基于InSAR 技術(shù)的礦區(qū)滑坡災(zāi)害形變誘因分析*

彭思佳，陳 聰，馬金輝

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

窯街礦區(qū)從1958 年建設(shè)開采以來(lái)一直受開采沉陷的影響，而由開采沉陷引起的9 起次生地質(zhì)災(zāi)害中滑坡災(zāi)害為8 起，可見(jiàn)窯街礦區(qū)內(nèi)開采沉陷引起的次生災(zāi)害主要是滑坡[1]。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、監(jiān)測(cè)范圍大、監(jiān)測(cè)精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地震[2]、滑坡[3]、泥石流[4]、地面沉降[5]等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)研究中，并取得了豐富的研究成果。尤其是SBAS-InSAR（small baseline subset InSAR）技術(shù)，該技術(shù)是由Berardino 等[6]提出的一種以多主影像的干涉對(duì)為基礎(chǔ)的時(shí)間序列In－SAR 分析方法。該技術(shù)在滑坡形變監(jiān)測(cè)方面已發(fā)揮重要作用。Necsoiu 等[7]利用SBAS-InSAR 技術(shù)對(duì)Salmon Falls Creek 峽谷內(nèi)的滑坡體的運(yùn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)SBAS-InSAR 技術(shù)可以捕捉強(qiáng)非線性位移速率。戴可人等[8]利用SBAS-InSAR 技術(shù)對(duì)甘肅南峪鄉(xiāng)滑坡災(zāi)前變形進(jìn)行追溯，發(fā)現(xiàn)降雨是該滑坡發(fā)生的主要誘因。上述研究證實(shí)了SBAS-InSAR 技術(shù)在滑坡災(zāi)害誘因分析的可行性。而在礦區(qū)的研究中SBAS-InSAR 技術(shù)多用于檢測(cè)礦區(qū)開采沉陷，對(duì)于由礦區(qū)開采所引起的次生災(zāi)害關(guān)注較少。本文是基于SBAS-InSAR 技術(shù)，利用二維形變模型計(jì)算獲得垂直向與滑坡體滑動(dòng)方向的形變速率，整體對(duì)滑坡體形成過(guò)程進(jìn)行分析，再根據(jù)不同形變過(guò)程的范圍分析得到形變誘因，該方法為礦區(qū)內(nèi)次生災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供新思路、新方法。

1 研究區(qū)概況

甘肅窯街煤礦位于甘肅、青海兩省交界處。礦區(qū)位于黃土高原西部邊緣區(qū)，地形較復(fù)雜。由于長(zhǎng)期大規(guī)模地開采，且礦區(qū)內(nèi)建筑物和煤矸石堆積場(chǎng)都是建在舊開采區(qū)之上，導(dǎo)致了礦區(qū)內(nèi)滑坡、地表塌陷、地表裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[9]。上工業(yè)廣場(chǎng)滑坡體位于海石灣礦區(qū)西側(cè)，建筑區(qū)東側(cè)，2018 年4 月9 日發(fā)生滑坡。滑坡體南北方向長(zhǎng)約506m，影響面積約5000m2，滑坡土方量約為300×104m3。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)說(shuō)明

本文采用的主要研究數(shù)據(jù)是Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是由歐洲宇航局發(fā)射的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星所獲取，衛(wèi)星重訪周期為12 天，研究選用的是干涉寬幅模式的影像數(shù)據(jù)，地面分辨率為5m（距離向）×20m（方位向）。輔助數(shù)據(jù)是美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)布的30m DEM 數(shù)據(jù)（ASTER GDEM）。

2.2 SBAS-InSAR 技術(shù)

SBAS-InSAR 技術(shù)基本原理是基于時(shí)間和空間基線閾值選擇多幅主影像，選擇時(shí)間和空間基線都較短的干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉處理。利用外部導(dǎo)入的精軌數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)，對(duì)所選的干涉對(duì)進(jìn)行差分處理，去除地形對(duì)形變結(jié)果的影響。選擇穩(wěn)定點(diǎn)作為外部控制點(diǎn)進(jìn)行相位解纏，最后利用最小二乘法對(duì)所有干涉對(duì)進(jìn)行聯(lián)合求解，得到地表形變信息。

2.3 二維形變模型

上工業(yè)廣場(chǎng)滑向方位角約110°，近東西方向，南北方向上的位移極小。因此，本文只計(jì)算垂直向和滑動(dòng)方向的水平位移。將雷達(dá)視線方向的形變分解為垂向形變dU、滑坡體滑動(dòng)方向形變dOA，計(jì)算公式：dLOS=ducosθdOAsinθcos（δ-α）。

3 形變結(jié)果與分析

3.1 滑坡形變過(guò)程二維形變分析

滑坡發(fā)生前的12 個(gè)月時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)方向都存在明顯的形變，滑坡向水平最大年均形變速率可達(dá)110mm/a，垂直向最大年均形變速率為84mm/a?？臻g上根據(jù)提取的二維形變結(jié)果（圖1、圖2），按形變差異將滑坡體劃分為滑坡體北區(qū)與南區(qū)。經(jīng)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)北區(qū)為煤矸石堆積區(qū)，南區(qū)為黃土區(qū)。分析得到滑坡體形變過(guò)程變化：2017 年4月以前，區(qū)內(nèi)兩個(gè)方向累積形變量都低于15mm；2017 年4 月至6 月，滑坡體的形變范圍主要位于滑坡體北區(qū)，發(fā)現(xiàn)形變范圍向滑坡體南區(qū)下部擴(kuò)展，北區(qū)形變擴(kuò)展到南區(qū)下部促使南區(qū)失穩(wěn)發(fā)生形變；2017 年7 月至12 月，垂直向形變中滑坡體北區(qū)形變量增大明顯，而滑坡體南區(qū)形變主要以沿滑坡向水平形變?yōu)橹?，此時(shí)水平形變范圍覆蓋整個(gè)滑坡體；2018 年水平形變范圍覆蓋整個(gè)上工業(yè)廣場(chǎng)斜坡。

圖1 垂直向形變

圖2 沿滑坡向水平形變

從兩個(gè)方向的時(shí)間變化過(guò)程來(lái)看（圖3），滑坡體北區(qū)的形變量明顯大于滑坡體南區(qū)，2017 年6 月滑坡體北區(qū)形變量出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)入加速變形期；2017 年12 月滑坡體南區(qū)出現(xiàn)形變拐點(diǎn)，形變速率增加但小于北區(qū)形變速率；2018 年1 月滑坡體北區(qū)進(jìn)入形變加速期，直至2018年4 月滑坡發(fā)生。綜合滑坡體的時(shí)間、空間變化特征可以發(fā)現(xiàn)，滑坡體的發(fā)育與北區(qū)的煤矸石堆積場(chǎng)有密切的關(guān)系，煤矸石堆積場(chǎng)的失穩(wěn)是導(dǎo)致滑坡體形成的重要驅(qū)動(dòng)因素。

圖3 災(zāi)前時(shí)間序列累積形變圖（左：垂直向 右：滑動(dòng)方向）

3.2 滑坡形變趨勢(shì)范圍劃分

利用時(shí)序分析工具對(duì)形變點(diǎn)進(jìn)行形變趨勢(shì)劃分，得到時(shí)空熱點(diǎn)趨勢(shì)分布格局（圖4），圖中垂直向位移中熱點(diǎn)為向上抬升，冷點(diǎn)為下沉；沿滑坡向水平位移的熱點(diǎn)為與滑向方向相反，冷點(diǎn)為與滑向方向一致。

圖4 時(shí)空熱點(diǎn)趨勢(shì)分布格局（左：垂直向 右：沿滑坡水平向）

滑坡體邊線內(nèi)大部分區(qū)域在兩個(gè)方向上都為振蕩的冷點(diǎn)，意味著該區(qū)域時(shí)間序列變化過(guò)程與圖3 中分析的時(shí)間變化特征一致，滑坡體呈現(xiàn)勻速-加速-勻速-加速非線性變化過(guò)程，為復(fù)合型滑坡。圖4 中A 區(qū)的形變過(guò)程與滑坡體形變過(guò)程一致，說(shuō)明在建筑區(qū)中A 區(qū)受滑坡體的影響大，在后續(xù)的滑坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與災(zāi)后治理中需要重點(diǎn)關(guān)注。B 區(qū)與C 區(qū)在滑坡體邊線內(nèi)，水平向?yàn)榧訌?qiáng)的冷點(diǎn)，呈現(xiàn)線性變化過(guò)程，在垂直向趨勢(shì)分布中B 區(qū)為振蕩的冷點(diǎn)，呈現(xiàn)非線性變化趨勢(shì)；C 區(qū)在2017 年9 月以前累積形變量3mm，9 月以后形變量勻速增加，呈線性變化。由3.1 節(jié)的分析可知滑坡發(fā)生的主要誘因是北區(qū)煤矸石堆積場(chǎng)失穩(wěn)，因此滑坡體的啟動(dòng)區(qū)是非線性特征區(qū)。在對(duì)礦區(qū)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)時(shí)，除采空區(qū)開采沉陷外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注礦區(qū)內(nèi)非線性變化特征區(qū)，以防發(fā)生次生災(zāi)害。

4 結(jié)論

本文基于SBAS-InSAR 技術(shù)獲取滑坡體垂直向與滑動(dòng)方向的二維時(shí)序形變結(jié)果，從時(shí)間、空間兩方面分析，發(fā)現(xiàn)北區(qū)的煤矸石堆積物是滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要誘因。對(duì)滑坡體不同形變趨勢(shì)進(jìn)行分析，認(rèn)為滑坡體整體為復(fù)合型滑坡，屬于非線性變化，結(jié)合誘因分析發(fā)現(xiàn)非線性特征區(qū)是滑坡體的啟動(dòng)區(qū)。非線性變化相較于線性變化演化規(guī)律復(fù)雜，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需要在礦區(qū)災(zāi)害預(yù)警、治理中重點(diǎn)關(guān)注。利用InSAR 技術(shù)來(lái)獲取地表真實(shí)形變，對(duì)具有非線性形變特點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行二維時(shí)空分析，探尋形變規(guī)律，排查潛在災(zāi)害區(qū)，對(duì)后期災(zāi)后治理、礦區(qū)減災(zāi)等有重要意義。