基于INSAR的地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別技術(shù)研究

崔 陽，魏瑩瑩，魏國振，韓鵬飛

（1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050000；2.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050000）

1 INSAR技術(shù)

1.1 INSAR技術(shù)的定義

INSAR一般指的是干涉測量技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)，又可以稱為雙天線SAR或者是相干SAR，屬于一種新型借助空間相關(guān)技術(shù)對地面進(jìn)行觀測的技術(shù)。INSAR是由傳統(tǒng)的遙感技術(shù)和射電天文干涉對應(yīng)技術(shù)融合的產(chǎn)物。INSAR借助兩條側(cè)視的天線對所選中的地面目標(biāo)進(jìn)行對應(yīng)的觀察（單軌道雙天線模式），也可以是間隔一定時間的兩次平行觀察（單天線重復(fù)軌道模式），接著經(jīng)過一定時間的反應(yīng)，由地面對雷達(dá)做出反射回波的回應(yīng)，進(jìn)而來獲得選中目標(biāo)區(qū)的SAR復(fù)像成像圖，其中獲得的復(fù)像成像圖包括了選中地面的強度信息、相位的具體信息。但是由于地面的目標(biāo)跟兩條天線之間具有獨特的幾何位置，以及選中地面目標(biāo)發(fā)射回來的回波的原因，使得獲得的成像圖之間形成了對應(yīng)相位差的信號。由于目標(biāo)與兩天線位置間的幾何關(guān)系，地面目標(biāo)回波形成相位差信號，經(jīng)兩個復(fù)圖像的復(fù)相關(guān)就形成了干涉紋圖。其中，干涉紋圖中包括了斜距方向上的圖像點跟兩個天線位置的不同帶來的位置差的精確的信息。因而利用遙感器的高度、雷達(dá)的波長以及波速的視向和天線與基線距之間具有的幾何關(guān)系可以獲得距離的精確信息，從而能夠精確的測量出圖像上每一點的高程信息，來得到具有高分辨率的地表的三維圖像。

1.2 INSAR技術(shù)具有的特點

（1）不需要地面的測量站。因為雷達(dá)衛(wèi)星進(jìn)行干涉測量時不需要地面設(shè)置對應(yīng)的測量站，使得干涉雷達(dá)在進(jìn)行對應(yīng)的檢測時能夠更加方便，快捷。對于一些因為地面的某些地形限制進(jìn)而不能夠設(shè)置地面監(jiān)測站的情形，干涉雷達(dá)解決了這個問題。不管是陡峭的地區(qū)還是貧瘠的地區(qū)都可以利用干涉雷達(dá)進(jìn)行相應(yīng)地面的監(jiān)測，同時還節(jié)省了建地面監(jiān)測站所消耗的人力、物力以及財力，加快了地面監(jiān)測的速率。

（2）自動化地發(fā)射微波。當(dāng)干涉雷達(dá)進(jìn)行對地面的監(jiān)測任務(wù)時，只需要制定相應(yīng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取計劃，進(jìn)而制定對應(yīng)的行動編程指令，雷達(dá)衛(wèi)星與接收站用戶之間借助數(shù)據(jù)就能夠進(jìn)行對應(yīng)的聯(lián)系，自動向地面發(fā)射微波，之后再接受來自地面反射回來的回波來進(jìn)一步完成對地面的測量。

（3）全天候的干涉雷達(dá)監(jiān)測。新興的干涉雷達(dá)克服了傳統(tǒng)雷達(dá)的弊端，其不會受到周邊環(huán)境的影響，不論是寒冷冬季還是炎熱夏季，抑或是刮大風(fēng)、下雪、下雨以及有大霧的情況。干涉雷達(dá)的這一特點滿足了一些偏遠(yuǎn)且容易發(fā)生泥石流、山體滑坡、房屋坍塌等地區(qū)地面監(jiān)測的需求。只要有干涉雷達(dá)，就可以對所有地區(qū)的地面進(jìn)行對應(yīng)的檢測，進(jìn)而能夠較早發(fā)現(xiàn)特殊情況，及早做出應(yīng)對措施。

1.3 INSAR技術(shù)的工作原理

機載或者是衛(wèi)星載INSAR系統(tǒng)所得到的影像之中每一個像素點既包括了所選地面的分辨元的雷達(dá)后向散射之后具有的強度信息，同時也包含了跟斜距之間有關(guān)相位的相關(guān)信息。在獲得影像之后，將覆蓋到同一片地方的兩幅雷達(dá)圖像對應(yīng)像素的相位進(jìn)行相減就可以獲得一副相位的差圖，也就是干涉的相位圖像（Interferogram）。而得到的相位差的信息就是地表上的地形起伏，一般是以地表的形變表現(xiàn)出來?？偟膩碚f，INSAR就是結(jié)合了合成孔徑雷達(dá)的成像技術(shù)以及干涉的測量技術(shù)來將那些具有高度敏感性質(zhì)的干涉相位信號來進(jìn)行進(jìn)一步的提取并分析出關(guān)鍵性的具有價值的信息，再利用傳感器的系統(tǒng)系數(shù)以及成像之間的幾何關(guān)系等來精確地測量出地表上某一點的三維空間具體位置信息及微小的變化。同時，利用INSAR技術(shù)來獲得關(guān)鍵的信息技術(shù)與傳統(tǒng)的方法不同。一般傳統(tǒng)的攝影測量，可見光，近紅外遙感是利用影像灰度的信息來建設(shè)三維或者是提取出關(guān)鍵的信息。

2 地質(zhì)災(zāi)害隱患

2.1 地質(zhì)災(zāi)害的定義及等級分類

地質(zhì)災(zāi)害主要指的是在自然地質(zhì)以及人類的各項活動作用下形成的，直接或者間接威脅到人們的生命安全，并給社會及國家的經(jīng)濟建設(shè)造成了一定的損失。

地質(zhì)災(zāi)害的等級可以劃分為4個等級：（1）小型地質(zhì)災(zāi)害。受到災(zāi)害的威脅，人們必須搬遷并轉(zhuǎn)移的人數(shù)在100人以下，同時造成了500萬元以下的經(jīng)濟損失的地質(zhì)災(zāi)害險情，造成了3人以下的死亡。（2）中型地質(zhì)災(zāi)害。人們需要搬遷轉(zhuǎn)移的數(shù)量在100人以上、500人以下，造成3人以上、10人以下的死亡，同時造成了大概500萬元以上、5000萬元以下的經(jīng)濟損失。（3）大型地質(zhì)災(zāi)害。受到災(zāi)害的威脅，需要搬遷轉(zhuǎn)移的數(shù)量在500人以上、1000人以下，死亡人數(shù)在10人以上、30人以下，同時造成了5000萬以上、1億元以下的經(jīng)濟損失。（4）特大型地質(zhì)災(zāi)害。受到災(zāi)害威脅，必須搬遷轉(zhuǎn)移的人數(shù)在1000人以上，死亡的人數(shù)在30人以上，同時造成了1億元以上的經(jīng)濟損失的地質(zhì)災(zāi)害險情。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測的必要性

實行地質(zhì)災(zāi)害隱患的監(jiān)測，可以提前了解并知道在災(zāi)害發(fā)生的前夕應(yīng)該怎樣應(yīng)對接下來發(fā)生的災(zāi)害，做出應(yīng)對的預(yù)防措施，可以躲避一些災(zāi)害，同時及早地撤離人群、牲畜以及其他，來進(jìn)一步保護(hù)人們的生命安全以及避免一些不必要的經(jīng)濟損失，同時治理好環(huán)境。

2.3 實行地質(zhì)災(zāi)害隱患的提早監(jiān)測的需求

實行地質(zhì)災(zāi)害隱患的早期監(jiān)測，首先需要清楚地認(rèn)識到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的工作重點及工作的難點，同時要對偏遠(yuǎn)的地區(qū)實現(xiàn)“遠(yuǎn)程操控”，來進(jìn)一步了解偏遠(yuǎn)地區(qū)的地質(zhì)情況；同時，需要監(jiān)測人員能夠清楚地認(rèn)識到所監(jiān)測地區(qū)的重點災(zāi)害的活動范圍、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率，以及地質(zhì)災(zāi)害潛伏的時間等關(guān)鍵性的內(nèi)容。可以說，監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害的目的就是要清楚地知道地質(zhì)災(zāi)害的隱患在哪里，將造成的原因進(jìn)行深度剖析，對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時間、地點以及擴散的范圍進(jìn)行分析與研究，從而做出最佳的應(yīng)對方案，更好地降低損失。

3 INSAR在滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別中的應(yīng)用與研究

2011年3月4日，利用INSAR技術(shù)的衛(wèi)星影像可見，金沙江白格滑坡區(qū)早在2011年之前便存在顯著形變，而且滑坡后壁已經(jīng)基本連通，同時滑坡中后部發(fā)育多處中小型滑塌。在2015年2月22日的影像發(fā)現(xiàn)，2011—2015年滑坡體上變形整體呈加劇趨勢，但未發(fā)生劇烈的位移變化。然而，從2018年8月29日Planet衛(wèi)星影像可見，此時滑源區(qū)整體變形非常顯著，滑坡后壁發(fā)生了較明顯的整體下錯，滑源區(qū)中部發(fā)生了較大規(guī)模的滑塌。綜上，認(rèn)為該滑坡為長期處于蠕滑變形中的巖質(zhì)滑坡，2011年以來滑坡變形呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，最終在降雨誘發(fā)下發(fā)生大規(guī)模的滑坡，從而形成了2018年10月11日的金沙江白格滑坡。利用4期災(zāi)前（2018年9月4日—10月10日，每間隔12d一期）Sentinel-1衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，開展了D-InSAR技術(shù)處理，觀察發(fā)現(xiàn)該滑坡一直在持續(xù)發(fā)生形變。9月4日—9月16日，該山體斜坡中上部形變特征較為明顯；至9月28日，斜坡上部持續(xù)保持變形；至10月10日，整個斜坡體形變特征更為明顯，形變量級及范圍均有顯著增加，對岸亦有形變特征出現(xiàn)；直至11日凌晨發(fā)生山體滑坡。而且根據(jù)滑前ALOS-1DEM量測，2018年8月29日滑坡區(qū)段金沙江水位約2855m，而在2018年10月12日滑坡后，堰塞湖水位壅高至2900m，水位升高約45m，堰塞湖面積約6.0km2，庫水量約2.7億m3，而在滑坡發(fā)生后，利用Planet衛(wèi)星影像（3.0m）對滑坡進(jìn)行遙感解譯中，發(fā)現(xiàn)滑坡體總面積達(dá)1.62km2，其中滑源區(qū)面積0.77km2，堰塞壩面積0.85km2?；磪^(qū)長約1350m，平均寬約600m，頂部高程約3680m，底部高程約2980m，高差達(dá)700m（高程測自ALOS-1DEM）；堰塞體順河長約1600m，平均寬約490m，最大沖高達(dá)150m，堰塞體平均厚度估算約40m，體積約3400萬m3?；聟^(qū)地層為元古界二長花崗巖，滑坡區(qū)主要發(fā)生NW向斷裂。正是因為利用INAR技術(shù)在滑坡發(fā)生之前進(jìn)行對應(yīng)的監(jiān)測所以及時地制止滑坡對人們造成的影響，也避免了一些不必要的損失發(fā)生。由此可見，利用INSAR技術(shù)在容易發(fā)生滑坡的地方進(jìn)行預(yù)測，可以在很大程度上減少損失。

利用高精度遙感和星載InSAR技術(shù)，實現(xiàn)了區(qū)域尺度、大范圍內(nèi)的重大地質(zhì)災(zāi)害隱患的早期識別。近年來世界各國先后發(fā)射了不少光學(xué)遙感衛(wèi)星，其分辨率越來越高（可達(dá)到0.2m左右），重復(fù)覆蓋某個區(qū)域的時間越來越短（幾年后便可達(dá)到任何地點每天覆蓋一次），地面的變形跡象可從遙感影像上清楚地發(fā)現(xiàn)，高精度遙感可作為地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別的重要技術(shù)手段。InSAR對地面大范圍變形區(qū)域也具有很好的探測識別能力，其監(jiān)測變形的精度已接近毫米級。將高精度遙感與InSAR有機結(jié)合，便可對某些地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)、多發(fā)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行掃面性的排查，圈定出地質(zhì)災(zāi)害隱患集中分布區(qū)和重大隱患點。利用INSAR技術(shù)的監(jiān)測就相當(dāng)于通過全面體檢，篩查和排查出具有潛在重大疾病的人群，來進(jìn)一步地分析出原因，減少了損失。

4 結(jié)語

利用INSAR技術(shù)不僅能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害中的隱患進(jìn)行對應(yīng)的監(jiān)測，而且能推算出哪些地區(qū)屬于安全區(qū)域，從而能夠避免人力、財力的損失，同時減少一些其他的不必要的損失。INSAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害隱患中的應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用，但是目前INSAR的適用范圍較小，要推動設(shè)立相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害隱患處理的技術(shù)部門，進(jìn)一步促進(jìn)INSAR技術(shù)的快速、全方面的發(fā)展，同時加快INSAR技術(shù)人員的隊伍建設(shè)，為前線的INSAR的研究隊伍提供新型的技術(shù)型人才，以此促進(jìn)干涉雷達(dá)的發(fā)展，進(jìn)一步推動社會的進(jìn)步、國家的穩(wěn)定發(fā)展。