孫 鵬

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）因其具有高精度、高分辨率、全天候等優(yōu)點，是監(jiān)測地表形變中一種方法。該技術(shù)應(yīng)用在城市地表沉降監(jiān)測、礦區(qū)地表沉降監(jiān)測、山體滑坡監(jiān)測等項目中，發(fā)揮了極大的作用。InSAR 技術(shù)演化出Stacking-InSAR 技術(shù)與SBAS-InSAR 技術(shù)，并可將二者結(jié)合起來作為一種組合方法應(yīng)用在地表沉降、滑坡監(jiān)測中［1-2］。

本文利用InSAR 技術(shù)對新疆阿勒泰地區(qū)布爾津滑坡進(jìn)行監(jiān)測與分析。Sentinel-1 系統(tǒng)在周邊區(qū)域擁有豐富的InSAR 數(shù)據(jù)積累、高重訪周期與大面積的影像覆蓋范圍，收集基于2014 年10 月20 日至2021 年2 月9 日采集的Sentinel-1 升軌影像，數(shù)據(jù)處理以增強型SBAS-InSAR 集成時序分析為主要技術(shù)手段，獲取布爾津滑坡區(qū)域形變的趨勢、范圍和梯度等信息，并從中篩選出地表形變變化量達(dá)到預(yù)警臨界值，和發(fā)生形變突變的可疑區(qū)域，作為地表形變監(jiān)測預(yù)警的重點工作區(qū)域。

1 基本原理與技術(shù)優(yōu)勢

1.1 Stacking-InSAR技術(shù)

干涉圖疊加（Stacking-InSAR）技術(shù)的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)是進(jìn)行經(jīng)典二軌差分InSAR 技術(shù)處理。Stacking-InSAR 技術(shù)是在獲取M 幅相位解纏的差分干涉圖后，將解纏相位加權(quán)疊加，估計出平均相位變化速率。由于大氣相位分量在空間域具有低頻特性、時間域具有高頻特性，故Stacking 技術(shù)最大程度地減少了大氣誤差，提高了形變速率解算精度［3-4］。該方法假設(shè)每一幅獨立的解纏相位圖中，在不考慮其他噪聲的分布情況下，區(qū)域的形變速率為總形變量與時間的比值，即線性形變速率，大氣延遲誤差隨機且相等。通常情況下，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇時間和空間基線都比較短的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合。

1.2 SBAS-InSAR技術(shù)

時序分析采用小基線集干涉測量技術(shù)（Small Baseline Subset，SBAS）充分考慮大量的干涉圖信息，能有效地消除和削弱解纏粗差、大氣誤差以及DEM誤差等因素的影響，從而獲取更高精度的地表形變成果［5］?；赟BAS 技術(shù)的數(shù)據(jù)處理主要解算步驟如下：

1）對N 幅SAR 影像數(shù)據(jù)按一定時空基線條件進(jìn)行干涉組合處理，形成M 幅干涉圖，利用已有DEM（本次采用SRTM）作為外部高程數(shù)據(jù)，進(jìn)行差分處理，生成差分干涉圖，以去除地形及平地效應(yīng)影響；

2）對差分干涉圖進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理以去除相位噪聲影響，對濾波后的差分干涉圖進(jìn)行相位解纏，生成解纏相位圖；

3）根據(jù)基線條件和干涉相位信息估算高程誤差及線性形變相位，在原始干涉相位中減去估算的線性形變相位得到殘余相位，此時的殘余相位中主要包括非線性形變及大氣相位；

4）解纏此殘余相位，并補償線性形變相位部分得到完整的形變相位，此時相位中還包含有大氣相位的影響；

5）對去除線性形變的殘余相位進(jìn)行空域低通和時域高通濾波處理以分離出大氣相位；

6）在形變相位中減去大氣相位影響，得到形變相位值；

7）基于SVD 的形變求解；

8）對形變進(jìn)行地理編碼，獲取WGS-84 坐標(biāo)系下的形變成果圖。

1.3 總體技術(shù)路線

本文根據(jù)監(jiān)測區(qū)域基本情況，計劃出合理可行的技術(shù)路線。應(yīng)用雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Stacking-InSAR 技術(shù)與SBAS-InSAR 技術(shù)相結(jié)合方式實現(xiàn)了變形數(shù)據(jù)提取。根據(jù)地質(zhì)變形情況，及時建立災(zāi)害預(yù)警與防治措施。本文總體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 Stacking-InSAR 和SBAS-InSAR 時序分析提取地表形變技術(shù)路線圖

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)域

布爾津滑坡位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津縣境內(nèi)，滑坡位于水電站庫區(qū)的上游區(qū)域。該區(qū)域山體受雨水的沖刷導(dǎo)致地質(zhì)情況不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)山體滑坡現(xiàn)象，造成河流堵塞帶來的發(fā)電站隱患問題。研究區(qū)域范圍內(nèi)無居住區(qū)，地勢起伏較大；最低點海拔+203.4 m，最高點海拔+1125.9 m，平均海拔+841.9 m。該滑坡的研究范圍如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)域范圍

為比較本文提及的Stacking-InSAR 和SBASInSAR 技術(shù)在滑坡體監(jiān)測中的有效性，在滑坡區(qū)域布設(shè)監(jiān)測點，并采用傳統(tǒng)極坐標(biāo)法獲取監(jiān)測點位移。為便于體現(xiàn)各監(jiān)測點位移方向，建立監(jiān)測坐標(biāo)系，X方向為平行河道，Y方向為垂直河道，通過坐標(biāo)變化量直觀表示各點位移趨勢，監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)及監(jiān)測點布置如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)及監(jiān)測點布置圖

2.2 數(shù)據(jù)源

2.2.1 影像數(shù)據(jù)

為避免SAR 影像幾何畸變的影響，所用SAR數(shù)據(jù)為升軌Sentinel-1 數(shù)據(jù)，采用TOPS（Terrain Observation With Progressive Scans）掃描方式，共計153 景，覆蓋時間段為2014 年10 月20 日至2021年2 月9 日。數(shù)據(jù)基本參數(shù)如表1 所示，影像采集范圍如圖4 所示。

表1 升軌SAR 數(shù)據(jù)的基本參數(shù)

圖4 研究范圍數(shù)據(jù)覆蓋圖

2.2.2 DEM獲取

形變監(jiān)測過程中，數(shù)字高程模型（DEM）是非常重要的外部數(shù)據(jù)，在生成差分干涉圖時需要DEM 來模擬地形相位，此外在雷達(dá)坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)化（地理編碼）的過程中也需要高精度的DEM。

美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）于2000 年聯(lián)合發(fā)射的“奮進(jìn)號”航天飛機完成了為期11 天的航天飛機雷達(dá)制圖任務(wù)（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）。經(jīng)過兩年的數(shù)據(jù)處理，最終獲得了平面精度±20 m，高程精度±16 m 的全球數(shù)字高程模型，分辨率包含1 弧秒和3 弧秒兩種，分別對應(yīng)30 m 和90 m。本項目選用30 m分辨率的DEM 數(shù)據(jù)用于地形相位的消除。

2.2.3 極坐標(biāo)差分法獲取數(shù)據(jù)

依據(jù)153 景的SAR 影像的成像時間，選取2014 年10 月20 日至2021 年2 月9 日之間的SAR數(shù)據(jù)，每次監(jiān)測方法保持一致，采用相同觀測人員、儀器使用極坐標(biāo)差分法觀測。結(jié)合每次觀測成果，分析得出各監(jiān)測點觀測成果相對首期成果水平位移量和垂直位移量。位移量的X方向為正表示沿河向上游方向，反之沿河向下游方向，Y方向為正表示垂直河道向河道方向，反之垂直河道向山頂方向；H方向為0 表示無變化，為負(fù)表示下沉。為了驗證Stacking-InSAR 與SBAS-InSAR 對沉降邊緣與沉降中心的監(jiān)測能力，選取了圖2 中的6 個特征點，如表2 所示。其中，1-1、1-3、2-1 和2-2 屬于沉降邊緣區(qū)域，分布于滑坡區(qū)域西北側(cè)；1-3 和1-4屬于沉降中心區(qū)域，2-3 和2-4 位于滑坡區(qū)東南側(cè)。

表2 極坐標(biāo)法獲取的變形點坐標(biāo)值

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

對獲取的153 景Sentinel-1 數(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)差分干涉測量處理，按照時間序列構(gòu)建152 個干涉對，其中2020.08.15-2020.08.29 的垂直基線最長，達(dá)到了200.89 m，2016.04.15-2016.04.20 的垂直基線最短，數(shù)值為43.18 m。按照圖1 所示的Stacking-InSAR 和SBAS-InSAR 技術(shù)處理流程對152 個干涉對處理，獲取到相鄰影像之間的形變信息，通過時序累加，得到各時間節(jié)點上的累計沉降情況。

依據(jù)干涉圖的相干性最大原則，選取2020 年8月20 日的影像為主影像，其余影像與其配準(zhǔn)，分別設(shè)定時間基線閾值為100 d，空間基線閾值為220 m。將所有滿足閾值的限定的兩景SAR 影像兩兩組合，形成了152 個時序差分干涉對進(jìn)行處理。按照本文的技術(shù)路線圖，采用Stacking-InSAR 與SBAS-InSAR 技術(shù)處理152 個干涉對，得到研究區(qū)域形變信息。布爾津滑坡153 景SAR 數(shù)據(jù)計算獲得的2014 年10 月至2021 年2 月地表形變累計沉降量如圖5 所示。布爾津滑坡2014 年10 月至2021年2 月地表形變速率如圖6 所示。從這兩幅圖可以看出：布爾津滑坡區(qū)域這段時期內(nèi)最大累計形變量達(dá)-550 mm，最大形變速率達(dá)-76.9 mm/a。圖6中，負(fù)值表示地表正在遠(yuǎn)離衛(wèi)星，正值表示地表正在靠近衛(wèi)星。從圖6 可以看出：新疆阿勒泰布爾津滑坡區(qū)域分布有三處明顯變形體，變形體1 平均形變-6.0 mm/a，最大形變-25.4 mm/a；變形體2 平均形變-4.8 mm/a，最大形變-17.1 mm/a；變形體3 平均形變-19.0 mm/a，最大形變-76.9 mm/a。

圖5 地表累計形變圖

圖6 2014-2021 平均形變速率圖

為了更直觀感受研究區(qū)域內(nèi)的時空演變規(guī)律，這里展示SBAS-InSAR 的時序結(jié)果。2014 年10月、12 月與2021 年1 月、2 月時空演變情況如圖7-圖10 所示。

圖7 2014 年10 月時空演變結(jié)果

圖8 2014 年12 月時空演變結(jié)果

圖9 2021 年1 月時空演變結(jié)果

圖10 2021 年2 月時空演變結(jié)果

為進(jìn)一步研究該滑坡形變的時間演化，在3 個形變體上分別提取3 個特征點，獲得滑坡上這些點2014 年10 月至2021 年2 月的時間序列形變，如圖11-圖16 所示。變形體1 最大的累積形變出現(xiàn)在其P3 點上，這個時間段內(nèi)累積形變達(dá)到了-174mm；變形體2 最大的累積形變出現(xiàn)在其P2 點上，這個時間段內(nèi)，累積形變達(dá)到了-223 mm；變形體3 最大的累積形變出現(xiàn)在其P3 點上，這個時間段內(nèi)，累積形變達(dá)到了-499 mm。3 個變形體在2014 年10 月至2021 年2 月存在明顯的非線性形變趨勢?？梢钥吹?，在2018 年1 月至2021 年2月，3 個變形體均出現(xiàn)快速形變現(xiàn)象，形變量比較大，其中變形體3 從2016 年年初就開始出現(xiàn)加速的情況。

圖11 變形體1 特征點示意圖

圖12 變形體1 地表變形速率及特征點累計變形量

圖13 變形體2 特征點示意圖

圖14 變形體2 地表形變速率及特征點累計變形量

圖15 變形體3 特征點示意圖

圖16 變形體3 地表形變速率及特征點累計變形量

4 精度驗證

4.1 傳統(tǒng)測量儀器結(jié)果比對

為了驗證Stacking-InSAR 和SBAS-InSAR 技術(shù)在滑坡監(jiān)測方面的精度，采用傳統(tǒng)測繪方法在滑坡體上布置一定的測點?？紤]到滑坡體不同位置移動情況不同，在沉降邊緣區(qū)域選擇1-1 號點位，該點位于滑坡體西北側(cè)；沉降中心區(qū)域選擇1-3、1-4 號點位；2-4 號點位位于滑坡區(qū)東南側(cè)。各點位分別比較了水平方向與垂直方向移動量。以傳統(tǒng)測繪儀器獲取的數(shù)值為真值，為了減小位置差錯產(chǎn)生的誤差，以監(jiān)測點為中心，將一定范圍內(nèi)的SBAS點求取平均值作為SBAS 監(jiān)測值。表3、表4 統(tǒng)計了在2018 年1 月至2021 年2 月時間段內(nèi)二者比較結(jié)果。

表3 水平方向移動量比較

表4 垂直方向移動量比較

由表3、表4 可知：不管是用InSAR 技術(shù)還是傳統(tǒng)測繪儀器技術(shù)，變形體位移下降趨勢相同，位移量相近、數(shù)據(jù)相差較小?？梢哉J(rèn)為采用Stacking-InSAR 和SBAS-InSAR 技術(shù)的方式監(jiān)測地表形變能達(dá)到亞厘米級的精度。產(chǎn)生誤差的主要原因是兩種方法監(jiān)測點位置存在偏差，不能完全對應(yīng)。采用InSAR 技術(shù)監(jiān)測地面沉降，精度能夠達(dá)到厘米級甚至毫米級別，能夠滿足監(jiān)測項目需求。

5 結(jié)語

本文利用2014 年10 月至2021 年2 月期間覆蓋新疆阿勒泰地區(qū)的多景Sentinel-1 數(shù)據(jù)，應(yīng)用Stacking-InSAR 與SBAS-InSAR 技術(shù)相結(jié)合的方式獲取了該地區(qū)該時間段的地表累計形變量圖，分析得知該地區(qū)最大累計形變量達(dá)-550 mm，最大形變速率達(dá)-76.9 mm/a，可見最大變形體一直處于持續(xù)的形變狀態(tài)。提出以下建議：

1）實地獲取下游水電站相關(guān)數(shù)據(jù)，對該滑坡地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，做好防護工作與監(jiān)測風(fēng)險的情況的工作。

2）為保證變形體能夠得到實時監(jiān)測，可結(jié)合自動化監(jiān)測技術(shù)，保證變形體全方位、多角度、可視化監(jiān)測。