InSAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害早期識別中的應(yīng)用

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(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059)

我國川西地區(qū)近年來發(fā)生了多次7.0級以上地震，不僅誘發(fā)了大量崩滑地質(zhì)災(zāi)害，同時誘發(fā)了大量山體開裂。這類山體在再次地震與降雨作用下將會再次損傷，從而誘發(fā)崩滑地質(zhì)災(zāi)害，因此開展這類地區(qū)滑坡監(jiān)測與探測工作具有一定的現(xiàn)實意義。

地震之后山體失穩(wěn)事件頻繁發(fā)生，表現(xiàn)出明顯的地震地質(zhì)災(zāi)害后效應(yīng)。黃潤秋統(tǒng)計汶川地震后崩滑地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)資料后認為汶川地震災(zāi)區(qū)高頻地質(zhì)災(zāi)害將持續(xù)20～25年[1]。同時臺灣集集地震以及關(guān)東大地震等強震區(qū)同樣存在明顯的地震地質(zhì)災(zāi)害后效應(yīng)[2-3]。根據(jù)近年來多次震裂山體地質(zhì)災(zāi)害發(fā)現(xiàn)該類地質(zhì)災(zāi)害具有高位隱蔽性、識別難等特點[4-5]。目前對于地質(zhì)災(zāi)害的識別仍處在研究階段，雖然傳統(tǒng)的監(jiān)測手段(GPS、水準測量等)對于斜坡體變形情況具有較好的觀測，但其工作量大、不能實現(xiàn)大范圍觀測等，同時有著諸多限制[6]。相對于傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害識別方法，光學(xué)遙感能夠?qū)⒌刭|(zhì)災(zāi)害從其所處的地質(zhì)環(huán)境背景中識別出來[7-9]。InSAR技術(shù)作為雷達遙感的重要分支，其具有較強的測量能力，可以透過地表和植被獲取地表信息?；仡橧nSAR技術(shù)在我國地質(zhì)災(zāi)害探測的應(yīng)用，可追溯到2000年左右在三峽地區(qū)的InSAR測量試驗[10-13]。時至今日，InSAR用于滑坡等地災(zāi)形變監(jiān)測已基本被接納和認可，特別是在四川茂縣6·24特大型滑坡發(fā)生后，殷躍平研究員、許強教授等國內(nèi)知名地災(zāi)防治專家，分別從不同層面提出了“利用InSAR等技術(shù)手段開展四川高海拔地區(qū)山體滑坡識別與隱患排查”的建議。此后，眾多研究者應(yīng)用InSAR技術(shù)分別在四川、重慶、貴州等地區(qū)(含三峽地區(qū))開展了斜坡變形監(jiān)測的“規(guī)模化”應(yīng)用，并取得了眾多成果，為防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)做出了突出貢獻，特別是對“高位隱蔽性”滑坡探測提供了一種有效手段。

國內(nèi)外對于不同數(shù)據(jù)類型和多種技術(shù)手段應(yīng)用于滑坡監(jiān)測與探測取得了一定成果[14-17]。本研究以現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對四川省理縣、通化縣雜谷腦河左岸西山村滑坡區(qū)域進行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與探測，為震裂山體研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省理縣、通化縣雜谷腦河左岸，為侵蝕高山斜坡地貌，具有典型的老冰斗洼地形，山頂呈現(xiàn)明顯的尖棱狀形態(tài)，山脊為刀刃狀，山坡度較陡，坡度在34°～ 37°之間。區(qū)內(nèi)出露巖性主要為變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖、次結(jié)晶灰?guī)r以及千枚巖，覆蓋層主要為第四系冰水堆積物，主要為角礫土、粉質(zhì)粘土、塊碎石土。屬于川青斷塊，位于鮮水河裂帶和龍門山之間受多次構(gòu)造運動的影響，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。受復(fù)雜的地形和新構(gòu)造運動控制，該區(qū)域地震發(fā)育密度較大，近100 年間超過7.0 級的地震4次。區(qū)內(nèi)含有兩處滑坡地質(zhì)災(zāi)害，分別為西山村滑坡與黃泥壩子滑坡(圖1)。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖

1.1 西山村滑坡概況

西山村滑坡為一處地震觸發(fā)的高位拋射式古滑坡，在過去的滑移過程中，在坡腳及坡面上形成了大量的崩滑堆積體，后經(jīng)長期的強風(fēng)化作用及人為的破壞作用，滑坡整體已不完整，且在地貌上呈明顯的不連續(xù)性(圖2)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡在汶川 5.12 地震中也未見復(fù)活跡象，但在局部地方存在一些變形破壞情況，主要集中在坡體前緣和中部，此外滑坡后緣也有多處裂縫產(chǎn)生(圖3)。坡腳高程1 520 m，坡頂高程2 980 m，相對高差達1 460 m，地形呈下陡上緩的形態(tài)，前緣坡度平均32°，中后緣平均約25°，滑坡主滑方向約170°?；缕拭娉手本€型，滑體長約3 375 m，平均寬度為1 000 m，滑坡體平均厚度為20 m，最厚33 m(圖4)，平面面積為330萬m2，體積為6 600萬m3?；麓笾路譃樯舷聝蓪樱荷蠈訛榛w，主要為第四系崩坡積物(粉土夾碎石)；下層為滑床，主要為志留系千枚巖。

圖2 西山村滑坡全貌

圖3 滑坡體中部道路開裂

圖4 西山村滑坡典型剖面圖(Ⅰ-Ⅰ’)

1.2 黃泥壩子滑坡概況

黃泥壩子滑坡位于西山村滑坡右側(cè)，為一處地震影響觸發(fā)的老滑坡堆積體(圖5(a))。滑坡于2017年8月8日被發(fā)現(xiàn)發(fā)生變形(根據(jù)2012年Google Earth影像顯示老滑坡堆積體后緣發(fā)育兩條張開裂縫，后緣裂縫為新滑坡的后緣邊界，圖5(a))，當日夜晚九寨溝地震(7.0級)發(fā)生，地震后滑坡變形加劇(8月9日)，裂縫寬度加大加深，裂縫數(shù)量增多，在滑坡前緣發(fā)現(xiàn)民房開裂，裂縫方向大多基本垂直于滑坡主滑方向。8月10日滑坡發(fā)生整體滑動(圖5(b))，此后滑坡一直處于蠕滑變形，水平推移距離約450 m，直至11月滑坡運動逐漸趨于穩(wěn)定?；禄w物質(zhì)為粉黏土夾塊碎石及碎石土(圖 5(c))。黃泥壩子滑坡破壞運動特征復(fù)雜，同時其具有多重變形運動區(qū)域，致使滑坡存在多個運動方向，按主滑方向可將滑坡分為兩段：上半段滑動方向為146°，縱向長約193 m，寬約60 m，厚度約3～6 m；下半段滑動方向為128°，縱向長174 m，寬約80 m，厚度約5～18 m?；赂卟?02 m(圖 6)，滑坡體中后緣相對較陡，最大寬度處為215 m，面積約7.7萬m2，滑體總體積約123萬m3，為一大型土質(zhì)滑坡?；虑熬壎逊e區(qū)形似扇形，后緣呈圈椅狀，平面整體上呈前寬后窄的長條狀。

2 研究區(qū)斜坡體變形監(jiān)測分析

為了全面掌握研究區(qū)斜坡體變形情況，同時實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)外地質(zhì)災(zāi)害的識別與探測，在研究區(qū)開展InSAR技術(shù)形變監(jiān)測。專業(yè)監(jiān)測采用GPS位移監(jiān)測，在研究區(qū)共布置6個GPS監(jiān)測點，西山村滑坡設(shè)置5個點(GPS1-GPS5)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況發(fā)現(xiàn)滑坡前緣為復(fù)活區(qū)，因此監(jiān)測點布置在滑坡前緣區(qū)域，從2015年開始監(jiān)測。黃泥壩子滑坡在滑坡體中部布置一處GPS監(jiān)測點(GPS6)，從2017年9月16日開始監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖7所示。InSAR技術(shù)的地表形變監(jiān)測精度可達毫米級，通過大量SAR影像的時間序列相位形變信息的分析，能夠有效實現(xiàn)不穩(wěn)定斜坡體的識別與探測。

圖5 黃泥壩子滑坡歷史影像

圖6 黃泥壩子滑坡典型剖面圖(Ⅱ-Ⅱ’)

2.1 地表專業(yè)監(jiān)測結(jié)果

地表專業(yè)監(jiān)測主要采用GPS測量，監(jiān)測設(shè)備可以對斜坡進行連續(xù)實時監(jiān)測，并每隔5 min獲取監(jiān)測點的形變信息，解算結(jié)果在平面放線上的精度優(yōu)于±5 mm，高程方向上的精度優(yōu)于±10 mm。

根據(jù)西山村滑坡5個GPS點的位移數(shù)據(jù)分析，可發(fā)現(xiàn)GPS1監(jiān)測點合位移明顯大于其他4個監(jiān)測點，同時變形量呈由坡底向坡頂逐步降低的趨勢，說明西山村滑坡該階段變形主要集中于滑坡前緣。西山村滑坡各監(jiān)測部位的變形方位分別是GPS01：191.3°，GPS02：195.4°，GPS03：191.7°，GPS04：206.3°，GPS05：229.6°?；伦冃慰傮w方位約為200°。同時，根據(jù)監(jiān)測曲線的變化趨勢可以看出西山村滑坡此階段仍處于等速蠕動變形階段，各個監(jiān)測點的形變速率基本上保持不變。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析，可知滑坡前緣坡度較陡，堆積體物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為松散，在圈椅狀地形影響下坡腳水體較為集中，因此坡腳形變相對于其他區(qū)域變形量較大。

圖7 監(jiān)測點布置圖(影像數(shù)據(jù)由天地圖提供)

為了監(jiān)測黃泥壩子滑坡失穩(wěn)后滑坡體的變形，2017年9月16日在滑坡體中部布置了GPS監(jiān)測。累計合位移-時間曲線表明，滑坡體運動演化過程具有階段性特征，即加速滑移階段(2017/9/16-2017/10/7)、減速滑移階段(2017/10/7-2017/12/5)、漸進穩(wěn)定階段(2017/12/5-)。由監(jiān)測結(jié)果分析可知滑坡滑出后仍在向下緣滑動變形，滑坡呈現(xiàn)推移式滑動特征。監(jiān)測結(jié)果與宏觀變形現(xiàn)象保持一致。

加速滑移階段：受滑坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地形條件，在滑坡體重力作用下整體向下運動，在這一階段滑坡體前緣堆積體已經(jīng)沖出，為后源滑坡體提供大量運動空間，使得位于滑坡體后緣的監(jiān)測點監(jiān)測到的運動為加速運動。

減速滑移階段：受地形限制，滑坡體從較陡的后緣運動至較緩的中部，同時中前緣存在一處凸起的小山坡，使得中后部滑坡體運動速率急劇降低，開始做減速運動。隨著前緣及堆積區(qū)滑坡體方量的增加，堆積體滑移速率滯后于滑源區(qū)滑體滑動速度，滑坡整體開始進入緩慢減速階段。

漸進穩(wěn)定階段：隨著滑坡運動能量的耗散與堆積體的停積，滑坡體逐漸趨于穩(wěn)定，這與遙感影像顯示結(jié)果一致。

結(jié)合以上分析可知，從滑坡開始滑動至減速階段前期，滑坡表現(xiàn)出漸進后退式滑動特征，從減速階段的后期到漸穩(wěn)定階段，滑坡呈現(xiàn)推移式滑動特征。

圖8 西山村滑坡GPS監(jiān)測時間位移曲線(合位移)

圖9 黃泥壩子滑坡GPS監(jiān)測時間-位移曲線(合位移)

2.2 InSAR監(jiān)測成果

2.2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)概況

本次研究采用歐空局Sentinel-1A SLC雷達數(shù)據(jù)作為形變監(jiān)測的數(shù)據(jù)源，模式為IW，極化方式為VV，時間跨度從2014年至2017年，共47景。數(shù)字高程模型采用SRTM-3數(shù)據(jù)，網(wǎng)格間隔為90 m×90 m。采用PS-InSAR(persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar, 永久散射體合成孔徑雷達干涉測量)技術(shù)通過離散稀疏的PS點構(gòu)建網(wǎng)格，提取可靠相位進行精準的地表形變反演[18]。其基本原理是利用覆蓋同一地區(qū)的多景SAR影像，篩選出在連續(xù)時間段內(nèi)相位和幅度值保持穩(wěn)定的永久性散射體，并利用這些目標點的相位特性進行建模和解算，反演地表在這段時間內(nèi)的緩慢形變過程和特征，具體步驟如圖10所示。以2017-1-2的影像為主影像，干涉數(shù)據(jù)時間基線和空間基線分布如圖11所示。為保證有足夠數(shù)量的時序高相干點進行時序構(gòu)網(wǎng)、建模以及模型結(jié)算精度，設(shè)定相干性閾值為0.7，分辨率為20 m。

2.2.2 形變反演結(jié)果分析

根據(jù)上述提出的數(shù)據(jù)處理步驟以及參數(shù)設(shè)定，解算出研究區(qū)2014年10月至2017年8月的年平均形變速率，如圖 12所示。

圖10 永久散射體PS處理過程

圖11 數(shù)據(jù)時間基線與空間基線分布情況

圖12 研究區(qū)斜坡體形變速率圖

研究區(qū)斜坡體形變速率在-75～70 mm/year之間，負值代表遠離衛(wèi)星方向。從圖中可觀察到研究區(qū)共有3處區(qū)域為明顯形變區(qū)，即黃泥壩子滑坡形變區(qū)、西山村滑坡形變區(qū)與西山村滑坡東側(cè)形變區(qū)(裕豐巖變形體，疑似滑坡體)。其中，黃泥壩子滑坡形變區(qū)相對較大，最大變形處為現(xiàn)有滑坡區(qū)域，但其周邊區(qū)域同樣有著相對較大的形變。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果分析可知：滑坡所在斜坡體坡度較陡，坡度在34°～37°之間，同時坡體表面植被整體較稀少，坡表第四紀覆蓋較為松散，為冰水堆積體，在降雨作用下易發(fā)生變形。西山村滑坡變形區(qū)僅識別到滑坡前緣發(fā)生較大變形，這與GPS監(jiān)測結(jié)果較為符合。探測到的第三個形變區(qū)(疑似滑坡體)，即裕豐巖變形體，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該處疑似滑坡體為一處老滑坡堆積體(圖 13)，主要以碎石土、碎塊石土為主，地形上整體呈現(xiàn)出滑坡前部較陡后部較緩的特點?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明：斜坡體上下游邊界沖溝以及中部沖溝深切，地表及地下水排泄條件良好，不存在產(chǎn)生和保持高孔隙水壓力的水位地質(zhì)條件，地下水埋深較深，但是斜坡體目前整體坡度較陡，存在進一步下滑的可能性。

圖13 疑似滑坡體照片(裕豐巖變形體)

為進一步分析研究區(qū)滑坡體形變情況，分別選取3處變形區(qū)形變點作出時間序列曲線(圖14)。由Point1監(jiān)測點累計位移-時間序列曲線可知：在2016年3月之前，滑坡處于蠕變階段；2016年3月至2017年4月，變形曲線趨勢呈現(xiàn)傾斜直線型，變形速率基本不變，滑坡處于等速變形階段；2017年4月之后形變速率突然逐步增大，滑坡處于加速變形階段，在2017年8月8日之后滑坡宏觀變形現(xiàn)象逐步變得明顯。西山村滑坡形變區(qū)監(jiān)測點Point2顯示滑坡始終處于蠕滑等速變形階段，累計形變量為132 mm，監(jiān)測點對應(yīng)GPS4，GPS形變監(jiān)測結(jié)果為177.91 mm，由于InSAR監(jiān)測的為視線向形變，與GPS有一定誤差，但變形趨勢與GPS監(jiān)測結(jié)果一致。裕豐巖變形體監(jiān)測點Point3顯示始終處于蠕滑等速變形階段，分析其原因：1)斜坡體為老滑坡堆積體，較為松散，雨水沖刷導(dǎo)致一定形變；2)斜坡體存在向下蠕滑變形。

圖14 監(jiān)測點時序變形曲線

2.3 綜合分析

根據(jù)研究現(xiàn)場專業(yè)監(jiān)測(GPS)與InSAR形變監(jiān)測結(jié)果綜合分析，研究區(qū)現(xiàn)存有3處變形體，其中黃泥壩子滑坡已經(jīng)滑出，但其堆積體在降雨作用下仍會再次滑動。同時，InSAR監(jiān)測結(jié)果顯示其所在斜坡體存在整體變形，西山村滑坡仍處在蠕滑階段，但其前緣形變量較大，存在局部失穩(wěn)的可能性，應(yīng)建立相應(yīng)的預(yù)警機制。裕豐巖變形體通過InSAR監(jiān)測結(jié)果與實地調(diào)研分析，該斜坡體整體地形較陡，坡表堆積大量松散堆積物，存在一定失穩(wěn)的可能，后期應(yīng)對該斜坡體重點關(guān)注。

3 結(jié)論

四川省理縣通化縣雜谷腦河兩岸，為侵蝕高山斜坡地貌，受歷史地震作用影響較大，存在大量滑坡堆積體，在降雨與地震作用下存在再次啟動的可能。本文以西山村滑坡區(qū)域為例，開展了專業(yè)GPS監(jiān)測與InSAR監(jiān)測，監(jiān)測滑坡變形速率與探測新的潛在滑坡體，得出以下結(jié)論：

1)西山村滑坡仍處于蠕滑變形階段，但其前緣變形量較大，存在局部失穩(wěn)的可能，一旦失穩(wěn)將會導(dǎo)致后緣滑坡體向前緣滑動，從而誘發(fā)整體失穩(wěn)。

2)黃泥壩子滑坡失穩(wěn)后其滑坡體仍在向前緣滑動，累計合位移-時間曲線表明，滑坡體運動演化過程具有階段性特征，即加速滑移階段、減速滑移階段、漸進穩(wěn)定階段。

3)通過InSAR技術(shù)探測到研究區(qū)一處潛在滑坡體(裕豐巖變形體)，該斜坡體整體地形較陡，坡表堆積大量松散堆積物，方量較大，存在一定失穩(wěn)的可能，后期應(yīng)對該斜坡體重點關(guān)注。

4)通過以上研究表明，InSAR技術(shù)對于滑坡監(jiān)測與探測具有良好的效果，因此時序InSAR技術(shù)對于滑坡災(zāi)害監(jiān)測與探測工具具有廣闊的前景。