曾琳，鐵永波，管威，茍繼松，孫瑋，戴可人,3

雷達(dá)遙感探測甲居滑坡蠕滑變形與潛在失穩(wěn)因素分析

曾琳1，鐵永波2，管威1，茍繼松1，孫瑋1，戴可人1,3

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610029）

本文利用InSAR時(shí)間序列方法，獲取丹巴縣甲居滑坡2017-2019年期間的50期Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，揭示該滑坡的蠕滑變形分布規(guī)律。結(jié)果表明，甲居滑坡南側(cè)次滑坡基本趨于穩(wěn)定，但北側(cè)坡體最大形變速率仍達(dá)75mm/yr，較為活躍。通過實(shí)地調(diào)查與驗(yàn)證，分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合，表明該方法對川西高山峽谷區(qū)蠕變滑坡的監(jiān)測具有較好的效果。成果可為該滑坡的發(fā)展趨勢預(yù)測及防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

雷達(dá)遙感；InSAR；甲居滑坡；蠕滑變形；失穩(wěn)因素

1 緒論

目前，滑坡監(jiān)測除常用的現(xiàn)場安置儀器檢測外，GPS監(jiān)測以及合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）方法也逐步被采納?；码[患區(qū)往往位于山區(qū)河谷，前兩種方法很難大面積布設(shè)用于獲取緩慢移動(dòng)的滑坡形變。而InSAR技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、大范圍、高精度等優(yōu)勢，能夠探測微小的地表形變。1996年法國學(xué)者Achache、Fruneau等率先將DInSAR應(yīng)用于小范圍滑坡形變監(jiān)測（Achache et al，1996; Fruneau et al，1997）。由于滑坡地區(qū)植被覆蓋，導(dǎo)致DInSAR技術(shù)無法獲取精確的地表形變?；跁r(shí)間序列影像的短基線集干涉測量（Small Baseline Subsets, SBAS-InSAR）是一種基于相位空間相干性分析的技術(shù)，SBAS方法是按照短時(shí)空基線的原則組合生成干涉圖以提高其相干，通過對差分干涉圖的多視處理降低相位噪聲，提取高相干性的像元，再應(yīng)用奇異值分解求得影像序列間地表形變速率的最小二乘解，得到整時(shí)間段的形變時(shí)間序列（Mora etal，2002），已在滑坡應(yīng)用上取得不少成功案例（Daietal，2016；Zhaoetal，2018；李振洪等，2019；戴可人等，2019）。

圖1 (a)甲居滑坡的位置；(b)研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境（其中滑坡邊界引自（Yin et al，2010）；(c)甲居滑坡I-I’地質(zhì)剖面圖(剖面參考（Dong et al，2018）)

表1 SAR數(shù)據(jù)獲取日期與主要參數(shù)

2010年中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心采用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測甲居滑坡，獲取滑坡兩期位移量并發(fā)現(xiàn)與GPS監(jiān)測結(jié)果較為符合（Yinetal，2010）。2017年熬萌等基于小基線集算法和人工角反射器干涉技術(shù)（Corner Reflector-InSAR, CR）周期圖算法，探討CR-InSAR在甲居滑坡監(jiān)測的可行性（熬萌等，2017）。2018年Dong等探索出一種PS與DS相結(jié)合的時(shí)間序列方法CSI，將其應(yīng)用于甲居滑坡的地表位移監(jiān)測，得到的結(jié)果與GPS表現(xiàn)出較好的一致性（Dongetal，2018）；上述研究時(shí)間段集中在2006—2011年。甲居滑坡一直處于活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測現(xiàn)階段蠕變狀態(tài)對于災(zāi)害防治具有重要意義。

2014年歐洲空間局Sentinel-1衛(wèi)星升空，持續(xù)提供C波段雷達(dá)影像數(shù)據(jù)。為探測近年來甲居滑坡形變情況，本文使用了2017年9月至2019年8月覆蓋研究區(qū)的C波段Sentinel-1雷達(dá)影像，利用SBAS-InSAR技術(shù)對丹巴縣大渡河沿岸甲居滑坡進(jìn)行識(shí)別，探究當(dāng)前滑坡的形變情況。結(jié)合地質(zhì)資料、實(shí)地踏勘對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析滑坡的影響因素。

2 研究區(qū)概況

甲居村距離丹巴縣城約6km，以獨(dú)特藏寨被評為中國最美村莊之一。旅游業(yè)發(fā)展推動(dòng)甲居村迅速擴(kuò)展，但它位于緩慢移動(dòng)的甲居滑坡之上。如圖 1(b)所示，甲居滑坡形似“M”，由兩個(gè)次級滑坡匯合而成，分為北部和南部兩部分，坡度10°~32°。主要形變坡體集中在北部滑坡，該滑坡由碎石土、卵石和粉砂粘土組成，屬松散土類。甲居滑坡面積1.2km2，東西向長約1200m，南北向?qū)捈s1000m，體積估計(jì)約為2600萬m3，屬特大型牽引式中深層土質(zhì)滑坡?；聟^(qū)無統(tǒng)一滑動(dòng)面和主滑方向，主要表現(xiàn)為覆蓋層內(nèi)部的多級、多期次變形。該滑坡目前處于蠕滑狀態(tài)，滑坡中心有一條大裂縫，沿?cái)嗔褞Э砂l(fā)現(xiàn)許多有裂縫的房屋。

圖2 Sentinel-1影像時(shí)空基線圖

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 SAR數(shù)據(jù)

Sentinel-1衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計(jì)劃（GMES）中的對地觀測衛(wèi)星，載有C波段（波長為5.6cm）合成孔徑雷達(dá)。為了揭示甲居滑坡的情況，本文選取了覆蓋研究區(qū)的51景升軌Sentinel-1（S1）影像，時(shí)間為2017年9月到2019年8月，其極化方式為VV極化，成像模式為IW，軌道號為26。此外，采用覆蓋研究區(qū)域的ALOS World 3D-30m DSM（AW3D30）作為地形參考數(shù)據(jù)，用于差分干涉中估計(jì)與去除地形相位。數(shù)據(jù)獲取日期與主要參數(shù)如表1所示，Sentinel-1影像時(shí)空基線信息如圖2所示。

3.2 SBAS-InSAR原理

為了減小時(shí)空失相干的影響，去除大氣延遲相位的干擾，2002年，Berardino等人提出了短基線集干涉測量技術(shù)（SBAS-InSAR）（Berardinoetal，2002）。方法主要流程如下：

假設(shè)有按時(shí)間序列（t，t，…，t）的N+1幅SLC影像，每次差分干涉將產(chǎn)生一副干涉圖像。設(shè)最終共得到M幅差分干涉圖，則M滿足：

假設(shè)所有差分干涉圖得到正確解纏且某個(gè)穩(wěn)定相位像元為(x,r)，設(shè)第k幅解纏圖是由時(shí)間t和t(t<t)兩幅SAR影像差分干涉處理得到，則該幅圖上任意像元()的相位由以下幾部分組成：

為獲取精確的形變時(shí)間序列，需要從差分干涉圖中去除DEM誤差相位和大氣延遲相位，因此，假設(shè)地表形變的低頻部分可由下述模型表示：

式中，()為殘余差分相位，包括非線性形變相位、大氣延遲相位和噪聲相位，將（4）式寫成矩陣形式：

由（7）式計(jì)算得到高程誤差h和殘余相位()，根據(jù)大氣延遲和非線性形變以及噪聲得不同特性可以將大氣延遲相位從殘余相位中分離出來。大氣延遲相位在空域上表現(xiàn)為低頻信號，在時(shí)域上表現(xiàn)為高頻信號；形變相位在時(shí)域和空域上均表現(xiàn)為低頻信號；而噪聲相位在時(shí)域和空域上都表現(xiàn)在為高頻信號，因此可以通過空域低通濾波將大氣延遲相位從差分干涉圖中減去即得到只含形變和噪聲得差分干涉相位（Berardinoetal，2002；Usaietal，2003）。

圖3 201709—201908甲居滑坡LOS年平均形變速率

圖4 特征點(diǎn)累計(jì)形變速率

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

4.1 甲居滑坡形變監(jiān)測

本文通過SBAS-InSAR方法，利用Sentinel-1升軌數(shù)據(jù)得到丹巴縣甲居滑坡的形變速率，如圖 3所示，綠色代表該區(qū)域相對穩(wěn)定，紅色、黃色代表顯著的遠(yuǎn)離衛(wèi)星視線方向的運(yùn)動(dòng)；黑色曲線圈出了滑坡邊界。從圖 3上可以明顯看出，坡體形變集中在北側(cè)次滑坡，滑坡形變邊界明顯，形變寬度600~700m；南側(cè)次滑坡形變微弱，基本穩(wěn)定。2017年9月至2019年8月期間，北側(cè)次滑坡中部區(qū)域的形變顯著，形變范圍大，最大形變量達(dá)75mm/yr，區(qū)域內(nèi)有多處建筑均位于滑坡形變位移方向上。

為進(jìn)一步研究該滑坡的形變分布，在北側(cè)次滑坡上提取了5個(gè)特征點(diǎn)（P1—P5），如圖 4所示。位于形變區(qū)域的P1—P4特征點(diǎn)累計(jì)形變呈負(fù)值遞減趨勢，兩年最大累計(jì)形變120mm，位于北側(cè)次滑坡中部；位于較穩(wěn)定區(qū)域的P5因位于滑坡前進(jìn)方向上，坡上堆積物不斷下滑覆蓋導(dǎo)致其累計(jì)形變?yōu)檎怠?/p>

經(jīng)過實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，滑坡坡腳省道S211破壞嚴(yán)重，甚至可見路基被堆積物伸進(jìn)大金川中（圖 5）。部分滑坡側(cè)壁與滑坡后壁也已清晰可見。在北側(cè)滑坡側(cè)緣邊界附近發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)巖石出露不一，植被差異巨大。在邊界左側(cè)出露河流沉積物鵝卵石，右側(cè)（即形變區(qū)域內(nèi)）出露基巖。此處為古河道，河流下切形成現(xiàn)在的峽谷，右側(cè)上覆的河流沉積物下滑導(dǎo)致基巖出露。

圖5 實(shí)地踏勘圖

與前人結(jié)果（Yinetal，2010；熬萌等，2017；Dongetal，2018）對比發(fā)現(xiàn)，2017—2019年期間，甲居滑坡形變速度放緩，從120mm/yr放緩到75mm/yr；后緣形變范圍有所減小，南側(cè)次滑坡趨于穩(wěn)定。但依然可以看出，甲居滑坡形變速度北側(cè)大于南側(cè)，前緣大于后緣。本文選用的Sentinel-1數(shù)據(jù)就以空間基線短，重返周期短為特點(diǎn)，因而也更合適于SBAS-InSAR方法，得到研究區(qū)的高質(zhì)量相干點(diǎn)相對較多，能夠以12天間隔獲取到時(shí)間序列演變情況如圖6所示（圖中選取36天間隔）。

圖6 累計(jì)形變速率圖

4.2 滑坡潛在失穩(wěn)因素分析

甲居滑坡在2017—2019年變形仍在發(fā)生，形變受到區(qū)域地質(zhì)背景、構(gòu)造與巖性特征、地貌特征、河流侵蝕和當(dāng)?shù)亟涤甑鹊淖匀灰蛩赜绊懀瑫r(shí)工程施工、生活排水等人為因素對其也產(chǎn)生了較大的作用。甲居滑坡潛在失穩(wěn)驅(qū)動(dòng)因素分析如下：

1）區(qū)域地質(zhì)背景。甲居位于松潘-甘孜褶皺帶，相鄰鮮水河斷裂，甲居地區(qū)發(fā)育北西向的斷層。受青藏高原向北東推擠作用的影響，斷層兼具走滑和擠壓的特征。加之研究區(qū)為背斜的東翼，地層傾向與坡向一致。研究區(qū)地層為志留系茂縣群地層片巖夾石英巖、大理巖，片巖具有易滑動(dòng)特征。實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)甲居地區(qū)片巖性質(zhì)較脆，片理發(fā)育，也是易形成滑坡的條件。

2）水文地質(zhì)條件。由于滑坡地區(qū)地形陡峭巖體破碎，地下水埋深較大。第四系松散堆積層孔隙水賦存于塊碎石土層中，多具架空機(jī)構(gòu)，透水性好。表層覆蓋有較厚層松散土層，地下水難以貯集，富水性差（白永健等，2011）。堆積體有利于地表水入滲，在大雨或持續(xù)小雨期間，降水滲入松散層中，形成潛水或上層滯水，導(dǎo)致坡體局部出現(xiàn)裂隙、膨脹、下挫、地面沉降等各種變形。

3）河流侵蝕。大金川河在甲居滑坡坡腳附近河流橫斷面明顯小于上下游，甲居藏寨位于大金川河西岸。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)S211省道下方由于淘蝕形成內(nèi)凹空洞。在河流侵蝕作用下，甲居滑坡前緣復(fù)活，后緣活躍。甲居滑坡前緣河段在南北側(cè)次滑坡存在明顯差異，北側(cè)比南側(cè)斷面窄得多，滑坡北側(cè)比南側(cè)產(chǎn)生更強(qiáng)的河流侵蝕，是北側(cè)形變快于南側(cè)的原因之一（Dongetal，2018）。河流侵蝕作用是甲居滑坡失穩(wěn)的主要因素之一。

4）降水。丹巴縣為典型的青藏高原季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量不超過600mm，但降水是潛在觸發(fā)因素之一，滑坡體堆積體松散，在降水作用下產(chǎn)生自然密實(shí)沉降，使得石塊體失去下部支撐發(fā)生滾落（吳天偉等，2019）。

5）人類工程活動(dòng)。甲居滑坡所處斜坡上分布著多處藏寨，藏族居民眾多。近年，丹巴縣藏寨鄉(xiāng)村旅游蓬勃發(fā)展，大量藏式建筑修建和改造，增加山體負(fù)荷。第二，省道S211經(jīng)常受到滑坡變形破壞。為重建這條路，開挖坡腳，使坡腳處產(chǎn)生了更多的臨空面，易導(dǎo)致滑坡在重力作用下失穩(wěn)。

5 結(jié)論

本文利用Sentinel-1升軌數(shù)據(jù)基于SBAS-InSAR方法，對丹巴縣甲居滑坡形變進(jìn)行監(jiān)測，分析了2017—2019年期間甲居滑坡的形變時(shí)空特征及其變化，并結(jié)合實(shí)地踏勘結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析了甲居滑坡形變的可能影響因素與潛在失穩(wěn)因素。InSAR方法得到的甲居滑坡地表位移結(jié)果清楚地揭示了不均勻的形變，最大位移速率為75mm/yr，較之前120mm/yr有明顯的減緩趨勢。根據(jù)形變速率圖確定了甲居滑坡的形變范圍，較之前明顯縮小。南側(cè)次滑坡基本趨于穩(wěn)定，北側(cè)次滑坡的形變速度放緩，但前緣形變速率仍大于后緣。

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Detection of Creep Deformation of the Jiaju Landslide by Radar Remote Sensing and Potential Instability Factors

ZENG Lin1TIE Yong-bo2GUAN Wei1GOU Ji-song1SUN Wei1DAI Ke-ren1,3

(1-College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2-Chengdu Center, China Geological Survey, Chengdu 610081; 3-State Key Lab of Geological Hazard Prevention and Cure and Geological Environmental Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

Danba County, Sichuan Province is located in the western Sichuan alpine canyon region where the terrain is complex and steep, and landslides occur frequently. In this paper, time series InSAR was used to obtain the creep deformation distribution of the Jiaju landslide from 2017 to 2019 based on 50 Sentinel-1 SAR images. The results show that the southern sub-landslide basically tended to be stable, but the northern one was active, with a maximum deformation rate up to 75mm/year which was verified by field investigation, indicating that the InSAR method has good effect on the creep landslide identification in the mountainous area. The related instability factors are analyzed, which can be used as potential reference for further landslide prediction and disaster reduction.

radar remote sensing; InSAR; Jiaju landslide; creep deformation; unstability factors

2020-05-10

中國地質(zhì)調(diào)查局公益性地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（DD20190640），國家自然科學(xué)基金（41801391），四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019YJ0404），地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（SKLGP2018Z019）

曾琳（1995-），女，四川自貢人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫b感與地學(xué)應(yīng)用

戴可人（1989-），男，四川成都人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事合成孔徑雷達(dá)干涉測量地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作

P237；P642.22

A

1006-0995（2021）01-0140-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.027