劉 斌， 葛大慶， 李 曼， 張 玲， 王 艷， 郭小方， 王 毅

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

目前星載雷達(dá)干涉測量系統(tǒng)已在國內(nèi)外地表形變監(jiān)測研究和應(yīng)用中取得了顯著效果。但就地面多類型、多尺度形變測量而言，星載雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture radar， InSAR)技術(shù)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性受制于衛(wèi)星重訪周期的限制，連續(xù)測量能力不足，致使快速變形活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測難以滿足。同時(shí)，星載合成孔徑雷達(dá)入射方向單一，對于如自然滑坡、礦山邊坡和冰川等局部變形監(jiān)測，其入射角、空間分辨率和覆蓋范圍難以滿足要求。

針對上述問題，地基InSAR的研究與試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。歐洲一些研究者基于星載InSAR技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)率先開展了觀測設(shè)備研制，并逐步投入實(shí)際應(yīng)用[1]。相對星載InSAR技術(shù)系統(tǒng)，地基InSAR可針對形變場的演化特征進(jìn)行靈活監(jiān)測，彌補(bǔ)了星載InSAR入射方向單一、實(shí)時(shí)監(jiān)測能力較弱等方面的不足，在邊坡、冰川和橋梁等領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。

本文以IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)作為監(jiān)測工具，開展了針對邊坡形變測量的關(guān)鍵技術(shù)研究，從能源、交通、觀測條件和目標(biāo)類型等9個(gè)方面探討了數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的事項(xiàng)。在此基礎(chǔ)上，針對災(zāi)后滑坡、降雨條件下人工不穩(wěn)定斜坡、露天采礦邊坡以及冰川運(yùn)動(dòng)等4種類型邊坡活動(dòng)開展了測量示范和試驗(yàn)研究。

1 IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)邊坡形變測量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 IBIS-L地基InSAR形變測量技術(shù)原理

IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)是地基InSAR系統(tǒng)的一種，它將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、SAR技術(shù)以及InSAR技術(shù)融合在一起來獲取目標(biāo)的地形/形變信息。該系統(tǒng)的工作模式一般采用連續(xù)模式對工作區(qū)進(jìn)行不間斷觀測。

地基InSAR形變測量示意如圖1所示。圖1中設(shè)置固定觀測基站觀測目標(biāo)點(diǎn)P，P′為P移動(dòng)了距離d后的位置。形變前后的主副圖像相位分別為φM和φS，兩者的干涉相位ΔφMS可表示為

(1)

圖1 地基InSAR形變測量示意圖[2]

式中：MP和SP′分別表示傳感器到P和P′的距離；λ為雷達(dá)波長，由式(1)可得目標(biāo)點(diǎn)P的形變量d為

(2)

式(2)是在空間基線為0，且不考慮干擾項(xiàng)的情況下得到的形變理論關(guān)系式。但在非連續(xù)觀測模式下，空間基線可能不等于0。因此，干涉相位的完整表達(dá)為

ΔφMS=φGeom+φDefo+φAtmo+φNoise+2kπ ，

(3)

式中：φGeom為地形相位；φDefo為形變相位；φAtmo為大氣延遲相位；φNoise為噪聲相位。

1.2 IBIS-L地基InSAR數(shù)據(jù)采集觀測方案設(shè)計(jì)

充分收集觀測區(qū)域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)等資料，通過野外實(shí)地勘察，掌握邊坡位置、交通、地質(zhì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征等。觀測方案設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮以下內(nèi)容：

(1)持續(xù)供電。為了保證長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測，地基InSAR系統(tǒng)需要持續(xù)供電。該套設(shè)備的備用電池僅能維持10 h左右，在長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測過程中，應(yīng)采用交流電持續(xù)供電。所以，選址時(shí)應(yīng)選擇離電源比較近的地方，或采用發(fā)電機(jī)供電。

(2)交通便利。地基InSAR系統(tǒng)設(shè)備是精密而又貴重的儀器，在搬運(yùn)過程中要輕拿輕放。由于該套設(shè)備體積大且較重，在選址時(shí)應(yīng)該選擇交通比較便利或者容易搬運(yùn)的地方。

(3)監(jiān)測距離和范圍。在實(shí)際情況中，應(yīng)根據(jù)地形地貌條件將地基InSAR的監(jiān)測距離控制在合理的范圍內(nèi)，即最遠(yuǎn)監(jiān)測距離不能超過4 km，最大覆蓋范圍不能超過7 km2。在此前提下，監(jiān)測距離越大，誤差越大，監(jiān)測效果越差，所以應(yīng)該盡量縮短監(jiān)測距離。

(4)通視條件。地基InSAR應(yīng)該在通視條件下工作，在工作點(diǎn)與監(jiān)測區(qū)域之間不能有障礙物存在。如果存在障礙物，監(jiān)測對象的反射強(qiáng)度會(huì)受到影響，影響最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

(5)儀器安放點(diǎn)穩(wěn)定性。在監(jiān)測過程中，地基InSAR系統(tǒng)應(yīng)該保持水平，不能受到擾動(dòng)。所以在選址時(shí)要考慮儀器安放點(diǎn)的穩(wěn)定性，最好安放在穩(wěn)定的基巖上。

(6)觀測墩的修建。根據(jù)觀測區(qū)域?qū)嶋H情況和精度要求，考慮是否采用觀測墩。

(7)儀器架設(shè)位置。觀測邊坡時(shí)，應(yīng)對儀器視線方向和主滑移方向的夾角進(jìn)行權(quán)衡，夾角越小，對形變信號越敏感，但不利于接收回波信號。

(8)滑坡植被。地基InSAR雷達(dá)波頻率高，波長短，其信號對目標(biāo)體的變形比較敏感。但如果在監(jiān)測范圍內(nèi)植被較多，由于植被在風(fēng)的影響下會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，雷達(dá)將不能很好甚至不能接收到地表變形信號，這就會(huì)嚴(yán)重影響測量結(jié)果。因此，監(jiān)測區(qū)應(yīng)選在植被稀疏的區(qū)域。

(9)反射器的安裝。野外監(jiān)測區(qū)域難免出現(xiàn)植被覆蓋情況，以及考慮到后期數(shù)據(jù)的地理編碼等問題，根據(jù)地形地貌條件在一些穩(wěn)定的、接近滑坡的地方做一些參考點(diǎn)，可以在這些參考點(diǎn)上安置角反射器。另外，在滑坡上一些感興趣點(diǎn)也可以安置角反射器。

1.3 IBIS-L地基InSAR時(shí)序分析流程

IBIS-L地基InSAR形變時(shí)序分析流程主要包括原始數(shù)據(jù)聚焦、影像質(zhì)量檢查、特征點(diǎn)選取和形變分析等4部分[3-4]。

1.3.1 原始數(shù)據(jù)聚焦處理

天線波束內(nèi)單個(gè)目標(biāo)的回波信號會(huì)出現(xiàn)在線性軌道的每一個(gè)位置以及所有頻率的原始數(shù)據(jù)中，此時(shí)的圖像處于散焦?fàn)顟B(tài)。對原始數(shù)據(jù)的每一個(gè)像元來說，理想點(diǎn)目標(biāo)具有相同的強(qiáng)度，并且相位是發(fā)射頻率和傳感器在軌道上位置的函數(shù)，強(qiáng)度和相位觀測值需要轉(zhuǎn)換到具有空間分辨率的格網(wǎng)上。圖像聚焦分為距離向和方位向聚焦，聚焦使得圖像具有距離向和方位向空間分辨率。

1.3.2 影像質(zhì)量檢查

由于SAR系統(tǒng)采用側(cè)視成像，將會(huì)在SAR影像中產(chǎn)生疊掩、陰影和透視收縮等幾何失真現(xiàn)象，可利用地基InSAR初步觀測一組數(shù)據(jù)，通過強(qiáng)度圖、熱信噪比、估計(jì)信噪比、時(shí)間相干性、空間相干性和相位穩(wěn)定度等查看該組影像的觀測質(zhì)量，以判斷地基InSAR觀測位置、方位和仰角等是否滿足要求，及時(shí)調(diào)整觀測角度以滿足監(jiān)測要求。

1.3.3 特征點(diǎn)選取

地基InSAR形變時(shí)序分析是基于相干點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行的，一般通過設(shè)置估計(jì)信噪比、相干系數(shù)和相位穩(wěn)定度滿足一定閾值的像元，篩選出穩(wěn)定的相干點(diǎn)目標(biāo)。由于IBIS-L系統(tǒng)采用Ku波段雷達(dá)(波長λ為17.4 mm)，其對形變信息非常敏感，初始形變時(shí)序分析得到的形變信息不但包含實(shí)際形變，還包括溫度、濕度、氣壓和粉塵等環(huán)境變化引起的相位變化。因此，需要在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)選取一定數(shù)量的估計(jì)信噪比、相干系數(shù)和相位穩(wěn)定度高的點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)(ground control point, GCP)，通過對所有GCP在視線向的形變時(shí)序曲線加權(quán)平均，建立環(huán)境相位時(shí)序校正函數(shù)，消除環(huán)境因素的影響。

1.3.4 形變分析

地基InSAR時(shí)序分析主要采用簡單網(wǎng)絡(luò)和冗余網(wǎng)絡(luò)組合方式對聚焦后的影像對進(jìn)行干涉處理，為提高處理效率，工作中可采用簡單網(wǎng)絡(luò)組合方式對相鄰時(shí)刻影像兩兩干涉處理。IBIS-L系統(tǒng)一般采用連續(xù)觀測模式，且觀測距離較短，空間基線為0，因此無需進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和地形相位補(bǔ)償。由于連續(xù)模式觀測數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，目標(biāo)的形變速率v在相鄰的SAR影像獲取時(shí)間間隔Δt內(nèi)，一般能夠滿足|v|<λ/4Δt，因此避免了相位解纏。

2 滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性地基InSAR監(jiān)測應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

2014年9月1日06：00至2日05：00重慶奉節(jié)大樹場鎮(zhèn)發(fā)生了大面積山體滑坡，沖毀了3棟樓房并阻斷了奉竹公路?；聟^(qū)位于梅溪河左岸斜坡地段，滑坡區(qū)上部為治理后的危巖帶，如圖2(a)所示。

(a) 滑坡災(zāi)后現(xiàn)場(b) 地基InSAR觀測現(xiàn)場

圖2大樹場鎮(zhèn)滑坡

Fig.2LandslideinDashuchangTown

該滑坡區(qū)為構(gòu)造剝蝕侵蝕中山斜坡地貌，總體上東高西低，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別位于滑坡區(qū)東側(cè)山頂和梅溪河支流崔家河河谷。主要地貌類型包括陡崖、斜坡和河谷堆積地貌，陡崖分布在滑坡區(qū)斜坡中上部，南高北低，陡崖帶長約440 m，高度為30～65 m，近乎直立，2011年完成危巖帶治理工程，處于穩(wěn)定狀態(tài)； 斜坡為滑坡區(qū)的主要地貌類型，分布在陡崖帶的上部和下部，上部陡斜坡總坡高約80 m，平均坡角約43°，下部斜坡總坡高約200 m，呈折線形，其上部較陡，坡角約55°，下部稍緩，平均坡角約32°，斜坡腳部為生活區(qū)； 河谷堆積地貌分布于斜坡坡腳外，為梅溪河支流崔家河河谷堆積地貌區(qū)，地勢比較平坦，該區(qū)域位于在建的大樹場鎮(zhèn)新區(qū)，已修建了多棟住宅樓。

2.2 觀測站選址及設(shè)備參數(shù)配置

本次觀測將地基InSAR系統(tǒng)架設(shè)于滑坡體正前方一個(gè)寬敞、穩(wěn)定的場地上，設(shè)備前方視野開闊，無任何物體遮擋，掃描區(qū)域能夠完全覆蓋治理后的危巖帶和滑坡區(qū)，2個(gè)觀測區(qū)域植被覆蓋稀少，滿足了監(jiān)測的基本條件(圖2(b))。觀測時(shí)間自2014年9月23日17:06至26日8:53，考慮到高角度斜坡觀測，天線傾角設(shè)置為15°，有利于回波信號接收，地基InSAR系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)置如表1第1類所示，共獲得654景SAR影像。觀測期間，高溫、陰雨和強(qiáng)降雨等惡劣天氣對IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)幾乎沒有任何影響[5]。

表1 IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)觀測參數(shù)配置

2.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

本次觀測數(shù)據(jù)處理選取了位于治理后危巖帶上的4個(gè)GCP，由于觀測時(shí)間相對較短，滑坡體上部治理后的危巖帶在觀測期間可認(rèn)為基本保持穩(wěn)定； 當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)地質(zhì)部門全球定位系統(tǒng)長期觀測結(jié)果也表明危巖帶基本穩(wěn)定。IBIS-L系統(tǒng)測量精度能控制在[-0.5 mm，+0.5 mm]范圍內(nèi)。該觀測區(qū)經(jīng)過時(shí)空濾波的累積形變?nèi)鐖D3所示。

圖3 大樹場鎮(zhèn)滑坡地基InSAR觀測累積形變

圖3表明，觀測期間治理后的危巖帶基本處于穩(wěn)定狀態(tài)； 但滑坡區(qū)上存在2處顯著活動(dòng)區(qū)，分別位于滑坡區(qū)左側(cè)中上部(圖2(b)區(qū)域Ⅰ和圖3區(qū)域Ⅰ)和右側(cè)中上部(圖2(b)區(qū)域Ⅱ和圖3區(qū)域Ⅱ)，這2處形變區(qū)域主要是由堆積松散土的滑動(dòng)引起的，滑移區(qū)域Ⅰ和Ⅱ最大變形分別達(dá)到120 mm和75 mm。該觀測區(qū)典型像元時(shí)序形變分析如圖4所示。

圖4 大樹場鎮(zhèn)滑坡典型像元時(shí)序形變分析

從圖4可以看出，危巖帶相干點(diǎn)P30[-37.2 m，443.8 m]形變時(shí)序分析表明，治理后的危巖帶比較穩(wěn)固?；聟^(qū)2處顯著活動(dòng)區(qū)的形變時(shí)序特征大體一致： 9月23日17:00至24日10:00，當(dāng)?shù)靥鞖舛嘣妻D(zhuǎn)陰，空氣濕度為70%～75% rH，相干點(diǎn)都以較小的下滑速度滑移，Ⅰ處(如P59[-6.2 m，351.7 m])下滑速率最大約為1.5 mm/h； 24日10:00左右，當(dāng)?shù)亻_始降小雨，空氣濕度陡升至90% rH左右，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ表面整體發(fā)生了陡滑現(xiàn)象； 14:00降雨突然變大并持續(xù)2 h，滑移區(qū)域下滑速率加快；P59處至觀測結(jié)束仍處于快速下滑狀態(tài)，而Ⅱ處(如P62[46.5 m，275.8 m]和P65[72.2 m，304.3 m])在25日12:00基本處于穩(wěn)定。根據(jù)區(qū)域Ⅰ和Ⅱ特征點(diǎn)的形變時(shí)序分析，降雨沖刷松散土表層是造成2處活動(dòng)區(qū)加速下滑的主要原因。

3 人工不穩(wěn)定斜坡地基InSAR監(jiān)測應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

人工不穩(wěn)定斜坡位于神農(nóng)架林區(qū)某度假酒店建設(shè)場地的西北部，狹長槽谷谷坡的下部。該區(qū)總體形態(tài)呈“舌”型，自然地形呈南高北低，地形坡度為17°～20°，局部陡坎為40°～60°。坡面受人類活動(dòng)的影響，植被較少，地形整體條件不利于坡體的穩(wěn)定。

(a) 不穩(wěn)定斜坡現(xiàn)場(b) 地基InSAR觀測現(xiàn)場

圖5神農(nóng)架林區(qū)不穩(wěn)定斜坡

Fig.5UnstableslopeinShennongjiaforestregion

3.2 觀測站選址及設(shè)備參數(shù)配置

在前期的勘查中，擬將地基InSAR系統(tǒng)安置在神農(nóng)架旅游公路北側(cè)的沖溝內(nèi)，其溝口正對著不穩(wěn)定斜坡，掃描區(qū)域能夠完全覆蓋，溝口右側(cè)地表部分基巖出露，較為穩(wěn)固。但該沖溝坡降大，且溝內(nèi)殘存有建設(shè)神農(nóng)架飛機(jī)場的大量棄渣，在暴雨工作情況下多次發(fā)生過泥石流?？紤]到觀測期間持續(xù)降雨(中到大雨)，存在爆發(fā)泥石流的可能性，因此地基InSAR系統(tǒng)架設(shè)在公路北側(cè)路邊，這種近距離的觀測造成了觀測區(qū)域只覆蓋了不穩(wěn)定斜坡部分區(qū)域[6]。

本次觀測時(shí)間自2014年9月27日11:48至19:06，共獲取74景影像，觀測參數(shù)如表1第2類所示。由于觀測距離較短，為了獲得較大的視場，天線傾角設(shè)置為20°，可令視線方向與形變方向的夾角較小，有利于形變信號的提取。近距離的觀測保證了空間分辨率和觀測精度，但較大的天線傾角不僅減弱了雷達(dá)回波信號，同時(shí)造成了影像遮掩現(xiàn)象，使得不穩(wěn)定斜坡的中部和上部平臺(tái)的底部無法觀測到。

3.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

掃描到的區(qū)域大部分點(diǎn)回波信號較好，視場中部0+165樁附近出露基巖處選取了2個(gè)基準(zhǔn)GCP，用以校正形變時(shí)序結(jié)果。不穩(wěn)定斜坡底部大部分位置為基巖，并進(jìn)行了防滑處理，整體較為穩(wěn)定。出露基巖上的相干點(diǎn)(如P20[-30.0 m，92.9 m])的時(shí)序分析結(jié)果表明本次觀測的測量精度基本能控制在[-0.5 mm，0.5 mm]內(nèi)。地基InSAR觀測不穩(wěn)定斜坡的累積形變?nèi)鐖D6所示。

圖6 神農(nóng)架林區(qū)不穩(wěn)定斜坡地基InSAR觀測累積形變

由圖6可知，不穩(wěn)定斜坡中上部有整體靠近儀器的趨勢，即整體下滑； 斜坡平臺(tái)自下往上累積形變量逐漸增大； 較大形變出現(xiàn)在不穩(wěn)定斜坡的第一級平臺(tái)的流水溝附近(圖5(b)區(qū)域Ⅰ和圖6區(qū)域Ⅰ)以及第三級平臺(tái)中部的土堆處(圖5(b)區(qū)域Ⅱ和圖6區(qū)域Ⅱ)，最大累積形變達(dá)到25 mm，這主要是暴雨積水導(dǎo)致的第三級平臺(tái)中部堆積土層塌陷以及第一級平臺(tái)表層覆土滑動(dòng)。該區(qū)典型像元時(shí)序形變分析如圖7所示。

圖7 神農(nóng)架林區(qū)不穩(wěn)定斜坡典型像元時(shí)序形變分析

不穩(wěn)定斜坡第二、三級平臺(tái)(如P36[3.6 m，116.6 m]，P1[-20.0 m，145.9 m])在觀測期間前4 h內(nèi)下滑速度較大，隨后下滑速度放緩，這與降雨情況非常相關(guān)，觀測區(qū)前4 h內(nèi)一直持續(xù)暴雨，之后轉(zhuǎn)為小雨。第一級平臺(tái)流水溝處(如P34[10.9 m，72.3 m])在前3 h下滑速度較小，隨著持續(xù)降雨造成土體松動(dòng)，隨后呈現(xiàn)出加速下滑的趨勢。

4 露天采礦邊坡穩(wěn)定性地基InSAR監(jiān)測應(yīng)用

4.1 研究區(qū)概況

備戰(zhàn)鐵礦礦區(qū)位于天山主峰―博羅霍洛山北坡的中高山區(qū)，山體走向近EW，地勢南高北低，高程為3 862～3 416 m，地形坡度為25°～35°之間，溝深坡陡，屬高山深切地貌。礦體位于山谷地形，東、南、西三面環(huán)山，僅有北面為狹長山谷。目前采用“露天開采+公路開拓汽車運(yùn)輸”方案，自上而下水平分層臺(tái)階式采礦方法。全礦圈定了一個(gè)露天采礦場，采場共設(shè)17個(gè)最終臺(tái)段，最終臺(tái)段高度為24 m，最終邊坡角為50°～51°，設(shè)計(jì)露天開采標(biāo)高為3 704～3 284 m。礦區(qū)屬次不穩(wěn)定區(qū)，現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，露天開采已形成了大采坑，對地質(zhì)環(huán)境有一定破壞和影響，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等，現(xiàn)場情況如圖8(a)所示。

(a) 露天采礦觀測現(xiàn)場 (b) 地基InSAR觀測現(xiàn)場

圖8備戰(zhàn)鐵礦3號礦體露天采礦邊坡

Fig.8Open-pitslopeinNo.3orebodyofBeizhanironmine

4.2 觀測站選址及設(shè)備參數(shù)配置

2015年6月29日21：06至7月2日14：37，對備戰(zhàn)露天鐵礦3號礦體開采面進(jìn)行觀測，地基InSAR系統(tǒng)安置在礦體開采面對面的觀景臺(tái)旁邊，設(shè)備所處位置穩(wěn)定，觀測視野開闊，無障礙物遮擋，適合架設(shè)觀測設(shè)備。本次雖為高邊坡觀測，由于設(shè)備所處高程與開采面中部相當(dāng)，考慮到能盡可能觀測到開采面全貌，故采用增高墊抬高儀器，并設(shè)置天線傾角為5°，雷達(dá)系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)置如表1第3類所示，共獲得雷達(dá)影像650景。觀測期間，系統(tǒng)經(jīng)歷了大風(fēng)揚(yáng)塵、放炮作業(yè)和雨雪冰雹等惡劣條件影響，但仍圓滿完成了邊坡持續(xù)觀測[7]。

4.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

由于礦體所處山谷地形氣象條件復(fù)雜多變，觀測視場內(nèi)不斷有礦車經(jīng)過揚(yáng)起漫天塵土，因此數(shù)據(jù)處理過程中環(huán)境因素校正工作十分棘手。本文提出了在穩(wěn)定區(qū)域均勻選取GCP的方法，根據(jù)這些GCP利用加權(quán)最小二乘法估計(jì)校正系數(shù)，準(zhǔn)確提取了觀測區(qū)域的形變信息(圖9)。

堅(jiān)硬鐵礦巖石上的相干點(diǎn)(如P3[72.8 m，634.2 m])的時(shí)序分析結(jié)果表明，本次觀測的測量精度能控制在[-0.5 mm，0.5 mm]內(nèi)。地基InSAR累積形變結(jié)果表明，雖然開采現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜(多變的天氣、漫天粉塵、礦車和鏟車的擾動(dòng)等)，但開采面整體保持穩(wěn)定； 形變較大的區(qū)域位于開采面底部(圖8(b)區(qū)域Ⅰ和圖9區(qū)域Ⅰ)，最大形變量超過15 mm，主要是由爆炸點(diǎn)處的堆積鐵礦石滑動(dòng)以及鏟車移動(dòng)鐵礦石等因素造成的； 開采面上方的“V”型松散土層凹谷(圖8(b)區(qū)域Ⅱ和圖9區(qū)域Ⅱ)表層也有稍微的滑動(dòng)，最大滑動(dòng)速率約2 mm。該區(qū)典型像元時(shí)序形變分析如圖10所示。

圖9 備戰(zhàn)鐵礦露天采礦邊坡地基InSAR觀測累積形變

相干目標(biāo)時(shí)序分析結(jié)果顯示，開采面上方的“V”型松散土層凹谷表層有輕微持續(xù)下滑趨勢(如P47[-75.7 m，612.1 m])，在雨季需要進(jìn)行關(guān)注。形變最大區(qū)域位置上方的相干點(diǎn)(如P5[0.0 m，568.8 m])則呈現(xiàn)出較大的持續(xù)下滑趨勢，主要是在鏟車和礦車等人為擾動(dòng)下，松散鐵礦石層因自身重力下滑導(dǎo)致的。開采面底部形變最大區(qū)域位置(如P32[-7.1 m，538.7 m])觀測初期處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，由于鏟車移動(dòng)鐵礦石，于7月2日00：00開始加速下滑，最大下滑位移超過30 mm。

圖10 備戰(zhàn)鐵礦露天采礦邊坡典型像元時(shí)序形變分析

5 冰川運(yùn)動(dòng)地基InSAR監(jiān)測試驗(yàn)

5.1 研究區(qū)概況

備戰(zhàn)鐵礦礦區(qū)東北部數(shù)百米處即為天山山脊，山脊線多為尖棱狀，常年冰川覆蓋，具有典型冰川地貌特征，現(xiàn)代冰川、冰蝕洼地、冰川“U”型谷和冰蝕崖較發(fā)育。選礦廠及生活區(qū)與礦區(qū)通過一條簡易公路連接，分別位于天山主脈南北，為穿越天山主脈在海拔3 800 m處修建了一條隧道。本次冰川運(yùn)動(dòng)觀測試驗(yàn)旨在研究地基InSAR探測冰雪邊坡與冰川活動(dòng)的可行性。所選的冰川位于隧道南口旁邊(圖11(a))，由于近幾年的鐵礦開采、大量礦車揚(yáng)起的路面粉塵以及全球氣溫升高等因素影響，導(dǎo)致冰舌退縮加劇，冰川面積縮小。

(a) 備戰(zhàn)隧道南口冰川現(xiàn)場 (b) 地基SAR觀測現(xiàn)場

圖11備戰(zhàn)隧道南口冰川

Fig.11GlacierinthesouthofBeizhantunnel

5.2 觀測站選址及設(shè)備參數(shù)配置

地基InSAR系統(tǒng)安置在靠近冰舌末端的簡易公路邊平臺(tái)處(圖11(b))，觀測平臺(tái)穩(wěn)定，視野開闊，滿足地基InSAR觀測要求。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間跨度為7月3日12： 46—17： 29，共采集43景SAR影像，具體參數(shù)如表1第4類所示。冰川表層滑動(dòng)情況復(fù)雜，確定穩(wěn)定的GCP具有一定的難度，同時(shí)由于冰舌屬于低傾角邊坡，本次地基InSAR觀測試驗(yàn)選取雷達(dá)視角5°掃描，這種情況下兩側(cè)山體雷達(dá)信號強(qiáng)度高，便于在兩側(cè)山體選取GCP，冰舌表磧以及正對的冰雪覆蓋層亦具有較強(qiáng)的回波信號[8]。

5.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理所選的GCP位于兩側(cè)山體的基巖上，觀測時(shí)間僅4.7 h，認(rèn)為GCP沒有發(fā)生移動(dòng)。穩(wěn)定區(qū)域觀測點(diǎn)(如P32[-156.5 m，1 009.3 m])地基InSAR時(shí)序分析結(jié)果表明，隧道南口冰川運(yùn)動(dòng)的觀測精度控制在[-0.5 mm，0.5 mm]內(nèi)，能夠滿足監(jiān)測需要。該區(qū)累積形變及典型像元時(shí)序形變分析分別如圖12和圖13所示。

圖12 備戰(zhàn)隧道南口冰川地基InSAR觀測累積形變

圖13 備戰(zhàn)隧道南口冰川典型像元時(shí)序形變分析

本次觀測的前一晚該地區(qū)普降大雪，觀測期間冰雪融化使得冰舌表磧產(chǎn)生滑動(dòng)，遠(yuǎn)處的冰川積雪也產(chǎn)生了一定的滑動(dòng)，遠(yuǎn)處冰川和冰舌上段都發(fā)生了朝向雷達(dá)方向的移動(dòng)(如P26[-308 m，582.9 m]和P30[-232.1 m，668.6 m])，最大滑動(dòng)位移超過15 mm。左側(cè)山體底部松散土層個(gè)別區(qū)域發(fā)生了下滑(如P18[-172.6 m，881.1 m])，相對于雷達(dá)傳感器來說，發(fā)生了遠(yuǎn)離雷達(dá)傳感器的運(yùn)動(dòng)，在地基InSAR累積形變圖上呈現(xiàn)正值。本次觀測時(shí)間較短，IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)采用的波長較短，觀測結(jié)果反映的一般是冰川表磧和積雪等的滑動(dòng)情況。為了獲得冰川的整體活動(dòng)情況，以后的工作中需要采取在冰川上架設(shè)角反射器、選取與冰川整體運(yùn)動(dòng)情況較為一致的天然散射體等措施，采用波長較長(如X和C波段)的地基InSAR更利于冰川整體運(yùn)動(dòng)觀測。

6 結(jié)論

地基InSAR技術(shù)已發(fā)展成為一種較為常規(guī)的地表微小形變監(jiān)測手段。目前地基雷達(dá)類型呈現(xiàn)出多樣化，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展豐富了地基InSAR的工作模式，提高了設(shè)備的可操作性，減少了數(shù)據(jù)采集時(shí)間。噪聲雷達(dá)技術(shù)和多入多出技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)采集時(shí)間。觀測方式更加靈活，可根據(jù)研究區(qū)形變特征自由設(shè)計(jì)最佳觀測方案。設(shè)備更加穩(wěn)定，可長時(shí)間在惡劣天氣下進(jìn)行持續(xù)觀測，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。數(shù)據(jù)處理簡單快速，能在十幾分鐘內(nèi)處理完幾天的觀測數(shù)據(jù)。

本文通過研究和掌握以IBIS-L系統(tǒng)為代表的地基InSAR邊坡運(yùn)動(dòng)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)方法，對不同變形特征的觀測方案和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了優(yōu)化，并開展了災(zāi)后滑坡、人工不穩(wěn)定斜坡和露天采礦邊坡等的監(jiān)測示范應(yīng)用，以及冰川運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測試驗(yàn)。相關(guān)工作驗(yàn)證了地基InSAR設(shè)備較為穩(wěn)定可靠，地基InSAR技術(shù)監(jiān)測邊坡活動(dòng)能達(dá)到亞毫米級精度，擴(kuò)展了地表形變?yōu)暮nSAR調(diào)查與監(jiān)測手段，為星載和地基InSAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境變化等地表形變監(jiān)測方面的綜合應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

致謝： 本研究是在中國地質(zhì)調(diào)查局科外部、中國國土資源航空物探遙感中心的科學(xué)管理下順利完成的。開展示范和試驗(yàn)的過程中得到了中國地質(zhì)科學(xué)院力學(xué)研究所李濱博士、中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院王文沛博士、三峽大學(xué)涂鵬飛主任和新疆天山礦業(yè)備戰(zhàn)鐵礦胡江濤高級工程師等專家的大力支持，安志宏博士和郭兆成博士等也給予了熱情的幫助； 監(jiān)測過程中聯(lián)合中國科學(xué)院測量與地球物理研究所應(yīng)用IBIS-L地基InSAR系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到了江利明研究員團(tuán)隊(duì)諸位同仁的支持和幫助，柳林、孫亞飛和高斌斌等博士、碩士也參與了野外試驗(yàn),在此一并表示衷心的感謝！

[1] 劉斌,葛大慶,李曼,等.地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].國土資源遙感,2017,29(1):1-6.

[2] Monserrat O.Deformation measurement and monitoring with ground-based SAR[D].Barcelona:Universit at Politècnica de Catalunya,2012.

[3] IDS corporation.Interferometric Radar(IBIS) Technical Papers[EB/OL].https://www.idscorporation.com/georadar/more-information/technical-papers.

[4] R?delsperger S.Real-time processing of ground based synthetic aperture radar(GB-SAR) measurements[D].Hessen:Technische Universit?t Darmstadt, 2011.

[5] 劉斌,葛大慶,張玲,等.地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)在滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性評估中的應(yīng)用[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2016,36(8):674-677,693.

[6] 高斌斌,江利明,孫亞飛,等.大型人工邊坡穩(wěn)定性地基InSAR監(jiān)測研究[J].遙感信息,2016,31(6):61-67.

[7] Liu B,Ge D Q,Li M,et al.Using GB-SAR technique to monitor displacement of open pit slope[C]//2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Beijing:IEEE,2016:5986-5989.

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