(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049； 2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066064)

1 研究背景

我國是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家，作為典型地質(zhì)災(zāi)害，滑坡每年都給國家和人民造成了嚴(yán)重危害。2018年10月11日07：10，西藏昌都市江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村發(fā)生山體滑坡，造成金沙江斷流并形成堰塞湖，所幸未造成人員傷亡。11月3日再次發(fā)生滑坡，此次滑坡點(diǎn)與原“10·11”山體滑坡點(diǎn)位置相同，滑坡后金沙江干流被阻斷，導(dǎo)致上游水位持續(xù)上漲，形成堰塞湖，堰塞湖水位累計(jì)上漲57.44 m，推算堰塞湖蓄水量約為4.69億m3，轉(zhuǎn)移群眾2.5萬人。可見對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行有效的監(jiān)測預(yù)警至關(guān)重要，而滑坡的早期識(shí)別及趨勢監(jiān)測是滑坡災(zāi)害監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的滑坡地表形變監(jiān)測方法需先知道滑坡在哪，其主要方法有大地測量方法、GPS法、自動(dòng)伸縮計(jì)法和分布式光纖法等。這些監(jiān)測方法都是“點(diǎn)”式數(shù)據(jù)采集方法，無法全面完整地反映區(qū)域內(nèi)滑坡變形的整體面狀狀況，不能應(yīng)用于人員難以進(jìn)入的區(qū)域、處于高風(fēng)險(xiǎn)和尚未形成的滑坡地段，且往往容易造成“測者未災(zāi)，災(zāi)者未測”的現(xiàn)象。

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR) 是最近幾十年來發(fā)展起來的可以監(jiān)測地表形變的一種遙感技術(shù)。1989年A.K.Grabriel等首次驗(yàn)證了D-InSAR技術(shù)可監(jiān)測厘米級(jí)精度地表形變。早期研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)主要應(yīng)用于形變量比較明顯的地震、火山活動(dòng)等監(jiān)測，后期隨著理論方法的成熟和技術(shù)研究的深入，研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移至地面沉降、山體滑坡等細(xì)微的地表位移監(jiān)測。該技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離、面狀、厘米甚至毫米級(jí)精度的優(yōu)勢，目前已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。劉云華等采用Sentinel-1A及ALOS-2為數(shù)據(jù)源，獲得了阿克陶地震震源參數(shù)反演及發(fā)震構(gòu)造[1]。李達(dá)等基于SBAS-InSAR技術(shù)提取出各觀測點(diǎn)的時(shí)序沉降值，并對(duì)工作面時(shí)序沉降進(jìn)行量化分析,證明了SBAS-InSAR技術(shù)在礦區(qū)地表沉降監(jiān)測與分析方面具有良好的應(yīng)用前景[2]。李珊珊等采用InSAR技術(shù)獲得了青藏高原季節(jié)性凍土形變趨勢[3]。張金芝等將SBAS時(shí)序分析技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降監(jiān)測，提取了1992～2000年現(xiàn)代黃河三角洲地面沉降速率，結(jié)果與水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)基本保持一致[4]。我國也已開展了利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測滑坡等地質(zhì)災(zāi)害形變的研究，但起步較晚，大多集中于對(duì)D-InSAR技術(shù)的方法、原理及其在滑坡地表形變監(jiān)測應(yīng)用潛力的分析研究。康亞等采用小基線集InSAR技術(shù)對(duì)金坪子滑坡進(jìn)行監(jiān)測，不僅獲得該滑坡的空間分區(qū)特征，也獲取重點(diǎn)滑坡區(qū)的時(shí)間序列結(jié)果，并且與地面監(jiān)測結(jié)果一致[5]。Zhao C等以ALOS/PALSAR為數(shù)據(jù)源對(duì)加利福利亞北部區(qū)域進(jìn)行廣域滑坡監(jiān)測[6]。王立偉基于D-InSAR技術(shù)分析了高山峽谷區(qū)域滑坡位移識(shí)別技術(shù)路線與方法研究[7]。上述研究證明了利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測滑坡形變的可行性。

然而傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)更側(cè)重于研究拍攝時(shí)間相隔較短的形變，且容易受到空間、時(shí)間失相干以及大氣等誤差因素的影響，無法獲取時(shí)間上連續(xù)的地面沉降場。王桂杰等通過ALOS衛(wèi)星PALSAR傳感器獲得了三景合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù),再利用D-InSAR技術(shù)獲得研究區(qū)域內(nèi)地表高精度形變位移值，并對(duì)不同方法的適用性進(jìn)行了探討[8]。王平等利用D-InSAR測量和高密度電阻率剖面揭示了焦作市王封煤礦老采空區(qū)地面沉降機(jī)制[9]。劉曉菲等采用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測老采空區(qū)殘余變形[10]。但都因受到傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)缺點(diǎn)的限制，精度有所影響。為了克服傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)的缺點(diǎn)，一些高級(jí)D-InSAR技術(shù)逐漸出現(xiàn)，如小基線子集法(SBAS)和永久散射體干涉測量技術(shù)(PS-InSAR)。

本次研究以白格滑坡為研究區(qū)域，6景災(zāi)前ALOS-2衛(wèi)星PALSAR影像為數(shù)據(jù)源，采用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)的年平均沉降速率和累計(jì)沉降值。從結(jié)果可知，白格滑坡在發(fā)生之前已有較長時(shí)間的緩慢移動(dòng)過程，再次驗(yàn)證了以SAR數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用SBAS-InSAR技術(shù)可以有效地對(duì)高山峽谷區(qū)滑坡進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)變動(dòng)和監(jiān)視趨勢的兩個(gè)目的。

2 數(shù)據(jù)介紹

ALOS-2衛(wèi)星是ALOS-1的后續(xù)星，于2014年5月24日發(fā)射升空，是唯一一個(gè)利用L波段頻率的高分辨率機(jī)載合成孔徑雷達(dá)的衛(wèi)星，波段越長抗干擾性越強(qiáng)。它能很好地用于監(jiān)測地殼運(yùn)動(dòng)和地球環(huán)境，且不受氣候條件和時(shí)間的影響。相比ALOS-1，JAXA在傳感器的設(shè)計(jì)和制造上有了更進(jìn)一步的改善，更短的重訪周期(14 d)，雙向側(cè)擺的觀測能力，可以提供3種工作模式：Spotlight模式，Stripmap模式，ScanSAR模式。以6期災(zāi)前ALOS-2衛(wèi)星SAR影像為數(shù)據(jù)源(2015年7月27日至2018年7月23日)，拍攝模式為Stripmap模式，數(shù)據(jù)類型為FBD雙極化類型(HH+VV)，因自然地物對(duì)HH極化電磁波會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的回波信號(hào)，地質(zhì)災(zāi)害形變監(jiān)測優(yōu)選選用HH極化模式。拍攝范圍如圖1所示，圖中紅色圈出區(qū)域?yàn)橛跋窀采w范圍，綠色所圈區(qū)域?yàn)榛路秶?/p>

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Map of study area

3 數(shù)據(jù)處理流程

常規(guī)D-InSAR技術(shù)受時(shí)間和空間失相干的影響，其運(yùn)用受到較大程度限制。PS-InSAR[11-12]方法雖然可有效解決失相干和大氣延遲等問題，但對(duì)SAR 影像數(shù)目要求較多，一般需要15景以上。而SBAS-InSAR方法[13-14]對(duì)SAR 影像數(shù)目要求相對(duì)來說不是很嚴(yán)格，在數(shù)據(jù)量相對(duì)有限情況下，該方法可優(yōu)先選擇。但SBAS-InSAR方法獲得的形變監(jiān)測結(jié)果精度較PS-InSAR技術(shù)要低，數(shù)據(jù)量至少需要6景影像。SBAS-InSAR方法通過連接具有長基線距且相互獨(dú)立的SAR影像，形成短基線 SAR 影像集合，從而增加數(shù)據(jù)獲取的采樣率，可在已有的SAR影像數(shù)據(jù)集中形成若干小集合，每個(gè)小集合內(nèi)SAR影像間的基線較小，集合間 SAR影像的基線較大。SBAS-InSAR方法流程如圖2所示，具體處理流程如下所述。

3.1 生成連接圖

因數(shù)據(jù)范圍很大，而滑坡區(qū)域只是一小部分，因此對(duì)SLC數(shù)據(jù)進(jìn)行了裁剪處理，從而減少數(shù)據(jù)，節(jié)省處理時(shí)間。裁剪后對(duì)所有圖像建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，每對(duì)主從影像空間基線距設(shè)為臨界基線距的45%，時(shí)間基線距設(shè)為1 000 d，共得到15對(duì)像對(duì)。圖3是生成的數(shù)據(jù)配對(duì)圖表，圖中像對(duì)用線連接，輸入的數(shù)據(jù)用點(diǎn)表示。每個(gè)像對(duì)的空間基線距和時(shí)間基線距如圖4所示。

圖2 SBAS-InSAR處理流程Fig.2 Process flow chart of SBAS-InSAR

圖3 數(shù)據(jù)配對(duì)Fig.3 Paired data

圖4 數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間和空間基線距Fig.4 Time baseline and spatial baseline of paired data

3.2 干涉工作流生成

根據(jù)像對(duì)的連接關(guān)系，對(duì)每一對(duì)像對(duì)進(jìn)行干涉工作流處理(干涉圖生成、去平、濾波、相干性計(jì)算、相位解纏)，生成一系列解纏之后的相位圖。以2018年5月28日和7月23日兩景影像形成的像對(duì)為例，經(jīng)干涉圖生成、去平、濾波、相干性計(jì)算、相位解纏，生成的相干系數(shù)如圖5所示，相干系數(shù)越大表示擾動(dòng)性越小。相位解纏后干涉條紋圖如圖6所示。所有的干涉條紋圖最終都與超級(jí)主影像進(jìn)行了配準(zhǔn)，為下一步軌道精煉、重去平以及SBAS-InSAR的反演做準(zhǔn)備。

圖5 相干系數(shù)圖Fig.5 Coherent coefficient

圖6 相位解纏后的條紋圖Fig.6 Interferogram after phase unwrapping

3.3 軌道精煉和重去平

這一步是估算和去除殘余的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道。其中至關(guān)重要的是GCP的選擇，選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：沒有殘余地形條紋；沒有形變條紋，遠(yuǎn)離形變區(qū)域，除非已知這個(gè)點(diǎn)的形變速率；沒有相位躍變，如果GCP點(diǎn)位于一個(gè)孤立相位上，并且解纏的值非常差，這個(gè)位置可能是斜坡相位的一部分，那么選擇的這個(gè)GCP是不對(duì)的。由于在SBAS中很難找到完美的GCP可以全部用在所有的數(shù)據(jù)對(duì)中(因?yàn)閿?shù)據(jù)對(duì)擁有不同的相干性)，因此建議多選擇一些GCP，至少20～30個(gè)點(diǎn)。

3.4 第一步反演

這一步是SBAS-InSAR反演的核心步驟，第一次估計(jì)位移速率和殘余地形，用來對(duì)合成的干涉圖進(jìn)行去平，重新作相位解纏和精煉處理，二次解纏，生成更優(yōu)化的結(jié)果，用于下一步計(jì)算。

3.5 第二步反演

這一步的核心是計(jì)算時(shí)間序列上的位移，在第一步得到的形變速率基礎(chǔ)上，進(jìn)行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，得到更加純凈的時(shí)間序列上的最終位移結(jié)果。

3.6 地理編碼

將SBAS-InSAR反演的結(jié)果進(jìn)行地理編碼，獲得衛(wèi)星拍攝視線向平均沉降速率和累計(jì)沉降值，如圖7～8所示。

圖7 年平均沉降速率(單位：cm/a)Fig.7 Average annual settlement rate

圖8 累計(jì)沉降值(單位：cm)Fig.8 Cumulative settlement value

4 結(jié)果分析

從圖7中可看出滑坡體后緣呈現(xiàn)下降趨勢，年平均沉降速率介于13～31 cm/a之間?；麦w中部和前緣部分區(qū)域都有抬升，抬升速率介于3～21 cm/a。從圖8中可知在2015年7月27日至2018年7月23日3 a時(shí)間內(nèi)，滑坡后緣累計(jì)沉降值為81～155 cm，中部和前緣累計(jì)抬升值為6～52 cm。在圖8中選取A處進(jìn)行時(shí)序分析。歷史形變見圖9，可以看出，A點(diǎn)累計(jì)沉降值為75 cm，2015年7月27日至2016年7月25日1 a時(shí)間沉降值較大，2016年7月25日至2018年5月28日形變較緩，而2018年5月28日至2018年7月23日約兩個(gè)月時(shí)間形變速率明顯加快。B點(diǎn)歷史形變?nèi)鐖D10所示，累計(jì)沉降值為70 cm，整體形變趨勢與A點(diǎn)相似，都為前一年形變較大，中間趨緩，后兩個(gè)月形變速率明顯加快。C點(diǎn)歷史形變圖如圖11所示，形變趨勢為先下降后抬升，最終抬升約18 cm，推測原因?yàn)榛潞缶壋掷m(xù)滑移導(dǎo)致前部抬升。

圖9 A點(diǎn)歷史形變Fig.9 The history deformation tendency of the Point A

圖10 B點(diǎn)歷史形變Fig.10 The history deformation tendency of the Point B

圖11 C點(diǎn)歷史形變Fig.11 The history deformation tendency of the Point C

5 結(jié) 語

本文以白格滑坡為監(jiān)測對(duì)象，采用SBAS-InSAR技術(shù)進(jìn)行沉降監(jiān)測，獲得白格滑坡災(zāi)前年平均沉降速率和累計(jì)沉降值圖。從監(jiān)測結(jié)果中可知，白格滑坡在發(fā)生前已有較大形變，且形變趨勢為先急后緩，在滑坡災(zāi)害發(fā)生前數(shù)月形變速率明顯加快。沉降趨勢與實(shí)際結(jié)果一致，證明了SBAS-InSAR技術(shù)用于滑坡早期識(shí)別與動(dòng)態(tài)監(jiān)測的可行性，在廣域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測具有較廣的發(fā)展應(yīng)用前景。因未對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行災(zāi)前持續(xù)遙感監(jiān)測，所以監(jiān)測結(jié)果僅僅是白格滑坡發(fā)生后為獲得滑坡發(fā)生前的形變趨勢而做得工作，但滑坡的監(jiān)測預(yù)警更至關(guān)重要，后期會(huì)進(jìn)一步采用SAR遙感的多期差分干涉持續(xù)監(jiān)測，通過發(fā)現(xiàn)災(zāi)害、災(zāi)害識(shí)別及趨勢分析等關(guān)鍵內(nèi)容的研究，建立發(fā)現(xiàn)滑坡變動(dòng)范圍，監(jiān)視形變趨勢的理論方法。

受數(shù)據(jù)量的影響，本次研究未采用精度更高的PS-InSAR技術(shù)，將來隨著數(shù)據(jù)量的累積，擬采用兩種方法相結(jié)合進(jìn)行綜合分析研究，進(jìn)一步提高監(jiān)測精度。

致 謝

本文所采用的ALOS-2衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù)由天下圖公司提供。