基于D-InSAR技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害和監(jiān)測(cè)預(yù)警

李萬(wàn)林，周英帥

(1.西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810001；2.自然資源部第二地理信息制圖院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，且國(guó)土面積在世界上也排在前列。然而，密集的人類社會(huì)活動(dòng)再加上地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害也正在共同影響著中國(guó)的地質(zhì)環(huán)境和自然環(huán)境，這使得中國(guó)成為了世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最頻繁、受災(zāi)最嚴(yán)重的國(guó)家之一。地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，主要包括滑坡、泥石流、崩塌、地裂縫、地面沉降等。頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給我國(guó)帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)和人員損失[1]。據(jù)自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心發(fā)布的《全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)(2018年)》顯示，2018年全國(guó)共發(fā)生的中型以上(中型、大型、特大型)地質(zhì)災(zāi)害計(jì)316起，造成了73人傷亡以及10.7億元的直接經(jīng)濟(jì)損失。雖然自2013年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害造成的人員和經(jīng)濟(jì)損失有著逐年遞減的趨勢(shì)，但是地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的損失仍然是目前不容忽視的國(guó)家重大損失之一。

早期的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段主要有GPS(Global Position System)測(cè)量、近景攝影測(cè)量、三角網(wǎng)測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量等，這些方法由于無(wú)法提前布設(shè)控制點(diǎn)、儀器搬運(yùn)存在困難以及人力物力消耗高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺陷，使得此類技術(shù)無(wú)法在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中得到有效運(yùn)用[2-3]。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Intetrferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)作為新型遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，以其全方位、多層次、寬領(lǐng)域、全天候、全天時(shí)、高精度的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量手段的短板，擴(kuò)展了形變監(jiān)測(cè)研究的領(lǐng)域，近年來(lái)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中國(guó)西南山區(qū)[4-6]、西北地區(qū)[7-9]以及三峽庫(kù)區(qū)的地表形變監(jiān)測(cè)[10-13]、地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別和成因研究中，同時(shí)為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了重要的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐[14]。

臺(tái)風(fēng)是一種災(zāi)害性的天氣系統(tǒng)，它的破壞力極強(qiáng)，且一旦登錄人口聚集地，必將帶來(lái)大量的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失[15]，2019-08-09，“利奇馬”登錄浙江?！袄骜R”臺(tái)風(fēng)是1949年以來(lái)登錄浙江的臺(tái)風(fēng)中強(qiáng)度排行第三的臺(tái)風(fēng)，在不到一天的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)造成了浙江402萬(wàn)人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失也達(dá)到了70多億元。作為自然災(zāi)害，臺(tái)風(fēng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響絲毫不亞于地震，其帶來(lái)的超強(qiáng)風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害會(huì)引起滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。據(jù)浙江省自然資源廳發(fā)布的消息稱，受“利奇馬”影響，浙江新增地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)400多處，而常規(guī)大地測(cè)量手段在這種情況下很難找到地質(zhì)災(zāi)害的具體位置以及量級(jí)大小。因此，本次實(shí)驗(yàn)采用差分InSAR(Differential InSAR，D-InSAR)技術(shù)，利用其不受云霧雨雪天氣影響的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)前后地質(zhì)災(zāi)害范圍和形變大小的監(jiān)測(cè)。

1 D-InSAR技術(shù)簡(jiǎn)介

D-InSAR技術(shù)是InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的差分干涉技術(shù)，其靈感源于楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，基本原理是獲取同一地區(qū)的2～4幅SAR影像，得到地表發(fā)生形變前后在SAR影像雷達(dá)視線方向(Line of Sight，LOS)上的方向差，并解算出地表目標(biāo)區(qū)域在LOS方向上的形變。根據(jù)參與干涉SAR影像數(shù)量的不同，D-InSAR技術(shù)又可以分為二軌法、三軌法和四軌法，其中二軌法需要借助外部DEM，是較為常用的D-InSAR技術(shù)。

二軌法D-InSAR技術(shù)原理如圖1所示，其中Bp是基線在斜距方向上的投影，B⊥是基線在垂直于斜距方向上的投影，r是雷達(dá)到點(diǎn)P的距離，Δr代表獲取的兩幅SAR影像時(shí)間間隔內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)從點(diǎn)P的位置移動(dòng)到P′沿雷達(dá)視線方向的位移大小。

圖1 二軌法D-InSAR技術(shù)原理圖

設(shè)D-InSAR測(cè)量中得到的干涉相位為φ，則φ除了形變相位φdisp以外，還包括平地相位φf(shuō)lat，地形相位φl(shuí)and，纏繞相位φwrap、總噪聲相位φnoise以及大氣延遲相位φair。因此，φ的表達(dá)式如下：

φ=φ(φdisp+φf(shuō)lat+φl(shuí)and+φwrap+φnoise+φair).

(1)

而式(1)中，φdisp是需要求得的形變相位，因此需要將剩余的其他相位去除，從而得到真實(shí)的地表形變。在干涉中產(chǎn)生的φnoise、φwrap和φair分別可以通過(guò)濾波、相位解纏以及選取地面控制點(diǎn)(穩(wěn)定點(diǎn))的方法進(jìn)行去除，φf(shuō)lat和φl(shuí)and則可以通過(guò)導(dǎo)入外部DEM數(shù)據(jù)，利用式(2)消除。

(2)

其中，d是地面點(diǎn)P的高程;α為雷達(dá)入射角;λ為雷達(dá)波波長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)整理，將式(1)中的其他相位誤差去除，得到：

(3)

最后求出地面目標(biāo)在LOS方向上的形變,即：

(4)

2 研究區(qū)域概況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取

本次實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域位于麗水市東部、溫州市北部、臺(tái)州市西部以及金華市南部地區(qū)(見(jiàn)圖2)，坐標(biāo)范圍為27°47′35″N～29°18′34″N，118°50′32″E～120°52′48″E，其覆蓋面積達(dá)到了2.43萬(wàn)km2。該區(qū)域多為浙江省的山區(qū)，不僅山巒疊起、植被眾多，且有許多農(nóng)田裸露于山間，因此此區(qū)域在臺(tái)風(fēng)來(lái)襲、降雨量驟增的情況下更容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

圖2 研究區(qū)域位置及覆蓋范圍

為探求臺(tái)風(fēng)對(duì)浙江省山區(qū)的影響，本次實(shí)驗(yàn)選取兩幅C波段歐空局Sentinel-1A降軌影像，獲取時(shí)間在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前后，分別為2019-08-09和2019-08-21，其時(shí)間間隔為12 d，空間基線長(zhǎng)度為32.75 m，為提高D-InSAR的干涉結(jié)果精度，實(shí)驗(yàn)選取Sentinel-1A精密軌道數(shù)據(jù)校正影像。實(shí)驗(yàn)中所使用的DEM數(shù)據(jù)是由美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)測(cè)量的具有30 m分辨率的SRTM DEM。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)利用D-InSAR技術(shù)處理得到了在2019-08-10臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前后的地表形變變化情況。從雷達(dá)干涉圖中可以得出，由于SAR雷達(dá)波段為C波段，因此其穿透能力略差于L波段，對(duì)于植被較多的地區(qū)，其干涉圖會(huì)出現(xiàn)被分成多塊的情況(見(jiàn)圖3)。實(shí)際上，雖然圖3中呈現(xiàn)的條紋明顯的區(qū)域面積較小，但在其他存在大面積噪聲的區(qū)域中仍然存在大量相干系數(shù)大于0.5的離散點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。因此，為解決干涉條紋離散且噪聲點(diǎn)相干性較強(qiáng)的情況，本次實(shí)驗(yàn)采用Delauny三角網(wǎng)的方式對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行最小費(fèi)用流解纏，并且將解纏的相干系數(shù)閾值設(shè)置在0.6以上。本次實(shí)驗(yàn)將得到的浙江省D-InSAR結(jié)果從LOS方向投影至垂直地面方向，其形變圖如圖5所示。

圖3 D-InSAR濾波后干涉圖

圖4 離散點(diǎn)相干系數(shù)圖

圖5 D-InSAR地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖5中可以得知，在8月9—21日期間，研究區(qū)域超過(guò)60%的區(qū)域形變量在-3～3 cm之間，且多在山區(qū)地形中，受到植被和臺(tái)風(fēng)的影響，此類結(jié)果大都以離散點(diǎn)的形式出現(xiàn)。在相干系數(shù)較高、干涉條紋連續(xù)的城市地區(qū)，其結(jié)果也多呈現(xiàn)為不穩(wěn)定的形變。其中，為更好的呈現(xiàn)高危下沉區(qū)域結(jié)果，實(shí)驗(yàn)將D-InSAR結(jié)果進(jìn)行篩選，挑選下沉量大于8 cm的區(qū)域(見(jiàn)圖6)，并將下沉區(qū)域面積大小、下沉中心、最大形變量等信息列舉在表1當(dāng)中。

圖6 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果大于11 cm篩選結(jié)果

表1 形變量大于8 cm區(qū)域信息表

從圖6中可以看出，下沉量大于8 cm的區(qū)域均聚集于城市地區(qū)，但同時(shí)在山區(qū)也有間隔較小的離散點(diǎn)(區(qū)域4)，這些點(diǎn)覆蓋范圍較大，且存在于山區(qū)中，由于在D-InSAR處理過(guò)程中已經(jīng)篩選了相干系數(shù)小于0.6的點(diǎn)，因此區(qū)域4中的離散點(diǎn)相干性較好，盡管不是聚集式的形變，但其結(jié)果也說(shuō)明山區(qū)仍存在量級(jí)較大的下沉現(xiàn)象，同樣具有參考價(jià)值。

另外，本次實(shí)驗(yàn)在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前后在不同縣、區(qū)選取共6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，以得到其在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前后的高程變化，并將其和InSAR的垂直形變結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，InSAR測(cè)量時(shí)間為2019-08-09—2019-08-21，比較結(jié)果如表2所示。從比對(duì)結(jié)果中可以看出，D-InSAR結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果間差值最高為0.8 cm，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中提取了抬升量大于0.4 cm和下沉量大于0.8 cm的區(qū)域，并與浙江省8月10—12日地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警圖(簡(jiǎn)稱預(yù)警圖)進(jìn)行比較(見(jiàn)圖7)，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)到的下沉和抬升區(qū)域分布情況與預(yù)警圖結(jié)果基本符合，證明了形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，同時(shí)說(shuō)明在地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均發(fā)生了不穩(wěn)定的抬升和下沉形變。

表2 水準(zhǔn)測(cè)量與InSAR測(cè)量結(jié)果比較 cm

圖7 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警圖結(jié)果比較

4 結(jié) 論

本次研究基于歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星影像，運(yùn)用D-InSAR技術(shù)對(duì)浙江省南部地區(qū)進(jìn)行了地表形變監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害隱患的排查，基本查明了在“利奇馬”來(lái)臨前后研究區(qū)域的地表形變情況。本次研究將InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)地高程測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，證實(shí)了D-InSAR結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，研究區(qū)域中存在60%的形變結(jié)果呈現(xiàn)為±2 cm的形變，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)篩選出4處下沉量超過(guò)8 cm的區(qū)域以及4處抬升量大于4 cm的區(qū)域，其中，下沉區(qū)域最大下沉量均超過(guò)了10 cm，范圍都超過(guò)10 km2，因此，下沉量超過(guò)8 cm的區(qū)域均為地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域，需要重點(diǎn)關(guān)注。

本次研究將不穩(wěn)定的形變區(qū)域和地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域預(yù)警圖進(jìn)行比較，兩者劃分區(qū)域的位置基本一致，說(shuō)明D-InSAR結(jié)果能監(jiān)測(cè)地表形變變化和范圍。研究結(jié)果表明，D-InSAR技術(shù)能監(jiān)測(cè)到毫米級(jí)別的形變，同時(shí)不會(huì)受到云霧雨雪天氣的影響，在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前已經(jīng)對(duì)浙江的降雨產(chǎn)生影響的時(shí)刻仍然能夠得到清晰的SAR影像并進(jìn)行干涉。同時(shí)，研究結(jié)果表明，受到植被、水體等地理環(huán)境因素的影響，利用C波段監(jiān)測(cè)山區(qū)中的地表形變結(jié)果多是以離散點(diǎn)形式出現(xiàn)。因此，可以考慮使用穿透性更強(qiáng)的L波段數(shù)據(jù)得到高相干點(diǎn)更連續(xù)的形變規(guī)律，同時(shí)，可以使用多景SAR影像進(jìn)行時(shí)序InSAR監(jiān)測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)形變異常區(qū)域，用于危險(xiǎn)預(yù)警、為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測(cè)提供理論和數(shù)據(jù)支持。