利用“Harmony”任务对滑坡监测适用性进行全球评估

《Remote Sensing of Environment》：Global assessment of landslide monitoring applicability with the Harmony mission

Harmony任务通过双站InSAR配置提升全球滑坡三维形变监测能力，系统几何分析显示无效区较传统方案增加9%，敏感度指数提升0.11，显著改善复杂地形观测效果。

　　

郭少坤|董杰|廖明生

中国武汉大学测绘与遥感信息工程国家重点实验室，珞喻路129号，武汉430079

摘要

“和谐”任务由两颗被动伴星组成，计划在发射后与Sentinel-1D卫星以双静态配置协同工作，旨在通过改进观测几何多样性来增强地球观测能力。这一改进尤其在滑坡监测方面具有显著优势，因为可以更有效地解析三维变形。然而，目前仍缺乏对其预期性能的定量全球尺度评估。本研究通过系统的几何分析填补了这一空白。我们修改了传统的适用性框架以支持双静态配置，利用多个与任务相关的数据集为包括Sentinel-1D和两颗“和谐”卫星在内的三个站点生成全球滑坡适用性产品。这些产品可通过云平台获取。研究结果表明，在升-降组合方案下，全球无效区域增加了9%，在某些崎岖地区甚至超过了25%。与此同时，各项指标也有所改善：全球灵敏度指数提高了0.11（从0.61升至0.72），低灵敏度（<0.3）区域的比例从10.4%下降到2.1%。理论实验显示，北/南方向的灵敏度提升超过了0.15；此外，在中等噪声条件下，额外的观测方向所带来的直接三维反演能力得到了验证。总体而言，“和谐”任务为三维滑坡监测提供了一种稳健且有效的方法，显著提升了全球范围内的滑坡检测可靠性。

引言

滑坡是指岩石、碎屑或土壤沿斜坡向下移动的现象，每年都会造成数千人死亡和严重的经济损失（Froude和Petley，2018）。随着气候变化的持续以及人类活动的加剧，滑坡的频率和影响预计将增加（Gariano和Guzzetti，2016；Lin等人，2020），因此对其监测和减灾的工作也日益重要（Dai等人，2002；Huang和Li，2011）。滑坡监测依赖于多种现场和遥感方法。其中，星载干涉合成孔径雷达（InSAR）在监测初期滑坡运动方面尤为有效（Zhao和Lu，2018）。通过比较重复观测中地面目标的散射相位，InSAR能够以毫米级精度检测地面变形，从而识别潜在的滑坡并监测其进展。

这一能力已在许多实际应用中得到验证（Dai等人，2016；Dong等人，2018；Shi等人，2015；Wang等人，2023；Xu等人，2023）。然而，其更广泛的应用仍面临挑战：虽然一些滑坡被成功检测到，但仍有许多被遗漏。遗漏的主要原因有三个：信号重叠或被遮挡、太阳同步轨道的视线（LOS）几何限制，以及由于散射模式变化导致的相干性损失（Hu等人，2014；Van Natijne等人，2022；Wang等人，2021）。

为解决这些限制，人们主要采取了两种途径：一是严格评估现有SAR数据档案的观测质量；二是开发新的SAR星座架构以扩展可用的观测几何范围。

在用户层面，当升空和下降观测数据都可用时，将它们结合使用以提供更全面的覆盖范围。此外，还开发了多种指标来预先识别观测受限的区域。一些指标纯粹基于几何特性。借助高分辨率数字高程模型（DEM），精确的SAR地理编码可以生成信号重叠和遮挡掩膜以及局部LOS方向（Wegmuller，1999）。考虑到大多数滑坡是由重力驱动的，将归一化的最陡坡向量投影到LOS上可以得到所谓的灵敏度指数，该指数表示在InSAR干涉图中可检测到的运动比例。这些几何量共同构成了R指数（Cascini等人，2009；Cigna等人，2013）。进一步分析相位缠绕特性，可以得出满足Itoh条件（用于准确相位解缠）的最大可检测变形梯度（Dai等人，2023；Itoh，1982）。除了基于几何的指标外，一些研究还整合了多种现场数据来预测测量点（MP）分布。考虑的数据包括土地覆盖类型、季节性相干性、多光谱图像指数等，CR指数是其中的关键扩展（Bonì等人，2020；Notti等人，2014；Plank等人，2012；Wang等人，2021）。

SAR系统设计者通过硬件创新来多样化LOS方向。一种直接的方法是降低轨道倾角，但这会不可避免地减少高纬度的覆盖范围。另一种方法是增大斜视角。特别是采用一个发射器和多个沿轨道分布的接收器的双静态或多静态配置。当系统使用像Sentinel-1这样的现有发射器时，重复使用现有设备可以大幅降低成本（Moccia等人，2000）。

“和谐”任务被正式选为欧洲航天局（ESA）FutureEO计划中的第十个地球探索者任务（EE10），是这一概念的首批实际应用之一（Suess等人，2022）。大量的准备工作支持了该任务的设计（Rommen和de Witte，2020）。对于固体地球应用，端到端模拟器利用Sentinel-1的回波统计数据和去相关模式，在不同环境下展示了改进的监测能力（López-Dekker等人，2023）。使用降采样后的TerraSAR-X图像模拟了“和谐”任务的分辨率，评估了其三维火山变形检索能力（Pappas等人，2025）。对于海洋学应用，考虑风和电流的模拟验证了该系统检索海面运动向量的潜力（Lopez-Dekker等人，2021）。在冰冻圈领域，也分析了三维变形检索和DEM时间序列在准确描述冰川和永久冻土动态变化方面的潜力（K??b等人，2024）。然而，这些研究大多关注信号质量或局部案例研究。该任务在滑坡监测方面的优势，特别是在全球定量指标方面，尚未得到充分探索；现有的针对单静态系统的几何分析工具不适用于“和谐”任务的配置，因此需要开发新的方法。

为了弥合这些先进系统能力与严格质量评估之间的差距，本研究评估了“和谐”任务在全球范围内进行滑坡监测的潜在适用性。由于该任务尚未发射，评估是从几何角度进行的。我们为所有三个平台生成了全球几何畸变掩膜和灵敏度指数地图，以支持后续分析。在缺乏卫星测量的双静态散射纹理和相干性衰减模式的情况下，仅基于几何的方法提供了一个实用且具有内在价值的折中方案。首先，它们提供了可实现的性能的保守下限，有助于在任务部署前预测潜在的观测失败。其次，鉴于土地覆盖的空间连续性，这些指标揭示了相对可靠性的局部差异。一旦观测数据可用，将可以进行更全面的评估。

本文的结构如下：第2节详细介绍了“和谐”任务。第3节将单静态几何适用性框架扩展到双静态配置，并描述了一种高效的混合实现方法，用于生成全球适用性产品，这些产品通过云服务提供。第4节评估了在三站观测下在不同设置和空间尺度上的预期改进。第5节探讨了更广泛的方法论和解释问题。第6节总结了研究。

节选内容

“和谐”任务

“和谐”任务（表1）计划于2029年发射，它是Sentinel 1A的延续，共享同一星座的轨道平面。该任务将系统扩展为具备两项主要功能：首先，它允许从单一轨道路径进行多方向雷达观测；其次，通过分割的子孔径，它可以执行沿轨道的干涉测量。这些升级共同实现了对冰川、海洋等动态过程的监测能力的重大提升。

单静态SAR系统在滑坡监测中的适用性指标

从几何角度来看，阴影区域、信号重叠区域以及灵敏度指数构成了滑坡监测适用性的关键指标。

全球滑坡监测适用性产品

在名义上的IW数据集中，共有1,127,661个观测脉冲，其中约130,000个脉冲与全球山地掩膜有交集。在16核（32线程）工作站上，处理这些数据大约需要10天时间。通过广泛的并行处理，平均每个脉冲的生成时间约为7秒。表2列出了脉冲级别的产品条目。

在这些产品中，覆盖图将可被历史中心轨道照亮的区域标记为1，

灵敏度提升

全球指标证实了“和谐”任务在监测性能上的提升。在这里，我们在理想化环境中重新构建了分析框架，以提供更清晰、更集中的解释。我们模拟了一个锥形山丘，其坡度等级（垂直上升与水平距离的比值）从0.1线性变化到2，涵盖了所有典型坡度情况（见图11(g)）。我们将山丘定位在北纬30°、东经82.975°，以便可以从路径056（升空路径）进行观测。

结论

本研究强调了“和谐”任务通过其创新的双静态InSAR设计在推动全球滑坡监测方面的巨大潜力。通过将传统的单静态适用性评估框架扩展到双静态配置，我们开发了一套针对滑坡易发区域的全球适用性数据集，包括信号重叠、阴影和灵敏度指数产品。我们的结果显示，与传统的升-降组合方案相比，

CRediT作者贡献声明

郭少坤：可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化、初稿撰写。董杰：验证、资源协调、项目管理、数据获取、数据分析、概念化、审稿与编辑。廖明生：监督、资源协调、项目管理、数据获取、概念化、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了国家自然科学基金（项目编号42374013）和中央高校基本科研业务费（项目编号2042022dx0001和2042024fg0020）的财政支持。我们感谢中国航空地球物理探测与自然资源遥感中心的Ge Daqing提供了关于双静态SAR系统的宝贵见解，并提供了有价值的云平台资源。同时，我们也感谢欧洲航天局（ESA）的支持。