黃遠(yuǎn)林，施顯健，任 超,3，周 呂,3*，朱子林

(1.北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，欽州 535011；2.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，桂林 541004；3.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004)

滑坡是指山體中位于斜坡部分的巖土體，受雨水沖刷和浸泡、地下水位變化、地震震動(dòng)、人類(lèi)開(kāi)采影響而引發(fā)的巖土體沿著傾斜面下滑的現(xiàn)象[1-3]?；略谑澜缃^大多數(shù)地區(qū)都有發(fā)生，而由滑坡而引起的一系列地質(zhì)災(zāi)害給人類(lèi)帶來(lái)極大的人員和財(cái)產(chǎn)損失[4-6]。廣西地區(qū)地處中國(guó)地勢(shì)第二級(jí)階梯與第三級(jí)階梯過(guò)渡帶，地形以山地、丘陵為主，地質(zhì)結(jié)構(gòu)脆弱復(fù)雜。近年來(lái)受全球變暖所帶來(lái)的強(qiáng)降雨等極端天氣頻發(fā)的影響，廣西地區(qū)滑坡坍塌災(zāi)害頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人民生命和財(cái)產(chǎn)安全[7]。因此，開(kāi)展適合廣西地區(qū)地理特點(diǎn)的滑坡形變監(jiān)測(cè)研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前常規(guī)的滑坡監(jiān)測(cè)方法主要是利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)技術(shù)或水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)組建形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)來(lái)對(duì)山體及邊坡進(jìn)行高精度的形變監(jiān)測(cè)。但是上述滑坡監(jiān)測(cè)方法需要耗費(fèi)較多的人力物財(cái)力，且測(cè)量周期長(zhǎng)、較難獲取大尺度及長(zhǎng)時(shí)間序列的形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。近年快速發(fā)展的干涉合成孔徑雷達(dá)(interferometric synthetic aperture radar，InSAR) 技術(shù)憑借著大尺度地表形變測(cè)繪能力受到了眾多學(xué)者的關(guān)注[8]。以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的時(shí)間序列干涉合成孔徑雷達(dá)(time-series interferometric synthetic aperture radar，TS-InSAR) 技術(shù)較好的克服了差分干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR) 在大數(shù)據(jù)處理中的不足，實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間序列的形變監(jiān)測(cè)，為地表大尺度及長(zhǎng)時(shí)間序列形變監(jiān)測(cè)提供了新技術(shù)支持[9-11]。

廣西合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR) 影像相對(duì)短缺及商用影像定制昂貴等問(wèn)題曾一定程度上限制了InSAR技術(shù)應(yīng)用于廣西地質(zhì)監(jiān)測(cè)。而歐洲航天局(ESA)2014年發(fā)射的哨兵-1A(Sentinel-1A)衛(wèi)星具有重訪周期短(12 d)、全球大面積監(jiān)測(cè)、SAR影像分辨率高(可達(dá)5 m)及數(shù)據(jù)開(kāi)源的特點(diǎn)[12]，較好彌補(bǔ)了這一問(wèn)題，為建立適合廣西地理特點(diǎn)的滑坡監(jiān)測(cè)方案提供數(shù)據(jù)支撐。以廣西岑溪地區(qū)為例，基于InSAR技術(shù)和岑溪地區(qū)2016—2019年的20景哨兵-1A SAR影像數(shù)據(jù)，提取了岑溪地區(qū)地表形變結(jié)果，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行滑坡形變隱患識(shí)別與形變監(jiān)測(cè)的研究，以期為廣西其他地區(qū)應(yīng)用InSAR滑坡監(jiān)測(cè)提供案例參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)集

廣西岑溪地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，是中國(guó)主要的花崗石原產(chǎn)地之一。近年來(lái)，岑溪地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，GDP屢創(chuàng)新高，并成功撤縣建市(梧州管轄)。然而岑溪地處桂東南博白-岑溪斷裂帶，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隨著城鎮(zhèn)的急劇擴(kuò)張，岑溪本就脆弱的生態(tài)環(huán)境開(kāi)始加速惡化。又因全球變暖導(dǎo)致的強(qiáng)降雨等極端天氣頻發(fā)，岑溪滑坡崩塌災(zāi)害發(fā)生頻率逐年上漲，已成為梧州地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地，嚴(yán)重威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。綜合上述分析，以岑溪地區(qū)為研究區(qū)，進(jìn)行滑坡隱患識(shí)別和形變監(jiān)測(cè)的研究。圖1為研究區(qū)概況。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

實(shí)驗(yàn)使用TS-InSAR技術(shù)和廣西岑溪地區(qū)2016年12月11日—2019年9月3日的20景哨兵-1A SAR數(shù)據(jù)，輔以POD精軌數(shù)據(jù) (ESA提供)、90 m分辨率的SRTM DEM V4分別排除軌道誤差、地形相位，提取了岑溪地區(qū)地表形變結(jié)果。表1為SAR數(shù)據(jù)基本參數(shù)，利用20景哨兵-1A構(gòu)建的時(shí)空基線分布如圖2所示。

圖2 哨兵-1A時(shí)空基線分布Fig.2 The Spatio-temporal baseline distribution of Sentinel-1A

表1 哨兵-1A基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of Sentienl-1A

此外，為了更好地掌握滑坡形變與降雨的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)引入美國(guó)GPM團(tuán)隊(duì)提供的多星降水產(chǎn)品IMERG(integrated multi-satellite retrievals for GPM)進(jìn)行輔助分析，IMERG數(shù)據(jù)集版本為06B，空間分辨率0.1°×0.1°，監(jiān)測(cè)時(shí)間2016年12月—2019年3月。圖3為廣西2017年6月平均降水量。

圖3 廣西2017年6月平均降水量Fig.3 The average precipitation of Guangxi in December 2016

2 研究方法

時(shí)間序列干涉合成孔徑雷達(dá)分為永久散射體干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR)和小基線集技術(shù)(satellite-based augmentation system interferometric synthetic aperture radar，SBAS-InSAR)，相比D-InSAR技術(shù)，TS-InSAR技術(shù)較好地克服了失相干和大氣校正誤差影響[13]。實(shí)驗(yàn)采用了永久散射體干涉技術(shù)對(duì)廣西岑溪地區(qū)的20景哨兵-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行形變提取。

PS-InSAR處理哨兵-1A SAR數(shù)據(jù)的原理是利用時(shí)序SAR影像中具有較高干涉相關(guān)性的點(diǎn)目標(biāo)構(gòu)建相位模型并解算時(shí)間序列上位移值。即采用以下模型來(lái)輸出差分干涉圖：

ΦPS=Φtopo+Φatm+Φdef+Φn+Φorb

(1)

式(1)中：ΦPS表示干涉相位總量；Φtopo表示地形起伏變化引起的地形相位；Φatm表示大氣延遲的相位；Φdef表示雷達(dá)視線方向 (line of sight，LOS) 形變相位；Φn表示噪聲相位；Φorb表示衛(wèi)星軌道誤差相位。

由于LOS向形變相位由Φnon(非線性部分)和Φlin(線性部分)組成：Φdef=Φnon+Φlin，使用SRTM 90 m DEM version 4可排除地形相位Φtopo，但會(huì)產(chǎn)生Φdem(高程誤差相位)，式(1)表示為

ΦPS=Φatm+Φn+Φnon+Φorb+Φlin+Φdem

(2)

(3)

式(3)中：BT表示時(shí)間基線；BV表示雷達(dá)視向空間垂直基線；Δυ表示差分干涉圖中目標(biāo)點(diǎn)的高程差的變化；Δh表示干涉圖目標(biāo)點(diǎn)形變速率的變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表形變結(jié)果

利用InSAR和哨兵-1A提取的廣西岑溪地區(qū)地表形變結(jié)果如圖4所示，數(shù)據(jù)顯示：研究區(qū)共探測(cè)到341 278個(gè)形變點(diǎn)，形變?yōu)?5.9 ～ 0 mm/a的占總目標(biāo)數(shù)的49%，小于-6 mm/a的占比3%。形變方面：岑溪市區(qū)地表形變呈現(xiàn)出中心城區(qū)緩慢抬升而外圍城區(qū)保持低于-1.9 mm/a沉降速率的形變分布。整體來(lái)看，岑溪中心城區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)和地表負(fù)荷趨于穩(wěn)定，各片區(qū)有自來(lái)水供應(yīng)。而岑溪外圍城區(qū)呈擴(kuò)張趨勢(shì)，施工建設(shè)不斷增多，工程建設(shè)多抽取地下水，地表整體負(fù)荷持續(xù)增加。上述因素很可能是導(dǎo)致岑溪地表不均勻形變的主要原因。此外，歸義鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)到大面積地表沉降，推測(cè)其地表沉降主要受岑溪東擴(kuò)的影響：岑溪南北皆有山嶺環(huán)繞，故城區(qū)呈東西向擴(kuò)張，歸義鎮(zhèn)由于岑溪市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城區(qū)的急劇擴(kuò)張，較多的承接來(lái)自岑溪的產(chǎn)業(yè)及規(guī)劃建設(shè)，導(dǎo)致歸義鎮(zhèn)地表負(fù)荷不斷增加，工程建設(shè)對(duì)地下水的抽取在增加。

圖4 岑溪地區(qū)地表形變結(jié)果Fig.4 Land deformation results in Cenxi area

3.2 滑坡隱患監(jiān)測(cè)及分析

綜合地表沉降速率、地形高程、城鄉(xiāng)安全等要素，發(fā)現(xiàn)3處滑坡隱患區(qū)域(圖4中S1～S3區(qū)域)。圖5為 S1區(qū)域的滑坡隱患分布圖。由圖5可以發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)開(kāi)采區(qū)內(nèi)的a、b、c、d四處邊坡下沉較為明顯，并且這個(gè)礦產(chǎn)開(kāi)采區(qū)與岑溪西城區(qū)相鄰，若發(fā)生大面積滑坡坍塌，可能造成較大損失。為了更好地掌握邊坡形變特征，提取了各隱患點(diǎn)的點(diǎn)目標(biāo)累積沉降數(shù)據(jù)和區(qū)域降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示。由圖6可知，2016年12月—2019年9月，a處邊坡下沉較為明顯，其最大累積沉降達(dá)-47.7 mm，邊坡平均下沉速率為-6.6 mm/a；b、c、d最大累積沉降分別為-47.7、-24.68、-26.1 mm，邊坡平均下沉速率分別為-6.6、-2.2、-2.3 mm/a。此外，通過(guò)對(duì)比月均降水量和點(diǎn)目標(biāo)形變量，發(fā)現(xiàn)降水增加時(shí)邊坡的形變變化越明顯，這可能與岑溪的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)：岑溪地區(qū)巖層主要由強(qiáng)度較高的層狀砂巖、花崗巖、泥巖、頁(yè)巖組成，地表主要是結(jié)構(gòu)松散和覆蓋較厚的第四系風(fēng)化殘積土，該積土具有易受外力形變、易積水和遇水膨脹變形的特性。當(dāng)對(duì)礦山進(jìn)行露天開(kāi)采形成采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)中失去植被和巖層覆蓋的風(fēng)化積土因降雨積水膨脹變形或被沖刷走，加之礦山開(kāi)采，緩慢誘發(fā)礦柱變形，導(dǎo)致山體邊坡逐漸垮塌。為預(yù)防邊坡失穩(wěn)滑坡影響城區(qū)，宜結(jié)合InSAR時(shí)序監(jiān)測(cè)和實(shí)地勘察定期評(píng)估S1區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性。

圖5 S1區(qū)域的滑坡隱患分布Fig.5 Distribution of hidden trouble points of landslide in S1 area

圖6 滑坡隱患點(diǎn)的累積沉降量Fig.6 Cumulative subsidence of hidden trouble points of landslide

圖7為S2區(qū)域的滑坡隱患分布圖。由圖7可知，包茂高速的均昌—嶺腳隧道公路沿線監(jiān)測(cè)到較多沉降點(diǎn)，且這些沉降點(diǎn)多位于公路橫穿山嶺的開(kāi)挖地帶。圖8顯示的e處的形變特征，可以發(fā)現(xiàn)，2016年12月—2019年9月，高速路段地表最大累積沉降為-18.3 mm，右側(cè)邊坡切割處最大累積沉降為-25.7 mm，與降雨的對(duì)比發(fā)現(xiàn)雨季來(lái)臨區(qū)域地表形變點(diǎn)發(fā)生明顯回升，其余時(shí)間呈下沉趨勢(shì)。經(jīng)核實(shí)發(fā)現(xiàn)該區(qū)段的高速公路穿越多個(gè)山體，且穿越的山體多為風(fēng)化富水圍巖、花崗巖、膨脹土巖層、部分泥巖的混合山體，地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變復(fù)雜，挖掘時(shí)曾多次引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。推測(cè)因公路開(kāi)挖而失去植被和堅(jiān)硬巖層覆蓋的風(fēng)化殘積土結(jié)構(gòu)松散易受外力及降雨影響，和公路工程和邊坡防護(hù)工程的修建所帶來(lái)的負(fù)荷增加以及土體的自固結(jié)過(guò)程是導(dǎo)致沿線及邊坡沉降的原因。圖9顯示了均昌—嶺腳高速公路沉降側(cè)視圖，可以發(fā)現(xiàn)均昌方向的沉降相對(duì)明顯，最大沉降速率為-11.4 mm/a，為避免公路不均勻沉降影響山體開(kāi)挖處兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，宜持續(xù)監(jiān)測(cè)沿線地表及邊坡的形變以預(yù)防公路邊坡滑坡。

圖7 S2區(qū)域的滑坡隱患分布Fig.7 Distribution map of hidden trouble points of landslide in S2 area

圖8 e處形變情況Fig.8 Deformation of e area

圖9 均昌—嶺腳區(qū)段高速公路沉降側(cè)視圖Fig.9 Side view of deformation of Junchang—Lingjiao expressway

圖10為放大的S3區(qū)域。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，本圳村周?chē)荷江h(huán)繞，其左側(cè)山體海拔約470 m處探測(cè)到面積約0.197 km2的邊坡發(fā)生沉降。圖11給出f處的點(diǎn)目標(biāo)的累積沉降量，可以發(fā)現(xiàn)，該邊坡最大累積沉降為-55.7 mm，平均沉降速率為-3.3 mm/a，多數(shù)形變點(diǎn)隨降雨變化明顯且呈下沉趨勢(shì)，疑似礦石開(kāi)采或因其他人為活動(dòng)影響而導(dǎo)致該邊坡下沉。為避免邊坡過(guò)快下沉而威脅到山下村落，宜結(jié)合實(shí)地觀測(cè)和考察以評(píng)估其穩(wěn)定性。

圖10 S3區(qū)域的滑坡隱患分布Fig.10 Distribution map of hidden trouble points of landslide in S3 area

圖11 滑坡隱患點(diǎn)的累積沉降量Fig.11 Cumulative subsidence of hidden trouble points of landslide

4 結(jié)論

以廣西岑溪地區(qū)為例，利用InSAR技術(shù)和岑溪地區(qū)2016年12月—2019年9月的20景哨兵-1A數(shù)據(jù)，提取了岑溪地區(qū)地表形變結(jié)果，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)、地形地貌特點(diǎn)及地面高程等因素，綜合評(píng)估了研究區(qū)內(nèi)的主要滑坡隱患和進(jìn)行了形變時(shí)序分析。結(jié)果表明，岑溪地區(qū)的滑坡隱患主要分布在礦山采空區(qū)、公路沿線邊坡、鄉(xiāng)村山嶺地帶，其地表及邊坡沉降多受生產(chǎn)建設(shè)等人為活動(dòng)影響而誘發(fā)，加之廣西地區(qū)重山復(fù)嶺的山體地貌及結(jié)構(gòu)多變復(fù)雜的地質(zhì)特點(diǎn)，在持續(xù)降雨的影響下加速下沉。此外，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、礦山、城鄉(xiāng)公路沿線邊坡及山嶺的沉降今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍呈逐漸增強(qiáng)及擴(kuò)大趨勢(shì)。研究結(jié)果顯示了以InSAR技術(shù)和哨兵-1A為依托和結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、地貌特點(diǎn)進(jìn)行廣西滑坡隱患早期大范圍識(shí)別和形變監(jiān)測(cè)的效率，研究結(jié)果可為相關(guān)部門(mén)制定防治計(jì)劃以及廣西其他地區(qū)應(yīng)用Sentinel-1A InSAR進(jìn)行地質(zhì)及滑坡監(jiān)測(cè)提供科學(xué)參考。