基于時序Sentinel-1數(shù)據(jù)的錦屏水電站左岸邊坡形變探測與特征分析

王振林， 廖明生， 張路， 羅恒， 董杰

(武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079)

0 引言

我國西部山區(qū)由于其復(fù)雜的地形、地質(zhì)及氣候條件，已成為我國地質(zhì)災(zāi)害最為頻發(fā)的地區(qū)之一。但在這些區(qū)域蘊(yùn)含著豐富的水力資源，因此建設(shè)有大量的水電站。這些水電站多位于深切的峽谷之中，也是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最為集中的區(qū)域。而在所有地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡是最常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，占地質(zhì)災(zāi)害總量的70%以上[1-2]。這些滑坡與大壩的修建之間又有多種模式的相互影響關(guān)系。一方面，原有的活動滑坡及降雨或地震觸發(fā)的滑坡會對大壩的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅； 另一方面，壩區(qū)施工可能會引發(fā)坡體失穩(wěn)，且蓄水造成的水位上漲也會誘發(fā)更多滑坡。因此，在水電站修建前的勘查選址階段需要開展庫區(qū)滑坡災(zāi)害隱患排查，盡量遠(yuǎn)離高風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害點(diǎn)； 同時在水電工程施工完成開始蓄水后，仍需要對庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，以保證大壩的安全運(yùn)行。

在水電站庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測中，邊坡形變的探測是滑坡災(zāi)害早期識別的關(guān)鍵。常見的形變探測方法包括水準(zhǔn)測量、GPS和傾斜儀測量等[3]，但是這些方法普遍存在的問題是觀測方式屬于點(diǎn)觀測，觀測成本高且效率較低。而光學(xué)遙感容易受到云霧的影響，且不能有效探測緩慢形變，因此也具有一定的局限性。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometric synthetic aperture Radar，InSAR)技術(shù)則能夠有效克服以上問題，全天候全天時地實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的測量[4]。

目前，InSAR技術(shù)在形變探測方面的應(yīng)用途徑主要包括傳統(tǒng)差分干涉測量(differential InSAR，D-InSAR)和時間序列InSAR分析[5]。傳統(tǒng)的D-InSAR技術(shù)已經(jīng)在一些庫區(qū)滑坡形變監(jiān)測中得到應(yīng)用[6]，但對于植被覆蓋較多的區(qū)域，該技術(shù)往往受到失相干的影響，無法準(zhǔn)確獲得有效的形變信息。相比之下，時間序列InSAR技術(shù)通過對多幅干涉圖進(jìn)行整合分析，能夠有效減少失相干的影響，更準(zhǔn)確地提取滑坡的形變信息。而常見的時間序列InSAR技術(shù)又分為永久散射體干涉測量技術(shù)(permanent scatterer interferometry，PSI)[7]和小基線集技術(shù)(small baseline subsets，SBAS)[8]。其中PSI技術(shù)采用單一主影像，在相干性較好的城區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[9]，但在相干性較差的山區(qū)往往容易受到失相干影響，無法提取到足量的相干點(diǎn)。相比之下，SBAS技術(shù)采用多個主影像構(gòu)造干涉圖集，避免了單一主影像造成的時空基線過長而引起的失相干效應(yīng)，因此該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地面沉降[10]和滑坡形變監(jiān)測等領(lǐng)域[11]。

本文采用SBAS時序InSAR技術(shù)，對錦屏水電站庫區(qū)左岸邊坡進(jìn)行形變探測，獲取該邊坡沿雷達(dá)視線向(line of sight，LOS)的累積形變量及年平均形變速率圖，并對滑坡形變特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步討論該滑坡對錦屏一級水電站大壩安全構(gòu)成的潛在威脅。

1 SBAS技術(shù)原理

假設(shè)有同一區(qū)域N+1幅時間順序?yàn)閠0，…，tN的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture Radar,SAR)影像，SBAS方法按照一定的時空基線及相干性閾值進(jìn)行組合，最終生成M幅差分干涉圖，并得到其解纏干涉圖。再假設(shè)相鄰最短時間間隔內(nèi)的形變速率是線性的，則第i幅干涉圖任意點(diǎn)P的解纏相位可表示為

(1)

式中：φi表示第i幅干涉圖P點(diǎn)的解纏相位；a和b分別表示第i幅干涉圖主輔影像對應(yīng)的序號；vk表示影像序列中第k個時間間隔的平均相位速率。將式(1)擴(kuò)展到所有干涉圖，寫成矩陣形式為

Φ=B·V，

(2)

式中：Φ表示解纏相位矩陣；B表示系數(shù)矩陣；V表示形變相位速率矩陣。

由于SBAS生成的干涉圖子集具有多個主影像，若子集之間時間連續(xù)，則可采用最小二乘法將所有干涉圖子集的形變速率連接起來得到最終的形變速率[12]； 若干涉圖子集之間存在不連續(xù)的情況，則需要根據(jù)最小范數(shù)準(zhǔn)則，采用奇異值分解的方法進(jìn)行解算[8]。解算完成后再計(jì)算任意點(diǎn)P的總平均形變相位速率，即

(3)

2 研究區(qū)及其數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣與木里藏族自治縣的交界處，其主壩為混凝土雙曲拱壩，壩高305 m，為目前世界同類壩型中的第一高壩，是雅礱江干流下游河段的控制性水電站[13]。水電站地處青藏高原向四川盆地過渡的大陸坡降帶，屬于典型的高山峽谷地貌地形。大壩選址為普羅斯溝與手爬溝之間，壩區(qū)海拔主要在1 600～3 000 m之間，坡度在20°～50°之間[14]。該區(qū)域雨季集中在每年的6—9月份。

錦屏一級水電站工程于2005年11月12日正式開工建設(shè)，枯水期水位約1 650 m。在2012年11月底建成后開始蓄水，分階段蓄水至1 800 m，并于2013年9月正式投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電，在2014年8月底進(jìn)一步蓄水至正常水位1 880 m。本研究區(qū)位于大壩上游約1.5 km的左岸邊坡上，總面積約200萬m2，海拔高度在1 800～2 800 m之間。

2.2 數(shù)據(jù)源

選取了56景Sentinel-1干涉寬幅模式數(shù)據(jù)。該模式數(shù)據(jù)幅寬為250 km，分為3個子條帶，每個子條帶寬約85 km，由9或10個burst構(gòu)成。本次選取了第2子條帶中的第8個burst。同時選取22景ALOS-PALSAR存檔數(shù)據(jù)，用于對比分析。2種數(shù)據(jù)集的具體參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)研究范圍如圖1所示，圖1中綠色框?yàn)镾entinel-1數(shù)據(jù)所選burst覆蓋范圍，黃色框?yàn)锳LOS-PALSAR數(shù)據(jù)覆蓋范圍，紅色框表示具體研究區(qū)域。參考數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)采用SRTM 90 m空間分辨率數(shù)據(jù)[15]。

表1 星載SAR數(shù)據(jù)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 相干點(diǎn)形變速率分布

采用StaMPS-SBAS[12]方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從Sentinel-1數(shù)據(jù)集中組合生成了101幅干涉圖，從中提取得到了16 764個相干點(diǎn)的LOS形變速率，如圖2(a)所示。圖2(a)中紅色表示遠(yuǎn)離衛(wèi)星的形變，藍(lán)色表示朝向衛(wèi)星的形變。從圖2(a)中可以看出，庫區(qū)左岸邊坡有一塊較大的滑坡形變區(qū)域?；麦w頂部形變速率較大，最大值超過200 mm/a，而中部形變速率較小，大約在80～120 mm/a之間，底部形變速率最小，大約在30～50 mm/a之間，其他區(qū)域相對穩(wěn)定。

(a) Sentinel-1數(shù)據(jù)(b) ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)

對ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)做相同處理，生成了35幅干涉圖，共提取到2 762個相干點(diǎn)，形變速率如圖2(b)所示?？梢钥闯觯撨吰略贏LOS-PALSAR數(shù)據(jù)獲取時間段內(nèi)基本保持穩(wěn)定。

3.2 形變場時空分布特征

在時序InSAR探測出的不穩(wěn)定坡體上部取一點(diǎn)P(圖2)。選取該點(diǎn)50 m范圍內(nèi)所有的相干點(diǎn)，計(jì)算其平均累積形變序列作為P點(diǎn)的累積形變序列。得到2種數(shù)據(jù)集下P點(diǎn)的LOS形變序列分別如圖3所示。從圖3(a)中可以發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)在2015年10月26日—2018年4月13日期間LOS累積形變量超過500 mm。在一般的近岸滑坡中，滑坡的形變速率往往受到庫水位變化和降雨的影響，呈現(xiàn)較明顯的周期性[16]。但該滑坡近3 a間的形變并未表現(xiàn)出明顯周期性，而是近似呈線性滑動趨勢，這說明了其形變與水位波動及降雨沒有顯著的相關(guān)性。

(a) Sentinel-1數(shù)據(jù) (b) ALOS-PALSAR數(shù)據(jù)

而從圖3(b)可以看出該點(diǎn)在2006年12月11日—2011年2月6日期間基本保持穩(wěn)定，說明該點(diǎn)在大壩蓄水前未發(fā)生形變。

為進(jìn)一步研究滑坡累積形變量與高程之間的關(guān)系，計(jì)算Sentinel-1數(shù)據(jù)結(jié)果中各相干點(diǎn)的累積形變值，并采用反距離加權(quán)法對相干點(diǎn)的累積形變量進(jìn)行插值，得到研究區(qū)域表面的累積形變分布，如圖4所示。并選擇圖4中2條剖面線詳細(xì)分析高程及累積形變變化(圖5)。從圖5(a)A-A′剖面線可以看出，山脊處的形變略大于山谷處，整個形變體最寬處寬度約為1 100 m。而從圖5(b)B-B′剖面線可以看出，該滑坡頂部形變較大，中下部較緩，且最大形變集中在坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近，整個形變體最長處長度約為1 500 m。

圖4 Sentinel-1LOS累積形變

(a) A-A′剖面線 (b) B-B′剖面線

考慮到研究區(qū)域位于川滇山區(qū)，雷達(dá)回波相位容易受到大氣傳播延遲的影響。因此，利用GACOS(generic atmospheric correction online service for InSAR)方法提供的對流層水汽分布數(shù)據(jù)，對形變探測結(jié)果進(jìn)行大氣校正與分析[17]。繪制上述P點(diǎn)的大氣延遲相位和月降雨量如圖6所示，可以看出二者隨時間的變化趨勢有一定的相關(guān)性，都表現(xiàn)出隨季節(jié)變化的周期性。

圖6 大氣延遲相位與降雨量

進(jìn)一步比較大氣改正前后該點(diǎn)的累積形變曲線如圖7所示，可以看出經(jīng)過大氣校正后的形變累積曲線在夏季有一定的改善，但整體趨勢保持不變。分析其原因主要是該滑坡體形變速率較大，形變信號相對于大氣信號占主導(dǎo)地位，因此受大氣影響并不明顯。

圖7 累積形變大氣校正前后對比

3.3 形變驅(qū)動因素分析與風(fēng)險(xiǎn)評價

對比圖3可以發(fā)現(xiàn)，該滑坡體所在邊坡在2011年之前并未發(fā)生形變，而在2015年10月后的觀測數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出明顯的形變，但由于2012—2014年間處于觀測數(shù)據(jù)空白期，因此無法對其進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，確定具體的形變開始時間?？紤]到大壩竣工后庫區(qū)水位從1 600多m急劇上升到1 800多m，因此推測可能是巨大的水位上漲對兩岸山體產(chǎn)生影響[18]，從而誘發(fā)了該滑坡復(fù)活。

根據(jù)形變速率圖可以得出滑坡體的大致邊界如圖2中黑色虛線所示，經(jīng)過量測得到其表面積約為75萬m2。假設(shè)該滑坡體的平均厚度為2 m，那么一旦滑坡體發(fā)生滑落，將使得約150萬m3的山體突然落入水庫，從而引發(fā)嚴(yán)重的涌浪效應(yīng)，威脅到大壩的安全運(yùn)行。因此，為保證大壩的安全運(yùn)行，需要加強(qiáng)該區(qū)域的實(shí)地踏勘及現(xiàn)場測量工作，以查明滑坡具體的滑動程度及深部位移情況，并開展長期連續(xù)監(jiān)測，做好必要的防范措施和災(zāi)害預(yù)警。

4 結(jié)論

采用小基線集時序InSAR技術(shù)對錦屏一級水電站左岸邊坡進(jìn)行了形變探測與分析，獲取了研究區(qū)雷達(dá)視線方向的平均形變速率及累積形變特征，驗(yàn)證了該技術(shù)在川滇山區(qū)滑坡形變監(jiān)測中的有效性。通過對形變探測結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1)距離水電站大壩上游約1.5 km處存在一處表面積超過75萬m2的大型滑坡體，且最大形變速率超過200 mm/a。

2)該滑坡形變出現(xiàn)在大壩蓄水之后，初步推測可能是由于大壩建成后庫區(qū)水位的急劇上升對兩岸山體產(chǎn)生了影響，從而誘發(fā)了該滑坡復(fù)活。該滑坡在后續(xù)的滑動特征無明顯周期性，基本呈勻速線性滑動。

3)該滑坡滑動范圍廣，形變速率大，對于錦屏一級水電站的安全運(yùn)行造成一定的威脅，需要加強(qiáng)該區(qū)域的現(xiàn)場監(jiān)測和實(shí)地調(diào)查。

由于Sentinel-1觀測數(shù)據(jù)的時空基線較短，干涉圖相干性較高，小基線集時序InSAR技術(shù)能夠精確地獲取研究區(qū)形變信息的時間序列。隨著雷達(dá)衛(wèi)星傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，SAR影像的時空分辨率越來越高，小基線集時序InSAR技術(shù)將能夠更好地應(yīng)用于山區(qū)的滑坡形變監(jiān)測中，為地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供更可靠更精準(zhǔn)的參考信息。