山體滑坡雷達(dá)遙感監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

鄢繼選，鄭志琴

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

引言

我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重、受威脅人口最多的國(guó)家之一，其中滑坡是地災(zāi)中最嚴(yán)重的一種災(zāi)害，西南地區(qū)是我國(guó)滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)域，滑坡災(zāi)害能阻斷河流形成堰塞湖，間接影響人類安全，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和防治工作，是社會(huì)治理的重要課題。2018年10月10日，習(xí)近平主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議，部署“九項(xiàng)重點(diǎn)工程”，其中有三項(xiàng)就是關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查排查、綜合治理以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化工程。由此可見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害的防治工作，已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。

對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和早期預(yù)報(bào)，是防止和減少滑坡災(zāi)害的重要方法，傳統(tǒng)滑坡監(jiān)測(cè)和預(yù)警主要采用傾斜儀、應(yīng)力計(jì)、水位計(jì)、位移計(jì)等儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以及運(yùn)用TDR、GPS 技術(shù)等進(jìn)行電子遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。但這些方法卻不適宜應(yīng)用到人員難以進(jìn)入的區(qū)域和廣面積區(qū)域監(jiān)測(cè)上，而且造價(jià)特別高。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展使大面積區(qū)域監(jiān)測(cè)成為可能，同時(shí)無(wú)需人員進(jìn)入，在對(duì)大面積自然區(qū)域的滑坡監(jiān)測(cè)上有著傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但是，以前的遙感調(diào)查提供的解譯成果卻是宏觀的、半定量或定性的，缺少較精確的滑坡信息。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)是近些年來(lái)在雷達(dá)干涉基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種微波遙感技術(shù)，具有光學(xué)遙感不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)于地表微小形變探測(cè)具有厘米級(jí)甚至毫米級(jí)探測(cè)能力[1]，使其在對(duì)地表沉降、地震以及火山等大范圍地表形變的監(jiān)測(cè)中得到迅速而且廣泛的應(yīng)用。

D-InSAR 技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)最早的時(shí)間是1995年，法國(guó)學(xué)者Achache[2]等使用從ERS-1 衛(wèi)星獲取的SAR 數(shù)據(jù)，再利用D-InSAR 技術(shù)對(duì)法國(guó)南部saint-Etienne-de-Tinee 滑坡進(jìn)行了研究，對(duì)比了D-InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)滑坡的形變精度與地面監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的精度，最后得出兩種方法的監(jiān)測(cè)精度相一致。隨后許 多學(xué)者如Fruneau[3]，Vietmeier[4]，Squarzoni[5]，Rizzo and Tesauro[6]等也陸續(xù)開始對(duì)D-InSAR 技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究，此后，許多研究者也分別使用包括JERS-1、ENVISAT、RADARSAT-2 在內(nèi)的多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用D-InSAR 技術(shù)進(jìn)行了有關(guān)滑坡監(jiān)測(cè)的研究，也取得了不錯(cuò)的效果[7-11]。由此可見(jiàn)利用D-InSAR 技術(shù)進(jìn)行滑坡災(zāi)害研究具有非常重要的意義，目前已成為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)[12]。

1 D-InSAR 測(cè)量原理

1.1 SAR 與InSAR 的基本原理

雷達(dá)遙感影像是有源系統(tǒng)，不需要外部照明，而且是全氣候，穿透云、雨、干沙和部分植被可進(jìn)行高精度形變測(cè)量。SAR（Synthetic Aperture Radar）合成孔徑雷達(dá)的基本原理是把雷達(dá)放在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，獲得目標(biāo)距離—方位二維高分辨微波圖像。SAR 系統(tǒng)分類有星載SAR、機(jī)載SAR、地基SAR，其中星載SAR 和地基SAR 適用于形變測(cè)量和變化檢測(cè)。 InSAR（Interferometry Synthetic Aperture Radar）合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)是在SAR 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它是通過(guò)兩幅天線同時(shí)觀測(cè)或兩次近平行的觀測(cè)而獲取地面同一區(qū)域兩幅影像的方法，通過(guò)SAR 以及InSAR 技術(shù)能進(jìn)行廣域監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，能提供目標(biāo)形變的歷史變化序列，以及災(zāi)害點(diǎn)治理前后的變化數(shù)據(jù)與目標(biāo)變化的趨勢(shì)性信息，SAR 形變觀測(cè)具備時(shí)空大數(shù)據(jù)的特征。InSAR 處理流程包括：基線估算、干涉圖生成、干涉圖去平、干涉圖自適應(yīng)濾波和相干生成、相位解纏、軌道重定義、高程/形變轉(zhuǎn)換[13，14]。

1.2 D-InSAR 基本原理

差分干涉合成孔徑雷達(dá)測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)是傳統(tǒng)InSAR 技術(shù)的擴(kuò)展，該技術(shù)利用兩幅干涉圖或者一幅干涉圖結(jié)合高精度數(shù)字高程模型（DEM）來(lái)測(cè)量地表的微小形變信息[15]。D-InSAR 技術(shù)的流程包括：基線估算、干涉圖生成、自適應(yīng)濾波及相干性生成、相位解纏、軌道精煉和重去平、形變圖生成等。

2 滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)案例

2018年10月11日，金沙江白格發(fā)生山體滑坡，金沙江的干流河道堵塞，形成了堰塞湖。危及附近地區(qū)人民群眾的生命與財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)又對(duì)多個(gè)水電站造成威脅。2018年11月3日，白格村原山體滑坡點(diǎn)發(fā)生二次滑坡。災(zāi)害發(fā)生后，“地質(zhì)災(zāi)害InSAR 技術(shù)研究中心”第一時(shí)間獲取高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行了災(zāi)情遙感影像解譯分析，并利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)展開了滑前形變探測(cè)等工作。

2.1 基于災(zāi)前Sentinel-1 衛(wèi)星分析

利用4 期災(zāi)前（2018年9月4日～10月10日，每間隔12 天一期）Sentinel-1 衛(wèi)星SAR 數(shù)據(jù)，開展D-InSAR 技術(shù)處理，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明顯（圖1a）；至9月28日，斜坡上部持續(xù)保持變形（圖1b）；至10月10日，整個(gè)斜坡體形變特征更為明顯，形變量級(jí)及范圍均有顯著增加，對(duì)岸亦有形變特征出現(xiàn)（圖1c），直至11日凌晨發(fā)生山體滑坡。

其中圖 a 為 Sentinel-1 第一幅干涉圖（20180904-20180916）， 圖 b 為 第 二 幅 干 涉 圖（20180916-20180928）， 圖 c 為 第 三 幅 干 涉 圖（20180928-20181010）；紅線代表InSAR 觀測(cè)得到的山體斜坡變形邊界。

圖1 金沙江白格山體滑坡災(zāi)前Sentinel-1 衛(wèi)星形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2 基于災(zāi)前ALOS-2 衛(wèi)星分析

利用4 期災(zāi)前（2017年7月24日～2018年7月23日）ALOS-2 衛(wèi)星SAR 數(shù)據(jù)，開展D-InSAR 技術(shù)處理，發(fā)現(xiàn)該滑坡在監(jiān)測(cè)時(shí)段均具有不同程度的形變特征。其中，2017年7月至11月歷時(shí)4個(gè)月，斜坡上部形變特征明顯，中部失相干嚴(yán)重，可能是該時(shí)段內(nèi)形變量過(guò)大所致（圖2a）；2017年11月至2018年5月歷時(shí)6個(gè)月，斜坡形變特征依然明顯，形變量大（圖2b）；2018年5月至7月歷時(shí)近2個(gè)月，整個(gè)斜坡出現(xiàn)嚴(yán)重失相干，可能是斜坡體持續(xù)形變所致（圖2c）。這與Sentinel-1 衛(wèi)星得到的形變結(jié)論一致，且較好地反應(yīng)了該斜坡在更早期就在發(fā)生持續(xù)形變。

其中圖 a 為 ALOS-2 第一幅干涉圖（20170724-20171127）， 圖 b 是 第 二 幅 干 涉 圖（20171127-20180528）， 圖 c 是 第 三 幅 干 涉 圖（20180528-20180723），分別表示災(zāi)前不同時(shí)段內(nèi)斜坡變形特征；紅線代表InSAR 觀測(cè)得到的山體斜坡變形邊界。

圖2 金沙江白格山體滑坡災(zāi)前ALOS-2 衛(wèi)星形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.3 基于災(zāi)中、災(zāi)后COSMO-SkyMed 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析

利用2018年10月14日至11月27日的COSMO-SkyMed 衛(wèi)星影像（圖3）對(duì)滑坡進(jìn)行遙感解譯，發(fā)現(xiàn)滑坡體總面積達(dá)1.62 km2，其中滑源區(qū)面積0.77 km2，堰塞壩面積0.85 km2?；磪^(qū)長(zhǎng)約1350 m，平均寬約600 m，頂部高程約3680 m，底部高程約2980m，高差達(dá)700 m（高程測(cè)自ALOS-1 DEM）；堰塞體順河長(zhǎng)約1600 m，平均寬約490 m，最大沖高達(dá)150 m，堰塞體平均厚度估算約40 m，體積約3400萬(wàn)m3（圖4）。

圖3 COSMO-SkyMed 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

圖4 COSMO-SkyMed 衛(wèi)星形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.4 COSMO-SkyMed 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證

從首次滑坡至12月份，持續(xù)對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行了持續(xù)的數(shù)據(jù)獲取、處理和分析，對(duì)滑坡體的分布、動(dòng)態(tài)及變化規(guī)律等進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)如圖5，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理等提供了參考。同時(shí)對(duì)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如圖6，得出兩種方法形變趨勢(shì)基本一致，監(jiān)測(cè)到的形變量級(jí)不同，SAR 監(jiān)測(cè)形變量級(jí)要比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大。SAR 監(jiān)測(cè)面狀形變信息，可監(jiān)測(cè)到人員不易到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域。地面實(shí)測(cè)得到點(diǎn)狀形變信息，一般布設(shè)在人員可達(dá)的滑坡體邊緣處，形變可能相對(duì)較小。

圖5 不同時(shí)期衛(wèi)星形變監(jiān)測(cè)

圖6 不同時(shí)期的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較

3 結(jié)論

利用D-InSAR 技術(shù)對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理提供了參考，同時(shí)D-InSAR 監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較得出兩種方法形變趨勢(shì)基本一致，只是兩種方法監(jiān)測(cè)到的形變量級(jí)不同，地面實(shí)測(cè)可得到點(diǎn)狀形變信息，這些點(diǎn)一般布設(shè)在人員可達(dá)的滑坡體邊緣處，形變可能相對(duì)較小。D-InSAR 監(jiān)測(cè)形變量級(jí)要比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大而且D-InSAR 可監(jiān)測(cè)面狀形變信息，能夠監(jiān)測(cè)到人員不易到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，這為無(wú)人區(qū)滑坡檢測(cè)提供了很好的監(jiān)測(cè)路徑與方法。

4 結(jié)語(yǔ)

高分辨率星載SAR 監(jiān)測(cè)，可對(duì)滑坡體形變空間分布、發(fā)展動(dòng)態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并為地面測(cè)量點(diǎn)位布設(shè)提供指導(dǎo)，為驗(yàn)證滑坡體動(dòng)力模型提供數(shù)據(jù)參考。金沙江白格滑坡區(qū)斜坡在發(fā)生滑坡災(zāi)害前，已存在明顯的、可被遙感技術(shù)感知和發(fā)現(xiàn)的形變信息。如果能在此滑坡發(fā)生前，利用高精度遙感和D-InSAR 技術(shù)對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害隱患“普查”，提前發(fā)現(xiàn)滑坡的變形跡象，識(shí)別出滑坡潛在隱患，對(duì)該滑坡實(shí)施監(jiān)測(cè)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（包括對(duì)滑坡堵河的可能性及危害性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估），便可掌握防災(zāi)減災(zāi)的主動(dòng)權(quán)，變事后應(yīng)急救災(zāi)為事前主動(dòng)防災(zāi)。由此可見(jiàn)提高滑坡災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的水平對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。