管 威

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

自從2018年3月30日以來，四川省自貢市榮縣和內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年9月10日，兩地共發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害高達(dá)19次。對附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后對礦區(qū)周邊地表形變探測及穩(wěn)定性評估在今后預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害方面具有重要意義。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性和不確定性，基于雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)的合成孔徑雷達(dá)干涉測量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技術(shù)為災(zāi)害發(fā)生后地表形變探測提供了新的技術(shù)途徑。InSAR技術(shù)是監(jiān)測地殼形變的有力手段，對于研究減災(zāi)具有重要的意義[1]。InSAR技術(shù)具有全天時、全天候、空間分辨率高等特點(diǎn)，可以大范圍、高靈敏度、無接觸的觀測地表變形，反演發(fā)震斷層幾何參數(shù)和滑動參數(shù)[2]。InSAR通過對同一地區(qū)不同時刻獲取的SAR影像的相位信息進(jìn)行干涉處理，并從干涉相位中提取地表形變信息，其中的地表形變信息可通過D-InSAR技術(shù)獲得，測量精度可達(dá)厘米甚至毫米級[3]?；跉W洲空間局哨兵一號（Sentinel-1）雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，反演了斷層滑動分布[4]。隨著雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)硬件的不斷提升，雷達(dá)遙感在未來將會發(fā)揮更加重要的作用[5]。

本文將利用D-InSAR技術(shù)，基于降軌Sentinel-1雷達(dá)影像獲取礦區(qū)地表形變情況，對榮縣和威遠(yuǎn)縣區(qū)域因地質(zhì)災(zāi)害造成的地表形變進(jìn)行探測，為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后穩(wěn)定性評估提供有力支持，同時也為地質(zhì)災(zāi)害的防治工作提供思路與借鑒。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域位于我國四川省東南部（圖1），主要包含自貢市榮縣和內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣（經(jīng)緯度范圍：104.3°E～104.7°E，29.35°N～29.62°N）。研究區(qū)域地貌為盆地和丘陵，西北部地勢較高，區(qū)域平均海拔500m。

圖1 研究區(qū)位置

圖2 用D-InSAR技術(shù)分析范圍

1.2 數(shù)據(jù)

本文所采用的研究數(shù)據(jù)為Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Sentinel-1衛(wèi)星是ESA（European Space Agency，歐洲航天局）執(zhí)行哥白尼全球觀測計(jì)劃所研制，由Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，可以進(jìn)行全球全天候、全天時高分辨率監(jiān)測，采用C波段成像，波長約5.6cm。本文采用的是Sentinel-1數(shù)據(jù)對地觀測默認(rèn)成像模式為IW（干涉寬幅），幅寬為250km，地面分辨率為5m×20m。本文研究研究區(qū)域根據(jù)榮縣多次地質(zhì)災(zāi)害所發(fā)生的時間和范圍（圖2），采用25景Sentinel-1A降軌數(shù)據(jù)及對應(yīng)精密軌道數(shù)據(jù)，軌道號為164。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 DInSAR原理

DInSAR技術(shù)的物理機(jī)制源自1801年Thomas Young設(shè)計(jì)的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”?；诖嗽?，利用衛(wèi)星雷達(dá)沿重復(fù)軌道獲取同一地區(qū)兩幅影像，然后進(jìn)行類似楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的相位干涉處理，得到干涉相位，進(jìn)而從干涉相位中分離和提取出不同的相位分量。SAR影像記錄了地面目標(biāo)雷達(dá)回波信號的散射強(qiáng)度信息和相位信息，DInSAR正是利用了兩幅影像斜距相位差。干涉相位Δφ由多個分量構(gòu)成，主要包括參考橢球面相位Δφref，地形相位Δφtop，形變相位Δφdef，大氣相位Δφatm和噪聲相位Δφnoi，具體如下 ：

從干涉相位中提取Δφdef，得到地標(biāo)形變ΔR，關(guān)系式如下：

2.2 處理結(jié)果

本文采用DInSAR技術(shù)，分別將2018年3月～2019年9月自貢榮縣和內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣的多次地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，使用AW3D30M的30m分辨率的高程數(shù)據(jù)消除地形相位，采用自適應(yīng)濾波的方法減少相位噪聲，并采用最小費(fèi)用流法進(jìn)行解纏。最后處理得到15幅相位干涉圖（圖3）是纏繞在一個相位周期（-π～π）內(nèi)的觀測結(jié)果。

圖3 干涉圖

從干涉圖結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)”20190216～20190228”干涉結(jié)果中有一處明顯形變，其他干涉圖中并未發(fā)現(xiàn)有明顯形變的地方。

3 分析

將”20190216～20190228”干涉結(jié)果解算為礦區(qū)周邊地表形變值（圖4），得到形變量值在-22.9mm～22.3mm之間，負(fù)值代表地表沉降，正值代表地表抬升。將形變圖與斷層（地質(zhì)）數(shù)據(jù)結(jié)合（黑線代表斷層），紅色圓點(diǎn)代表3次地質(zhì)災(zāi)害所發(fā)生的位置。

圖4 20190216-20190228地表形變

如圖3，Ⅰ區(qū)域?yàn)榈V區(qū)周邊地表形變抬升區(qū)域，面積約24km2，Ⅱ區(qū)域?yàn)榈乇硇巫兂两祬^(qū)域，面積約為8km2。Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域分別位于斷層兩側(cè)，地表形變呈現(xiàn)相反的結(jié)果。四川省內(nèi)的地震具有西強(qiáng)東弱的特點(diǎn)，榮縣地處四川東部，從歷史記載和實(shí)際構(gòu)造來看，榮縣沒有發(fā)生6級以上強(qiáng)烈地震的構(gòu)造基礎(chǔ)。圖4中地表形變結(jié)果也表明，斷層?xùn)|部抬升區(qū)域（Ⅰ區(qū)域）面積明顯大于斷層西部部沉降區(qū)域（Ⅱ區(qū)域）。

4 結(jié)語

本文利用降軌Sentinel-1雷達(dá)影像采用D-InSAR技術(shù)獲取了礦區(qū)周邊地表的形變。通過分析2019年02月24日、2019年02月25日的幾次地質(zhì)災(zāi)害：兩天之內(nèi)發(fā)生，深度均為5km，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾次地質(zhì)災(zāi)害引起較大范圍礦區(qū)周邊地表的形變。因此使用DInSAR技術(shù)和sentinel-1A數(shù)據(jù)，能探測到短時間、小范圍多次地質(zhì)災(zāi)害所造成礦區(qū)周邊區(qū)域地表形變。