李萬林，周英帥

(1.西寧市測繪院，青海 西寧 810001；2.自然資源部第二地理信息制圖院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中國是世界上人口最多的國家，且國土面積在世界上也排在前列。然而，密集的人類社會活動再加上地質(zhì)構(gòu)造運動和臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害也正在共同影響著中國的地質(zhì)環(huán)境和自然環(huán)境，這使得中國成為了世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最頻繁、受災(zāi)最嚴(yán)重的國家之一。地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，主要包括滑坡、泥石流、崩塌、地裂縫、地面沉降等。頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給我國帶來了極大的經(jīng)濟(jì)和人員損失[1]。據(jù)自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心發(fā)布的《全國地質(zhì)災(zāi)害通報(2018年)》顯示，2018年全國共發(fā)生的中型以上(中型、大型、特大型)地質(zhì)災(zāi)害計316起，造成了73人傷亡以及10.7億元的直接經(jīng)濟(jì)損失。雖然自2013年來，我國地質(zhì)災(zāi)害造成的人員和經(jīng)濟(jì)損失有著逐年遞減的趨勢，但是地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失仍然是目前不容忽視的國家重大損失之一。

早期的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測手段主要有GPS(Global Position System)測量、近景攝影測量、三角網(wǎng)測量、水準(zhǔn)測量等，這些方法由于無法提前布設(shè)控制點、儀器搬運存在困難以及人力物力消耗高、費時費力等缺陷，使得此類技術(shù)無法在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中得到有效運用[2-3]。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(Intetrferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)作為新型遙感對地觀測技術(shù)，以其全方位、多層次、寬領(lǐng)域、全天候、全天時、高精度的優(yōu)勢彌補了傳統(tǒng)測量手段的短板，擴展了形變監(jiān)測研究的領(lǐng)域，近年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中國西南山區(qū)[4-6]、西北地區(qū)[7-9]以及三峽庫區(qū)的地表形變監(jiān)測[10-13]、地質(zhì)災(zāi)害識別和成因研究中，同時為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了重要的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐[14]。

臺風(fēng)是一種災(zāi)害性的天氣系統(tǒng)，它的破壞力極強，且一旦登錄人口聚集地，必將帶來大量的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失[15]，2019-08-09，“利奇馬”登錄浙江。“利奇馬”臺風(fēng)是1949年以來登錄浙江的臺風(fēng)中強度排行第三的臺風(fēng)，在不到一天的時間內(nèi)已經(jīng)造成了浙江402萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失也達(dá)到了70多億元。作為自然災(zāi)害，臺風(fēng)對地質(zhì)災(zāi)害的影響絲毫不亞于地震，其帶來的超強風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害會引起滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。據(jù)浙江省自然資源廳發(fā)布的消息稱，受“利奇馬”影響，浙江新增地質(zhì)災(zāi)害隱患點400多處，而常規(guī)大地測量手段在這種情況下很難找到地質(zhì)災(zāi)害的具體位置以及量級大小。因此，本次實驗采用差分InSAR(Differential InSAR，D-InSAR)技術(shù)，利用其不受云霧雨雪天氣影響的能力，實現(xiàn)對臺風(fēng)前后地質(zhì)災(zāi)害范圍和形變大小的監(jiān)測。

1 D-InSAR技術(shù)簡介

D-InSAR技術(shù)是InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的差分干涉技術(shù)，其靈感源于楊氏雙縫干涉實驗，基本原理是獲取同一地區(qū)的2～4幅SAR影像，得到地表發(fā)生形變前后在SAR影像雷達(dá)視線方向(Line of Sight，LOS)上的方向差，并解算出地表目標(biāo)區(qū)域在LOS方向上的形變。根據(jù)參與干涉SAR影像數(shù)量的不同，D-InSAR技術(shù)又可以分為二軌法、三軌法和四軌法，其中二軌法需要借助外部DEM，是較為常用的D-InSAR技術(shù)。

二軌法D-InSAR技術(shù)原理如圖1所示，其中Bp是基線在斜距方向上的投影，B⊥是基線在垂直于斜距方向上的投影，r是雷達(dá)到點P的距離，Δr代表獲取的兩幅SAR影像時間間隔內(nèi)，目標(biāo)點從點P的位置移動到P′沿雷達(dá)視線方向的位移大小。

圖1 二軌法D-InSAR技術(shù)原理圖

設(shè)D-InSAR測量中得到的干涉相位為φ，則φ除了形變相位φdisp以外，還包括平地相位φflat，地形相位φland，纏繞相位φwrap、總噪聲相位φnoise以及大氣延遲相位φair。因此，φ的表達(dá)式如下：

φ=φ(φdisp+φflat+φland+φwrap+φnoise+φair).

(1)

而式(1)中，φdisp是需要求得的形變相位，因此需要將剩余的其他相位去除，從而得到真實的地表形變。在干涉中產(chǎn)生的φnoise、φwrap和φair分別可以通過濾波、相位解纏以及選取地面控制點(穩(wěn)定點)的方法進(jìn)行去除，φflat和φland則可以通過導(dǎo)入外部DEM數(shù)據(jù)，利用式(2)消除。

(2)

其中，d是地面點P的高程;α為雷達(dá)入射角;λ為雷達(dá)波波長。經(jīng)過整理，將式(1)中的其他相位誤差去除，得到：

(3)

最后求出地面目標(biāo)在LOS方向上的形變,即：

(4)

2 研究區(qū)域概況及實驗數(shù)據(jù)選取

本次實驗研究區(qū)域位于麗水市東部、溫州市北部、臺州市西部以及金華市南部地區(qū)(見圖2)，坐標(biāo)范圍為27°47′35″N～29°18′34″N，118°50′32″E～120°52′48″E，其覆蓋面積達(dá)到了2.43萬km2。該區(qū)域多為浙江省的山區(qū)，不僅山巒疊起、植被眾多，且有許多農(nóng)田裸露于山間，因此此區(qū)域在臺風(fēng)來襲、降雨量驟增的情況下更容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

圖2 研究區(qū)域位置及覆蓋范圍

為探求臺風(fēng)對浙江省山區(qū)的影響，本次實驗選取兩幅C波段歐空局Sentinel-1A降軌影像，獲取時間在臺風(fēng)來臨前后，分別為2019-08-09和2019-08-21，其時間間隔為12 d，空間基線長度為32.75 m，為提高D-InSAR的干涉結(jié)果精度，實驗選取Sentinel-1A精密軌道數(shù)據(jù)校正影像。實驗中所使用的DEM數(shù)據(jù)是由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)測量的具有30 m分辨率的SRTM DEM。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

本次實驗利用D-InSAR技術(shù)處理得到了在2019-08-10臺風(fēng)來臨前后的地表形變變化情況。從雷達(dá)干涉圖中可以得出，由于SAR雷達(dá)波段為C波段，因此其穿透能力略差于L波段，對于植被較多的地區(qū)，其干涉圖會出現(xiàn)被分成多塊的情況(見圖3)。實際上，雖然圖3中呈現(xiàn)的條紋明顯的區(qū)域面積較小，但在其他存在大面積噪聲的區(qū)域中仍然存在大量相干系數(shù)大于0.5的離散點(見圖4)。因此，為解決干涉條紋離散且噪聲點相干性較強的情況，本次實驗采用Delauny三角網(wǎng)的方式對濾波結(jié)果進(jìn)行最小費用流解纏，并且將解纏的相干系數(shù)閾值設(shè)置在0.6以上。本次實驗將得到的浙江省D-InSAR結(jié)果從LOS方向投影至垂直地面方向，其形變圖如圖5所示。

圖3 D-InSAR濾波后干涉圖

圖4 離散點相干系數(shù)圖

圖5 D-InSAR地表形變監(jiān)測結(jié)果

從圖5中可以得知，在8月9—21日期間，研究區(qū)域超過60%的區(qū)域形變量在-3～3 cm之間，且多在山區(qū)地形中，受到植被和臺風(fēng)的影響，此類結(jié)果大都以離散點的形式出現(xiàn)。在相干系數(shù)較高、干涉條紋連續(xù)的城市地區(qū)，其結(jié)果也多呈現(xiàn)為不穩(wěn)定的形變。其中，為更好的呈現(xiàn)高危下沉區(qū)域結(jié)果，實驗將D-InSAR結(jié)果進(jìn)行篩選，挑選下沉量大于8 cm的區(qū)域(見圖6)，并將下沉區(qū)域面積大小、下沉中心、最大形變量等信息列舉在表1當(dāng)中。

圖6 形變監(jiān)測結(jié)果大于11 cm篩選結(jié)果

表1 形變量大于8 cm區(qū)域信息表

從圖6中可以看出，下沉量大于8 cm的區(qū)域均聚集于城市地區(qū)，但同時在山區(qū)也有間隔較小的離散點(區(qū)域4)，這些點覆蓋范圍較大，且存在于山區(qū)中，由于在D-InSAR處理過程中已經(jīng)篩選了相干系數(shù)小于0.6的點，因此區(qū)域4中的離散點相干性較好，盡管不是聚集式的形變，但其結(jié)果也說明山區(qū)仍存在量級較大的下沉現(xiàn)象，同樣具有參考價值。

另外，本次實驗在臺風(fēng)來臨前后在不同縣、區(qū)選取共6個點進(jìn)行水準(zhǔn)測量，以得到其在臺風(fēng)來臨前后的高程變化，并將其和InSAR的垂直形變結(jié)果進(jìn)行比對，InSAR測量時間為2019-08-09—2019-08-21，比較結(jié)果如表2所示。從比對結(jié)果中可以看出，D-InSAR結(jié)果與水準(zhǔn)測量結(jié)果間差值最高為0.8 cm，同時，實驗中提取了抬升量大于0.4 cm和下沉量大于0.8 cm的區(qū)域，并與浙江省8月10—12日地質(zhì)災(zāi)害隱患點風(fēng)險預(yù)警圖(簡稱預(yù)警圖)進(jìn)行比較(見圖7)，結(jié)果表明，監(jiān)測到的下沉和抬升區(qū)域分布情況與預(yù)警圖結(jié)果基本符合，證明了形變監(jiān)測結(jié)果的有效性，同時說明在地質(zhì)災(zāi)害隱患點風(fēng)險區(qū)域均發(fā)生了不穩(wěn)定的抬升和下沉形變。

表2 水準(zhǔn)測量與InSAR測量結(jié)果比較 cm

圖7 形變監(jiān)測結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害隱患點風(fēng)險預(yù)警圖結(jié)果比較

4 結(jié) 論

本次研究基于歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星影像，運用D-InSAR技術(shù)對浙江省南部地區(qū)進(jìn)行了地表形變監(jiān)測和地質(zhì)災(zāi)害隱患的排查，基本查明了在“利奇馬”來臨前后研究區(qū)域的地表形變情況。本次研究將InSAR監(jiān)測結(jié)果和實地高程測量結(jié)果進(jìn)行比對，證實了D-InSAR結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，研究區(qū)域中存在60%的形變結(jié)果呈現(xiàn)為±2 cm的形變，同時，實驗篩選出4處下沉量超過8 cm的區(qū)域以及4處抬升量大于4 cm的區(qū)域，其中，下沉區(qū)域最大下沉量均超過了10 cm，范圍都超過10 km2，因此，下沉量超過8 cm的區(qū)域均為地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域，需要重點關(guān)注。

本次研究將不穩(wěn)定的形變區(qū)域和地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域預(yù)警圖進(jìn)行比較，兩者劃分區(qū)域的位置基本一致，說明D-InSAR結(jié)果能監(jiān)測地表形變變化和范圍。研究結(jié)果表明，D-InSAR技術(shù)能監(jiān)測到毫米級別的形變，同時不會受到云霧雨雪天氣的影響，在臺風(fēng)來臨前已經(jīng)對浙江的降雨產(chǎn)生影響的時刻仍然能夠得到清晰的SAR影像并進(jìn)行干涉。同時，研究結(jié)果表明，受到植被、水體等地理環(huán)境因素的影響，利用C波段監(jiān)測山區(qū)中的地表形變結(jié)果多是以離散點形式出現(xiàn)。因此，可以考慮使用穿透性更強的L波段數(shù)據(jù)得到高相干點更連續(xù)的形變規(guī)律，同時，可以使用多景SAR影像進(jìn)行時序InSAR監(jiān)測，從而發(fā)現(xiàn)形變異常區(qū)域，用于危險預(yù)警、為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測提供理論和數(shù)據(jù)支持。