包括多种方法，最重要的是将PS测量与传统水准测量进行比较。

InSAR监测系统可以24小时内处理完成新下载的Sentinel-1数据，这意味着最终用户可以在采集新的Sensenel-1图像当天可能会收到警报通知。位移速度的时间演变的变化可以指示结构行为的变化，系统为每个设施分配了一个阈值，当超过该阈值时，将为该设施发出警报，为相关人员和决策者提供参考信息。

结论

合成孔径雷达遥感技术的多功能性允许对感兴趣的区域进行昼夜和各种天气情况下的监测。这些独特的特性使InSAR技术成为持续监测水利管理设施等领域的理想选择，并为稳定性和风险制图提供关键信息。

利用天基SAR图像和先进的InSAR处理算法进行遥感稳定性监测，可以与传统的地面测量技术相结合。系统主要特点之一是“近实时”处理和警报能力，以实现有效和高效的风险缓解战略，进一步降低成本并提高运营安全性。

虽然传统的大地测量仍然是监测和审查匈牙利水利管理设施的主要方法，但InSAR监测系统已经初步形成“空间决策支持系统”。本文作者和参与该项目的人员相信，实施的InSAR监测系统将在匈牙利关键水利管理设施的大规模监测战略中发挥越来越重要的作用。

未来

未来，该系统可能会扩展到包括分布式散射体（DS，Distributed Scatterers），与PS组合为处理链。该技术“连接”了PS和SBAS方法，确保了在点样（PS）和DS在目标处获得变形结果的一致性。与相互独立地执行这两种方法相比，它提供了更好的结果。通过E-PS和E-SBAS技术，可以实现PS/SBAS的组合处理，这些技术与ENVI SARscape 5.7版一起发布。

参考资料：Ronczyk L, Zelenka-Hegyi A, Török G, Orbán Z, Defilippi M, Kovács IP, Kovács DM, Burai P, Pasquali P. Nationwide, Operational Sentinel-1 Based InSAR Monitoring System in the Cloud for Strategic Water Facilities in Hungary. Remote Sensing. 2022; 14(14):3251. https://doi.org/10.3390/rs14143251