焦志平，， 江利明，， 牛富俊 ，， 郭 瑞，， 周志偉

（1.中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430077； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

0 引言

凍融作用是凍土區(qū)滑坡發(fā)育的重要外動(dòng)力因素之一［1］，凍融滑坡形態(tài)與常規(guī)降雨型滑坡相似，但影響因素和失穩(wěn)機(jī)制更為復(fù)雜。位于川藏交界處的西藏自治區(qū)東部，季節(jié)性和多年凍土分布廣泛、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地形和氣象條件惡劣，是我國(guó)滑坡地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。近年來(lái)，隨著青藏高原暖濕化加劇，該地區(qū)凍融滑坡災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)的趨勢(shì)，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展［2］。因此，加強(qiáng)凍土區(qū)滑坡災(zāi)害隱患的監(jiān)測(cè)識(shí)別研究，對(duì)藏東地區(qū)凍融地質(zhì)災(zāi)害早期識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。

目前，滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要采用GNSS位移監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量、裂縫計(jì)、無(wú)人機(jī)與衛(wèi)星遙感等實(shí)地測(cè)量與遙感解譯相結(jié)合的方式［3］。但是，藏東地區(qū)滑坡災(zāi)害多位于高海拔、高寒、高陡等艱險(xiǎn)山區(qū)，人員難以抵達(dá)，實(shí)地測(cè)量通常要耗費(fèi)大量人力財(cái)力物力，監(jiān)測(cè)范圍及密度有限，且難以獲取滑坡歷史變化信息［4］。光學(xué)遙感手段以其大范圍、高效率的優(yōu)勢(shì)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查識(shí)別中發(fā)揮了重要作用［5］，但數(shù)據(jù)采取受云霧遮蔽影響、人工解譯不確定性大，在滑坡形變監(jiān)測(cè)中存在錯(cuò)檢漏檢、難以進(jìn)行定量分析等問(wèn)題［6］。

作為一種快速發(fā)展的空間大地測(cè)量技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）具有全天候、高分辨率、高精度、大范圍等特點(diǎn)［7］，近年來(lái)在滑坡［8］、地震［9］、凍土［10］等自然地表形變監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。特別是隨著時(shí)序InSAR 技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在四川、云南、甘肅、三峽等地開展了大量滑坡監(jiān)測(cè)研究，取得一系列重要成果［11-15］。但是，對(duì)于高山峽谷復(fù)雜地形條件下的滑坡監(jiān)測(cè)而言，雷達(dá)側(cè)視成像更易受疊掩、透視收縮、陰影等幾何畸變的影響，單一軌道方向（升軌或降軌）InSAR在地形起伏地區(qū)導(dǎo)致數(shù)據(jù)空洞［16］，而且對(duì)滑坡形變解譯提出了挑戰(zhàn)［17］。歐洲航空局（ESA）分別于2014年和2016年發(fā)射的Sentinel-1A/B SAR 衛(wèi)星，具有短重訪周期（6/12/24 天）、高分辨、大幅寬、多角度數(shù)據(jù)獲取優(yōu)勢(shì)［18］，能夠獲取更豐富的凍融變形過(guò)程信息，在高山峽谷區(qū)凍融滑坡隱患早期識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面具有很好的應(yīng)用前景。

本文以藏東地區(qū)317 國(guó)道矮拉山段為例，利用小基線集（Small Baseline Subset，SBAS）時(shí)序In-SAR 技術(shù)，分別對(duì)2017 年3 月—2019 年7 月期間Sentinel-1A55 景升軌、69 景降軌SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取該區(qū)域高時(shí)空分辨率的地表形變速率和滑坡形變時(shí)間序列，并結(jié)合氣象資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析了典型滑坡體的形變特征及影響因素。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣崗?fù)墟?zhèn)矮拉山地區(qū)（98.43°～98.58° E，31.6°～31.68° N），是經(jīng)由317國(guó)道進(jìn)入西藏地區(qū)的重要通行路段。平均海拔4 710 m，地勢(shì)由東南向西北方向傾斜［19］，屬于青藏高原中高山剝蝕地貌，區(qū)域地震活動(dòng)構(gòu)造背景較強(qiáng)，崩塌、滑坡等自然災(zāi)害嚴(yán)重。地表分布2條河流，主要由大氣降水和上游冰雪融化水補(bǔ)給［20］。該區(qū)域年均溫差較大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，氣溫范圍為-15～28 ℃，平均氣溫4.5 ℃，每年7—8 月降雨量最多，日最大降雨量達(dá)50 mm以上，11月到次年3月為凍結(jié)期，一般凍土深度為0.85 m，海拔高于5 200 m時(shí)為多年凍土區(qū)［20］。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文InSAR 處理選用歐洲空間局（ESA）于2014 年發(fā)射的C 波段Sentinel-1A 衛(wèi)星的干涉寬幅模式SAR 數(shù)據(jù)，極化方式為VV，每景影像幅寬250 km，由3 個(gè)具有一定重疊度的子條帶拼接而成，用于反演滑坡整體形變速率及形變序列。數(shù)據(jù)時(shí)段為2017 年3 月—2019 年7 月，包括升軌數(shù)據(jù)55 景（path99），降軌數(shù)據(jù)69景（path106）。采用ESA 發(fā)布的精密軌道數(shù)據(jù)提高Sentinel-1A 影像的軌道數(shù)據(jù)精度；30 m 分辨率的SRTM DEM 數(shù)據(jù)去除地形相位和地理編碼。

選用與SAR 數(shù)據(jù)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的氣象資料用于分析形變趨勢(shì)，該氣象資料來(lái)源于距離矮拉山約20 公里的德格氣象站。通過(guò)查詢2017—2019 年溫度及降雨歷時(shí)數(shù)據(jù)，該地區(qū)一年中氣溫及每月累積降雨量呈現(xiàn)周期性變化，最低氣溫出現(xiàn)在1 月份，為-12 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7 月，達(dá)到29 ℃，年溫差最大為41 ℃；6—8 月為雨季，2018 年7 月降雨量達(dá)到225.3 mm，為近三年最高；每年11月至來(lái)年4月，降雨量普遍低于20 mm，平均每月降雪天數(shù)小于5天。

2 SBAS時(shí)序InSAR方法

小基線集（SBAS）InSAR 是由Berardino 等［21］提出的一種時(shí)序InSAR 分析方法。該方法優(yōu)點(diǎn)在于采用小基線（時(shí)空基線較短）干涉對(duì)組合，提高了SAR 數(shù)據(jù)使用率和監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度，并利用奇異值分解（SVD）方法高效獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變速率及形變時(shí)間序列［22］。SBAS-InSAR 方法詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)［23］，本文簡(jiǎn)要介紹其主要數(shù)據(jù)處理步驟：

表1 Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)信息Table 1 Image parameters of Sentinel-1A

（1）計(jì)算SAR 影像的時(shí)空基線，選擇合適時(shí)空基線閾值并生成干涉對(duì)；

（2）對(duì)選取的干涉對(duì)，進(jìn)行差分干涉及相位解纏處理；

（3）采用SVD 方法對(duì)干涉圖組成的相位方程進(jìn)行形變參數(shù)解算。

本文數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，選取日期為20180524的影像作為主影像，減少因時(shí)間基線較長(zhǎng)造成相關(guān)性降低導(dǎo)致配準(zhǔn)失敗。在基線連接時(shí)，結(jié)合已有研究［24］，時(shí)間基線閾值為60天，空間基線閾值為±200 m，時(shí)空基線分布情況如圖3所示（藍(lán)色連接點(diǎn)代表觀測(cè)影像，線段表示相應(yīng)的干涉對(duì)）。

圖2 SBAS方法技術(shù)流程Fig.2 Flow chart of SBAS

圖3 干涉對(duì)時(shí)空基線分布：升軌（path99）（a）；降軌（path106）（b）Fig.3 Temporal-spatial baselines of interferometric pairs：ascending（path99）（a）；descending（path106）（b）

3 結(jié)果與分析

3.1 InSAR地表形變

利用SBAS-InSAR 方法處理了55 景升軌及69景降軌Sentinel-1 SAR 數(shù)據(jù)，獲取了研究區(qū)衛(wèi)星視線向（Line of Sight，LOS）向2017—2019 年均形變速率和形變時(shí)間序列。參考目前基于滑坡形變量速度的分類［25］，假設(shè)沿LOS 向形變?cè)?10～10 mm·a-1之間形變區(qū)為穩(wěn)定區(qū)域。本文年均形變速率結(jié)果表明（圖4），大部分區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)，存在明顯形變信號(hào)的區(qū)域分布于山谷兩側(cè)，最大形變速率達(dá)到-78 mm·a-1。

升、降軌InSAR 形變結(jié)果的對(duì)比分析表明（表2）：（1）地形平坦及地表穩(wěn)定區(qū)域的形變信號(hào)較為一致；（2）在部分地表形變信號(hào)明顯的區(qū)域，監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度、范圍以及形變量大小存在差異，甚至LOS 向的形變方向相反（如格普滑坡，圖4）；（3）升降、軌In-SAR 結(jié)果在監(jiān)測(cè)范圍方面具有較好的互補(bǔ)性，但增加了解譯的難度。

表2 典型區(qū)域升、降軌InSAR形變統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of deformation statistics of typical landslides along different radar LOS directions

3.2 典型滑坡形變

根據(jù)3.1分析，下面將結(jié)合降軌形變結(jié)果、衛(wèi)星影像（來(lái)源于天地圖，圖5）以及現(xiàn)場(chǎng)考察情況（圖6），重點(diǎn)分析朱喬、格普、隧道出入口四處典型滑坡形變時(shí)空特征，并選取四處典型滑坡共8個(gè)點(diǎn)位（位置見圖4）定量分析滑坡的形變趨勢(shì)（圖7）。

圖4 基于SBAS-InSAR方法獲取的雷達(dá)LOS向年均形變速率：升軌（a）；降軌（b）Fig.4 Mean ground deformation along radar LOS direction derived by SBAS-InSAR method：ascending track（a）；descending track（b）

（1）朱喬滑坡范圍較小，長(zhǎng)度為300 m，寬度為200 m，與山腳高差約560 m。InSAR 結(jié)果［圖4（b）］表明，2017—2019 年期間，滑坡后緣形變速率高于前緣，LOS 向年均形變速率為23～33 mm·a-1，發(fā)生兩次變化，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，累計(jì)形變值約為100 mm［圖7（a）］。變形坡體表面植被稀疏，兩側(cè)發(fā)育多條沖溝［圖5（a）］，直通山腳埃曲河。

（2）隧道入口處滑坡位于矮拉山隧道入口西側(cè)，沖溝盡頭，長(zhǎng)度為240 m，寬度為120 m，坡向近似南北方向［圖5（b）］，滑坡中部LOS 形變速率達(dá)到24 mm·a-1，累計(jì)形變達(dá)到90 mm。該區(qū)域國(guó)道旁多處設(shè)有水泥防護(hù)墩，實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分已受到?jīng)_擊破壞。

圖5 滑坡衛(wèi)星影像：朱喬（a）；隧道入口（b）Fig.5 Satellite image of landslides：ZhuQiao（a）；tunnel entrance（b）

（3）隧道出口處滑坡為小型碎石滑坡，圖6（a）表明，地表風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，植被以草甸為主，最大LOS 向形變速率約20 mm·a-1，具有突發(fā)性，但變形相對(duì)較?。蹐D7（c）］。

（4）格普滑坡為牽引式堆積體滑坡，兩處形變坡體呈“八”字分布，每一處長(zhǎng)度為600 m，寬度為350 m，在InSAR 結(jié)果，最大LOS 向形變速率為74 mm·a-1。如圖7（d）所示，該滑坡變化期和穩(wěn)定期存在明顯分界線，累計(jì)形變量最大超過(guò)150 mm?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域滑坡后緣存在明顯張拉裂縫，西側(cè)伴有發(fā)育沖溝，在谷底滑坡前緣存在松散堆積體［圖6（b）］。

4 討論

4.1 升、降軌InSAR形變的比較

星載SAR 側(cè)視成像產(chǎn)生的幾何畸變不僅導(dǎo)致在高山峽谷部分地區(qū)無(wú)法提取有效的結(jié)果，而且也給升、降軌InSAR LOS 向形變結(jié)果的解譯帶來(lái)挑戰(zhàn)。如圖8 所示，形變表現(xiàn)為靠近衛(wèi)星還是遠(yuǎn)離衛(wèi)星，取決于坡面的朝向及坡度與入射角的大小，因此同一目標(biāo)的位移在升、降軌結(jié)果中LOS 方向形變中可能相同，也可能相反。另外，當(dāng)使用單一軌道數(shù)據(jù)處理時(shí)，在陰影區(qū)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法測(cè)量的情況，因此在山區(qū)有必要聯(lián)合升、降軌InSAR結(jié)果進(jìn)行分析。

圖8 衛(wèi)星入射角（LOS）觀測(cè)方向與沿坡向形變關(guān)系［26］Fig.8 Relationships between the Line of Sight（LOS）and the downslope displacements for different slope orientations［26］

四處典型滑坡中，朱喬、隧道入口處滑坡的具有相同的變化方向，而隧道出口處、格普滑坡變化方向相反（圖9）。從定量角度分析，以格普滑坡為例，坡向?yàn)槲鳎露确秶幱?0°到30°之間。Sentinel-1A 升軌數(shù)據(jù)飛行方向由南向北，入射角為33.8°。由于坡面朝向衛(wèi)星，且坡度角小于衛(wèi)星入射角，因此沿坡面向下發(fā)生的形變?cè)贚OS 向表現(xiàn)為接近衛(wèi)星。當(dāng)使用降軌數(shù)據(jù)時(shí)，衛(wèi)星由北向南飛行，坡面背向衛(wèi)星，坡角小于衛(wèi)星入射角余角，此時(shí)為最佳觀測(cè)情況，沿坡面向下的形變?cè)贚OS 向表現(xiàn)為遠(yuǎn)離衛(wèi)星［26］。

圖9 典型滑坡升、降軌InSAR形變特征對(duì)比Fig.9 Comparison of deformation characters of typical landslides along different radar LOS directions

通常情況下，在青藏高原內(nèi)陸多年凍土區(qū)［27］及城區(qū)［28］等地形平坦區(qū)域，同一系列衛(wèi)星升、降軌In-SAR 結(jié)果具有較好一致性。但在藏東高山峽谷地區(qū)，由于形變大多位于具有一定坡度且坡向不同的斜坡處，在SAR 衛(wèi)星側(cè)視成像及幾何畸變影響下，難以通過(guò)分析升、降軌形變結(jié)果的相關(guān)性對(duì)兩者的一致性做出評(píng)判。取決于衛(wèi)星成像參數(shù)與坡體方向之間的幾何關(guān)系，不同衛(wèi)星、不同軌道數(shù)據(jù)，適用坡體也不同，例如Sentinel-1 衛(wèi)星，升軌數(shù)據(jù)更適用于監(jiān)測(cè)東坡向形變，而降軌數(shù)據(jù)適用于監(jiān)測(cè)西坡向形變。

對(duì)于穩(wěn)定區(qū)及地形平坦的區(qū)域，仍然可以通過(guò)對(duì)升、降軌結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證。而對(duì)于失衡斜坡，通過(guò)聯(lián)合升、降軌數(shù)據(jù)進(jìn)行反演形變，可以減少因幾何畸變?cè)斐傻挠^測(cè)盲區(qū)，有利于判斷滑坡實(shí)際變化方向及形變序列的提取和分析，在提高滑坡監(jiān)測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確度和覆蓋度方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4.2 溫度和降雨對(duì)典型滑坡變形過(guò)程的影響

大量研究表明，斜坡失衡主要由降雨、地震、人為活動(dòng)等外部因素誘發(fā)，而在凍土區(qū)，季節(jié)性凍融作用也是導(dǎo)致斜坡失衡的重要因素，且海拔越高，凍融作用將更加強(qiáng)烈［29］。

研究區(qū)地表形變普遍存在季節(jié)性變形信號(hào)特征，為了分析凍融作用對(duì)滑坡形變過(guò)程的影響，我們重點(diǎn)分析了格普、朱喬、隧道入口三處滑坡形變過(guò)程與溫度、降水變化的關(guān)系。由圖10 可知，隨著季節(jié)交替，凍融作用反復(fù)發(fā)生，三處滑坡形變過(guò)程呈現(xiàn)“階梯下滑”形狀，存在明顯的平穩(wěn)期和失穩(wěn)期，與多年凍土地表形變“周期性”變化特征不同［30］。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of study area

平穩(wěn)期主要出現(xiàn)在每年10—11 月至來(lái)年3—4月，這段時(shí)間該地區(qū)處于凍結(jié)期，溫度低于攝氏零度，降雨量普遍低于20 mm，低溫導(dǎo)致地下排水受阻加之氣候干燥，在無(wú)地震及人類活動(dòng)影響下，地表保持穩(wěn)定狀態(tài)（圖10）。

圖10 三個(gè)典型滑坡形變過(guò)程與氣溫、降雨的關(guān)系（灰色線為零度上下分界線）Fig.10 Correlation between landslide deformation and meteorological factors（grey lines are the boundary of the zero degree）

圖10表明失穩(wěn)期主要出現(xiàn)在春夏季（4—9月），呈現(xiàn)兩個(gè)時(shí)段的持續(xù)變形，均始發(fā)于每年的3 月下旬，最低溫度開始從零下轉(zhuǎn)為零上，此時(shí)降雨量低于30 mm，且降雪較少，因此排除降水和融雪作用，凍土融化是誘發(fā)滑坡變形的主要因素，其誘發(fā)機(jī)理為“季節(jié)性凍結(jié)滯水促滑效應(yīng)”［31］；凍結(jié)作用使斜坡內(nèi)地下水聚集滯留，導(dǎo)致坡體內(nèi)含水層擴(kuò)大，增大了斜坡區(qū)靜、動(dòng)水壓力，影響斜坡土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性［32］；當(dāng)氣溫持續(xù)上升進(jìn)入解凍期，土體軟化，地下水自由流通產(chǎn)生侵蝕作用，從而導(dǎo)致斜坡失衡破壞［33］；隨著降雨增加，一方面給地面帶來(lái)額外熱量，使凍土進(jìn)一步融化，另一方面外部水分補(bǔ)給滲透，起到潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致坡體形變速度加快，當(dāng)累計(jì)降雨達(dá)到最大時(shí)，具有最大形變速度。

藏東高山峽谷區(qū)氣候具有雨熱同期的特點(diǎn)，在降雨和凍融共同作用下，相比青藏高原內(nèi)陸凍土區(qū)，該地區(qū)滑坡變形失穩(wěn)機(jī)制更為復(fù)雜［34］，凍融作用對(duì)滑坡變形的影響還需進(jìn)一步研究。另外，同一處滑坡每年的變化趨勢(shì)并不相同，這也是此類滑坡預(yù)測(cè)分析的難點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文以青藏高原東部317 國(guó)道矮拉山地區(qū)為例，利用SBAS-InSAR 技術(shù)和55 景升軌、69 景降軌Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)，提取了2017—2019年該該地區(qū)升降軌InSAR 地表形變信息，據(jù)此獲取了該地區(qū)凍融滑坡體隱患的空間分布情況，并分析討論了滑坡歷史形變演化特征及影響因素。主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)（-10～10 mm·a-1），但存在部分明顯形變區(qū)，主要形變區(qū)集中于山谷河流兩側(cè)，其LOS 向形變速率極值達(dá)到-78 mm·a-1。

（2）對(duì)比分析升降軌InSAR 地表形變范圍、速率及形變序列，發(fā)現(xiàn)多處滑坡隱患，分別位于格普、矮拉山隧道出入口、朱喬，通過(guò)光學(xué)影像判讀和實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證了InSAR結(jié)果的可靠性。

（3）凍融滑坡形變過(guò)程呈現(xiàn)平穩(wěn)期和失穩(wěn)期交替出現(xiàn)的季節(jié)性變化特征，主要受凍融與降雨的綜合影響，但具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

本文驗(yàn)證了升降軌時(shí)序InSAR 在高山峽谷凍土區(qū)滑坡大范圍監(jiān)測(cè)識(shí)別方面的有效性，可為此類地區(qū)滑坡災(zāi)害隱患的早期識(shí)別與監(jiān)測(cè)防治提供重要參考。但受植被和積雪的影響，InSAR 失相干導(dǎo)致部分地區(qū)的形變信號(hào)難以準(zhǔn)確提取，隨著今后國(guó)內(nèi)外L 波段SAR 衛(wèi)星（如我國(guó)“陸探一號(hào)”、美國(guó)NISAR）的發(fā)射，將為植被和積雪地區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)提供更加可靠、豐富的研究資料。未來(lái)有必要加強(qiáng)滑坡三維形變反演及凍融和降雨影響的研究，更好地揭示凍融滑坡形變模式和形成機(jī)理。