Sentinel-1數(shù)據(jù)在西南山區(qū)水庫(kù)變形斜坡InSAR監(jiān)測(cè)中的適用性評(píng)價(jià):以溪洛渡水庫(kù)為例

李凌婧姚 鑫周振凱王德富

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100083;

3.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;

4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性研究中心,北京 100081;

5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083;

6.自然資源部第三地理信息制圖院,四川 成都 610000

0 引言

自1963年意大利瓦伊昂特大滑坡 (the Vaiont Landslide)發(fā)生以來(lái),岸坡地質(zhì)災(zāi)害一直是峽谷區(qū)水庫(kù)關(guān)注的主要問(wèn)題之一 (Hendron and Patton, 1987;鄭嘉豪等,2020;李濱等,2020),庫(kù)區(qū)斜坡活動(dòng)性大小主要受地質(zhì)條件、地震活動(dòng)、降水及庫(kù)水位波動(dòng)等影響(中村浩之,1990;唐曉松等,2013;張淼等,2014)。近年來(lái),合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)技術(shù)在斜坡地質(zhì)災(zāi)害形變識(shí)別、監(jiān)測(cè)等方面有廣泛應(yīng)用(李曉恩等,2021),作為一種主動(dòng)式微波傳感器,具有全天候、全天時(shí)成像的特點(diǎn),尤其適用于水庫(kù)區(qū)這樣的多云多雨地區(qū)(廖明生等,2012)。隨著國(guó)內(nèi)三峽水庫(kù)區(qū)、金沙江四個(gè)梯級(jí)電站的相繼建成及運(yùn)行,InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達(dá)干涉)技術(shù)在水庫(kù)區(qū)斜坡變形識(shí)別、結(jié)合庫(kù)水位變化的時(shí)序變形監(jiān)測(cè)等方面都有成功的應(yīng)用(王桂杰等,2011;廖明生等,2012;Shi et al.,2016)。2001年美國(guó)阿拉斯加大學(xué)地球物理研究所與中國(guó)地震局地震研究所使用歐洲空間局的 ERS(European Remote Sensing Satellite)數(shù)據(jù),利用D-InSAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達(dá)差分干涉)技術(shù)監(jiān)測(cè)三峽地區(qū)蓄水引起的地表形變(游新兆等,2001),展示了InSAR技術(shù)在國(guó)內(nèi)水庫(kù)建設(shè)中的應(yīng)用前景。在此之后,Gao and Zeng(2007)利用2003~2005年11景萬(wàn)州地區(qū)ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序InSAR處理,認(rèn)為數(shù)據(jù)量和大氣效應(yīng)是限制InSAR數(shù)據(jù)在該地區(qū)應(yīng)用的主要原因。隨著高分辨率、短重訪周期的SAR衛(wèi)星相繼升空,庫(kù)區(qū)InSAR滑坡監(jiān)測(cè)有了進(jìn)一步發(fā)展。廖明生等(2012)將TerraSAR-X數(shù)據(jù)應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作中,取得了一定成效。

現(xiàn)有SAR系統(tǒng)有星載SAR(Kankaku et al., 2014)、機(jī)載SAR(Scott et al., 2016)和地基SAR(Herrera et al., 2009)3種,但由于機(jī)載SAR系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和地基SAR設(shè)備的高花費(fèi),使得星載SAR的應(yīng)用更為普及。截至2021年,根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)指南附錄C(中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會(huì), 2018)中所示,可用的星載SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)可達(dá)10種。隨著2014年4月Sentinel衛(wèi)星的發(fā)射,其超高的輻射分辨率、穩(wěn)定的軌道系統(tǒng)、較大的覆蓋能力、較短的重返時(shí)間、可免費(fèi)下載的數(shù)據(jù),使InSAR技術(shù)在斜坡災(zāi)害識(shí)別、監(jiān)測(cè)、預(yù)警的應(yīng)用上又邁進(jìn)了一步(歐陽(yáng)倫曦等,2017;徐帥等,2020)。但是,由于雷達(dá)衛(wèi)星的重訪時(shí)間、觀測(cè)角度、分辨率、波長(zhǎng)等因素的不同,對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)滑坡識(shí)別,在數(shù)量和重合度上均有差異(劉星洪等,2018),因此,分析不同SAR數(shù)據(jù)在山區(qū)滑坡識(shí)別監(jiān)測(cè)方面的適用性,具有重要意義。適用性是相對(duì)的,當(dāng)變形斜坡所處的地質(zhì)環(huán)境條件出現(xiàn)較大的改變時(shí),彼處的適用可能就變成了此處的不適用,所以,適用性的分析是一個(gè)理論結(jié)合實(shí)際的過(guò)程。

文章以金沙江上游溪洛渡水庫(kù)區(qū)變形斜坡(主要為滑坡、部分危巖體)為例,基于Sentinel-1、PALSAR-2和TerraSAR-X衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù),采用D-InSAR、SBAS-InSAR方法提取變形斜坡信息,結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)條件和庫(kù)水位波動(dòng)數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)Sentinel-1衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)在山區(qū)水庫(kù)變形斜坡InSAR監(jiān)測(cè)中的適用性,以理論結(jié)合實(shí)際結(jié)果分析Sentinel-1數(shù)據(jù)是否可以在一定條件下替代其他兩種商業(yè)數(shù)據(jù),為相關(guān)的行業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

溪洛渡水庫(kù)位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷段,正常蓄水位600 m,死水位540 m,庫(kù)尾距壩里程約196 km。庫(kù)區(qū)地處云貴高原和四川盆地兩大地貌單元過(guò)渡地段,屬?gòu)?qiáng)侵蝕高山、中山地貌類(lèi)型,河谷狹窄,岸坡坡度30°~60°,最大可達(dá)80°。地勢(shì)西高東低,山脈走向與構(gòu)造線大體一致,以近南北及北東向?yàn)橹?主要活動(dòng)斷裂有峨邊-金陽(yáng)斷裂、金陽(yáng)斷裂及五蓮峰斷裂(圖1a、1b)。

Sentinel-1搭載C波段SAR傳感器,具有4種工作模式,其中,干涉寬幅模式 (Interferometric Wide Swath,IW)數(shù)據(jù)可用于差分干涉,數(shù)據(jù)幅寬250 km,在溪洛渡庫(kù)區(qū)需南、北2景拼接處理,其他星載SAR數(shù)據(jù)均需要2~3景才可全面覆蓋。庫(kù)區(qū)整體走向大致與衛(wèi)星升軌方位向垂直,與降軌方位向平行,單一軌道無(wú)法滿足兩岸的識(shí)別。

1.2 災(zāi)害發(fā)育情況

在地層上,除石炭系、泥盆系、古近系及新近系外,庫(kù)區(qū)地層從元古界到第四系均有出露,其中碎屑巖及碳酸鹽巖地層出露較廣,壩區(qū)、近壩段出露的主要地層為二疊系的陽(yáng)新灰?guī)r及峨眉山玄武巖,河谷、支溝兩側(cè)的山間谷地內(nèi)零星分布第四系的沖洪積、崩坡積等(鄧宏艷和王成華,2011)。蓄水前災(zāi)害主要發(fā)育在這些碎屑巖及碳酸鹽巖中,大型古滑坡堆積體變形則受軟巖控制(高改萍和楊建宏,2003)。2013年5月水庫(kù)蓄水后,陳廷照和戴福初(2018)利用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)圈定了庫(kù)區(qū)主河道及支流范圍內(nèi)共計(jì)213處滑坡點(diǎn),其中特大型及大型滑坡占比74%;在涉水滑坡中,按照滑坡類(lèi)型,基巖順層滑坡和堆積層順基覆界面滑坡占比最大。庫(kù)區(qū)大型及以上災(zāi)害較為發(fā)育的特點(diǎn),使得大多數(shù)星載SAR數(shù)據(jù)分辨率均滿足一定的探測(cè)條件。

此次研究所用SAR數(shù)據(jù)范圍如圖1c所示(僅標(biāo)識(shí)原始數(shù)據(jù)拼接裁剪后的實(shí)際處理范圍)。

圖1 研究區(qū)地理位置、地質(zhì)背景及SAR數(shù)據(jù)范圍Fig.1 The location and the geological background of the study area, and the SAR data ranges(a) The location of the study area; (b) The elevation and active faults; (c) The SAR data types, and InSAR processing ranges after images being spliced and clipped

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

針對(duì)覆蓋研究區(qū)的存檔SAR數(shù)據(jù),選取了3種不同波長(zhǎng)的SAR數(shù)據(jù)源,分別是Sentinel-1(C波段)、ALOS PALSAR-2(L波段)及TerraSAR-X(X波段),詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。此次InSAR處理,Sentinel-1多視數(shù)為9×1,多視后的分辨率為距離向×方位向=10.48 m×13.99 m;PALSAR-2多視數(shù)為2×2,分辨率為2.86 m×4.43 m;TerraSAR-X多視數(shù)為3×3,分辨率為2.73 m×5.89 m。

表1 星載SAR傳感器基本參數(shù)及特征表Table 1 Basic parameters and characteristics of Spaceborne SAR sensors

利用InSAR方法計(jì)算的形變結(jié)果是SAR影像坐標(biāo)系,需要投影到地理坐標(biāo)系統(tǒng)才利于分析,一般需利用外部數(shù)字高程模型 (Digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)配合投影轉(zhuǎn)換(劉國(guó)祥等,2019)。文章利用的DEM數(shù)據(jù)分辨率為6m,為SPOT-7衛(wèi)星立體像對(duì)制作,其分辨率優(yōu)于Sentinel-1,與PALSAR-2和TerraSAR-X基本持平,在重采樣過(guò)程中可基本還原位置。

Sentinel系列是歐洲全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目——“哥白尼計(jì)劃”的成員,其于2014年4月3日發(fā)射首顆衛(wèi)星Sentinel-1A,每12天覆蓋全球一次,2016年4月25日Sentinel-1B發(fā)射成功,雙星重訪周期縮短至6天(歐陽(yáng)倫曦等,2017)。PALSAR-2重訪周期為14天,TerraSAR-X為11天。除Sentinel-1為免費(fèi)數(shù)據(jù)外,其他兩種SAR數(shù)據(jù)均為商業(yè)數(shù)據(jù),需編程采購(gòu),因衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)、經(jīng)費(fèi)等原因,在數(shù)據(jù)連續(xù)性上較差,因此,從數(shù)據(jù)選取方面,Sentinel-1性價(jià)比更高。

2.2 分析流程

以往分析主要是根據(jù)SAR衛(wèi)星本身的參數(shù)(王志勇和張金芝,2013;Hu et al.,2014)或技術(shù)本身的誤差 (大氣、植被等;Xu et al.,2011;廖明生和王騰,2014;占文俊等,2015)進(jìn)行的,此次研究基于影響地質(zhì)災(zāi)害InSAR識(shí)別的相關(guān)因素進(jìn)行分析,分析流程圖見(jiàn)圖2。采用從整體到局部的評(píng)價(jià)方法,區(qū)域識(shí)別上主要是時(shí)間(相干性、重訪周期、數(shù)據(jù)量情況)和空間(理論及實(shí)際的有效識(shí)別結(jié)果),單體識(shí)別上主要為災(zāi)害單體特征,如范圍、形變和準(zhǔn)確度。

圖2 分析流程圖Fig.2 Analysis flow chart

3 區(qū)域性水庫(kù)變形斜坡識(shí)別適用性評(píng)價(jià)

3.1 時(shí)序識(shí)別應(yīng)用

與其他的在軌觀測(cè)雷達(dá)衛(wèi)星相比,Sentinel衛(wèi)星最大的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的覆蓋性能和重訪性能,適合與庫(kù)水位變化相關(guān)性極強(qiáng)的水庫(kù)滑坡的監(jiān)測(cè)工作。為了開(kāi)展評(píng)價(jià)分析,在研究區(qū)編程購(gòu)買(mǎi)了PALSAR-2及 TerraSAR-X 數(shù)據(jù),但是,由于PALSAR-2衛(wèi)星經(jīng)常執(zhí)行突發(fā)任務(wù),使得編程拍攝一度中斷,造成數(shù)據(jù)不連續(xù),而TerraSAR-X數(shù)據(jù)由于波長(zhǎng)較短,在植被較茂盛的夏季干涉效果很差,性價(jià)比低。因此,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,如不考慮編程SAR數(shù)據(jù),在只用存檔數(shù)據(jù)的前提下,Sentinel是最優(yōu)選擇。

基于Sentinel豐富且連續(xù)的存檔SAR數(shù)據(jù)(2014年10月至2021年2月),使得區(qū)域性的變形斜坡時(shí)序識(shí)別成為可能,此次在研究區(qū)成功解譯的變形斜坡約200處,類(lèi)型有滑坡、危巖體和塌岸3種。

溪洛渡水庫(kù)水位在每個(gè)水文年內(nèi)的6月份至10月末為水位上升階段,于次年6月再降至540 m左右(陳廷照和戴福初,2018),僅針對(duì)大的蓄—排水周期,不考慮水位的小范圍波動(dòng),結(jié)合Sentinel-1存檔數(shù)據(jù)情況,將SAR數(shù)據(jù)分為6個(gè)完整的水位上升(下降)周期,每個(gè)階段的SAR數(shù)據(jù)數(shù)量在圖3和圖4的括號(hào)中標(biāo)示。2020年10月至開(kāi)展此文工作時(shí)未滿足一個(gè)水位下降期。

圖4 水位上升(下降) 周期內(nèi)降軌Sentinel-1數(shù)據(jù)存檔情況(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為存檔SAR數(shù)據(jù)數(shù)量)Fig.4 Archive of the Sentinel-1 data from the descending orbit in periods of rising (falling) water level (The numbers in brackets are the amount of archived SAR data)

由于季節(jié)、植被等因素的影響,相干性無(wú)法保證每一個(gè)像對(duì)D-InSAR結(jié)果都具有可識(shí)別性。在溪洛渡水庫(kù)區(qū),每年6月至11月初的水位上升期,周邊植被發(fā)育較好,數(shù)據(jù)相干性較差。因此,為了最大化利用SAR數(shù)據(jù),并獲取水位上升(下降)周期的變形斜坡分布情況,將同期內(nèi)D-InSAR數(shù)據(jù)做并集,提取水位上升(下降)周期內(nèi)變形斜坡形變最大范圍,以揭示整個(gè)周期內(nèi)災(zāi)害發(fā)育情況。隨著雙星的運(yùn)行,2017年后數(shù)據(jù)量逐漸增多,即2016年“水位下降3”之前的數(shù)據(jù)較少(圖3),會(huì)引入較大的誤差,因此只針對(duì)該期以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 水位上升(下降) 周期內(nèi)升軌Sentinel-1數(shù)據(jù)存檔情況(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為存檔SAR數(shù)據(jù)數(shù)量)Fig.3 Archiving of the Sentinel-1 data from the ascending orbit in periods of rising (falling) water level (The numbers in brackets are the amount of archived SAR data)

由于人工圈定范圍的不確定性,按水位周期解釋時(shí)采用 “點(diǎn)”的方式,分為 “變形”或 “非變形”點(diǎn)。此次研究規(guī)定,邊坡表面發(fā)生變化的面積小于解譯斜坡最大邊界的10%時(shí),這種變化不足以反映邊坡的整體變形,邊坡被視為不變形。由于解釋方法的局限性,不能排除人工解譯中的漏識(shí)。研究區(qū)時(shí)序解譯滑坡點(diǎn)位解譯標(biāo)準(zhǔn)示意圖如圖5所示。圖5a所示InSAR結(jié)果為邊坡的最大變形范圍如圖5a所示的InSAR變形區(qū),紅色線為最大變形邊界線。從圖5b—5h可以看出,后續(xù)邊坡的變形量均沒(méi)有圖5a所示大,變形減小。在圖5f和5h中,紅色形變像元占比為3%和4%,不滿足此次設(shè)定的10%,因此為該滑坡的未變形時(shí)期。

圖5 研究區(qū)變形斜坡不同時(shí)段干涉相位圖及斜坡變形情況Fig.5 Interferometric phase of the deformed slope at different periods in the study area and the deformation status

綜上,根據(jù)利用Sentinel-1數(shù)據(jù)解譯了不同蓄—排水周期內(nèi)變形斜坡的發(fā)育變化情況(圖6),可以得到:①水位下降期變形斜坡數(shù)量較水位上升期更多;②2017~2020年4年間變形斜坡的整體數(shù)量呈遞減趨勢(shì);③2020年10月至2021年2月不完整水位下降期內(nèi)數(shù)據(jù)解譯情況顯示,變形斜坡數(shù)量小幅度回升。

圖6 變形岸坡數(shù)量時(shí)序解譯情況示意圖Fig.6 The annual interpretations of deformed slopes

3.2 空間識(shí)別可行性

由于雷達(dá)成像是根據(jù)微波回波返回時(shí)間長(zhǎng)短記錄的,因此為側(cè)視系統(tǒng),而星載SAR一般為右側(cè)視?，F(xiàn)有SAR衛(wèi)星為近極地軌道,繞地球南北飛行,由于地球自轉(zhuǎn),衛(wèi)星在同一地表位置的上空會(huì)有兩種方式經(jīng)過(guò),即升軌(由南向北飛行)和降軌(由北向南飛行)。由于雷達(dá)為側(cè)視觀測(cè),當(dāng)?shù)孛鎸?duì)著微波方向的坡度過(guò)大時(shí),回波會(huì)反射到同一成像單元,相應(yīng)的SAR圖像會(huì)出現(xiàn)疊掩現(xiàn)象;當(dāng)?shù)孛姹持⒉ǚ较虻钠露冗^(guò)大時(shí),較高地區(qū)會(huì)對(duì)背波的區(qū)域形成遮擋,雷達(dá)接收不到地表反射,SAR圖像會(huì)出現(xiàn)陰影現(xiàn)象(任云,2013;張芳,2018)。陰影疊掩范圍的影響因素主要為衛(wèi)星入射角與地形之間的關(guān)系(張同同等,2019)。

溪洛渡水庫(kù)區(qū)為高山峽谷區(qū),疊掩、陰影現(xiàn)象更為嚴(yán)重。選取3種SAR數(shù)據(jù)升軌、降軌的交集區(qū)域,計(jì)算Sentinel-1升降軌、PALSAR-2升降軌及TerraSAR-X降軌數(shù)據(jù)在該地區(qū)的有效觀測(cè)情況,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。雷達(dá)入射角為:Sentinel-1升軌35.26°,Sentinel-1降軌37.75°,PALSAR-2升軌39.66°,PALSAR-2降軌38.74°,TerraSAR-X降軌26.58°(疊掩最嚴(yán)重)。它們的有效觀測(cè)比例如圖7a—7e左下黑字所示,分別為:70.3%、68.9%、70.4%、67.6%和52.5%。在不考慮分辨率的情況下,僅對(duì)比有效觀測(cè)面積,通過(guò)對(duì)雷達(dá)常用觀測(cè)模式下的SAR數(shù)據(jù)比較可以看出,在庫(kù)區(qū)Sentinel-1數(shù)據(jù)(圖7a、7b)與其他兩種SAR數(shù)據(jù)觀測(cè)能力相比持平(圖7c、7d)或更優(yōu)秀(圖7e)。

圖7 研究區(qū)不同SAR衛(wèi)星在SAR數(shù)據(jù)交集區(qū)域的有效觀測(cè)比例Fig.7 Proportion of effective observations by different SAR satellites in the intersection area of SAR data(a) The effective observation area of the Sentinel-1 ascending image; (b) The effective observation area of the Sentinel-1 descending image; (c) The effective observation area of the PALSAR-2 ascending image; (d) The effective observation area of the PALSAR-2 descending image; (e) The effective observation area of the TerraSAR-X descending image; (f) The hill shade

對(duì)于實(shí)際解譯情況,選取3種降軌數(shù)據(jù),范圍為它們的交集,分別進(jìn)行變形斜坡解譯,解譯情況如圖8所示,Sentinel-1解譯58個(gè)點(diǎn),PALSAR-2解譯48個(gè)點(diǎn),TerraSAR-X解譯37個(gè)點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、分辨率、波長(zhǎng)、入射角等因素影響,解譯的位置不能完全一一對(duì)應(yīng),所識(shí)別的岸坡變形情況也不同,因此,不能片面的認(rèn)為Sentinel-1更準(zhǔn)確。但分辨率較低的Sentinel-1之所以能解譯更多的點(diǎn),主要原因在于其12天重訪高頻觀測(cè)的特點(diǎn),較好的連續(xù)性可提高干涉像對(duì)的相干性。但是,對(duì)于面積較小的變形斜坡,則需要高分辨率的SAR數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充。因此,如需全面獲得庫(kù)區(qū)的岸坡形變位置,需要多種SAR數(shù)據(jù)聯(lián)合解譯。

圖8 三種SAR衛(wèi)星降軌數(shù)據(jù)在同一地區(qū)的變形斜坡解譯情況示意圖Fig.8 Schematic diagram of deformed slope interpretations of three satellite SAR data on descending orbits in the same area

4 單體滑坡識(shí)別適用性評(píng)價(jià)

4.1 范圍

此次處理的Sentinel-1數(shù)據(jù)分辨率為距離向×方位向=10.48 m×13.99 m,在變形范圍識(shí)別上,變形斜坡大小需在地表形變空間尺度超過(guò)一定數(shù)量的分辨率單元。但由于地質(zhì)條件復(fù)雜,變形干擾因素較多,解譯過(guò)程中還需要針對(duì)變形地質(zhì)體特征進(jìn)行人機(jī)交互與現(xiàn)場(chǎng)校核。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果,研究區(qū)3種SAR數(shù)據(jù)解譯的最小變形斜坡投影面積約為1300 m2,其中,Sentinel-1數(shù)據(jù)解譯的最小變形斜坡投影面積約2400 m2,是約35 m(長(zhǎng))×77 m(寬)大小的圈椅狀斜坡單元,共有16個(gè)變形像元聚集。

4.2 形變

水庫(kù)運(yùn)行期間,岸坡破壞表現(xiàn)為緩動(dòng)型和劇動(dòng)型兩類(lèi)(陳洪凱和周曉涵,2016)。在變形斜坡InSAR監(jiān)測(cè)應(yīng)用上,由于技術(shù)本身的特點(diǎn),主要是針對(duì)緩動(dòng)型(李曉恩等,2021)。這里的緩動(dòng)型變形斜坡,指的是滑坡失穩(wěn)前,其加速趨勢(shì)可以被大于2期的SAR數(shù)據(jù)捕捉到 (Dong et al., 2018;Intrieri et al., 2018)。理論上,當(dāng)差分干涉圖中一個(gè)分辨率單元內(nèi)發(fā)生沿雷達(dá)視線向超過(guò)二分之一波長(zhǎng)的形變時(shí),D-InSAR就無(wú)法監(jiān)測(cè)到這種形變(Massonnet and Feigl, 1998)。進(jìn)一步,數(shù)據(jù)處理時(shí)的多視數(shù)和相干性也對(duì)監(jiān)測(cè)效果影響顯著(蔣彌等,2009)。因此,當(dāng)變形量過(guò)大時(shí),應(yīng)選取雷達(dá)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的SAR數(shù)據(jù),或以縮短重訪周期、增加空間分辨率等方式改進(jìn)。根據(jù)搜集的GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))資料,溪洛渡水庫(kù)區(qū)部分滑坡形變最大可達(dá)1 m/月,且不會(huì)潰決入庫(kù),如此大的變形量,使得傳統(tǒng)InSAR技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其實(shí)際變形量,只能監(jiān)測(cè)其相對(duì)變形趨勢(shì)。以上問(wèn)題,也是InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警上一直無(wú)法大面積應(yīng)用的原因。

4.3 典型滑坡分析

在對(duì)整個(gè)庫(kù)區(qū)的變形斜坡識(shí)別基礎(chǔ)上,選取升軌、降軌數(shù)據(jù)均可識(shí)別的翌子村滑坡(滑向西—西南)進(jìn)行單體適用性評(píng)價(jià)分析。全景照片見(jiàn)圖9a,紅色虛線為InSAR識(shí)別的實(shí)際變形區(qū)。

4.3.1 基本情況

翌子村滑坡處于金沙江右岸,該滑坡位于巨型古滑坡堆積體前緣,為一個(gè)次級(jí)堆積層滑坡,水庫(kù)蓄水前已有變形 (Li et al., 2019a)。坡面形態(tài)較復(fù)雜,陡坎發(fā)育,總體上坡體后緣稍陡,中部相對(duì)平緩。位于該區(qū)段的道路開(kāi)裂、房屋變形(圖9b)?；麦w中已形成連貫的滑動(dòng)面,因此該滑坡常年變形。

圖9 庫(kù)區(qū)翌子村滑坡現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.9 Field photos of the Yizicun landslide(a) Panoramic view of the landslide (towards NW); (b) Photo of a abandoned house

4.3.2 多源SAR數(shù)據(jù)D-InSAR結(jié)果

用Sentinel-1升軌、降軌及PALSAR-2升軌、降軌相似時(shí)間段的D-InSAR處理結(jié)果,和2017年相似時(shí)間段 TerraSAR-X降軌 D-InSAR結(jié)果(TerraSAR-X升軌在同期未編程購(gòu)買(mǎi)數(shù)據(jù))進(jìn)行對(duì)比分析。為使圖像獲得最佳細(xì)節(jié)展示,采用0~π周期進(jìn)行出圖,圖例已根據(jù)不同數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)際變形大小的轉(zhuǎn)換,見(jiàn)圖10。Sentinel-1數(shù)據(jù)升降軌D-InSAR結(jié)果見(jiàn)圖10a、10b,PALSAR-2數(shù)據(jù)升降軌D-InSAR結(jié)果見(jiàn)圖10c、10d,TerraSAR-X數(shù)據(jù)降軌D-InSAR結(jié)果見(jiàn)圖10e。光學(xué)遙感影像顯示的滑坡邊界,與InSAR識(shí)別的實(shí)際變形區(qū)有較大差別(圖10f)。在相似時(shí)間段,分辨率高的SAR數(shù)據(jù)(PALSAR-2約4 m,TerraSAR-X約6 m;表1)D-InSAR結(jié)果顯示出了形變的詳細(xì)細(xì)節(jié),如圖10c、10e識(shí)別出了翌子村滑體中部的三段滑坡臺(tái)階 (Li et al., 2019a),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,與InSAR識(shí)別情況相符。

4.3.3 多源SAR數(shù)據(jù)PS-InSAR結(jié)果

由于翌子村滑坡沒(méi)有GNSS數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)比Sentinel-1降軌、PALSAR-2降軌的PS-InSAR時(shí)序曲線,來(lái)分析Sentinel在該滑坡的監(jiān)測(cè)適用性。方法是通過(guò)相同位置一定區(qū)域內(nèi)(15 m直徑)變形點(diǎn)差值,分析得到兩種衛(wèi)星識(shí)別的變形規(guī)律是否一致。由于變形較大的前部位置Sentinel-1時(shí)序結(jié)果數(shù)據(jù)缺失,因此選取對(duì)比區(qū)域位置在后緣(位置見(jiàn)圖10f)。變形曲線見(jiàn)圖11,圖中十字點(diǎn)為PALSAR-2數(shù)據(jù)的PS-InSAR時(shí)序曲線,實(shí)心圓點(diǎn)為Sentinel-1時(shí)序曲線,他們的趨勢(shì)線由2周期移動(dòng)平均方法合成。PALSAR-2趨勢(shì)線上標(biāo)注的A、B、C三個(gè)線段,數(shù)據(jù)連續(xù)性較差(即無(wú)SAR數(shù)據(jù))。

圖10 庫(kù)區(qū)翌子村滑坡多源SAR數(shù)據(jù)D-InSAR結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of D-InSAR results based on the multi-source SAR data of the Yizicun landslide in the reservoir(a) The interference figure of the Sentinel-1 ascending image; (b) The interference figure of the Sentinel-1 descending image; (c) The interference figure of the PALSAR-2 ascending image; (d) The interference figure of the PALSAR-2 descending image; (e) The interference figure of the TerraSAR-X descending image; (f) The optical image and the deformation boundary

(1)監(jiān)測(cè)面積。翌子村滑坡地面農(nóng)耕植被較多,Sentinel-1時(shí)序監(jiān)測(cè)結(jié)果在坡體大變形部位(中部、前部)結(jié)果丟失。PALSAR-2由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng),更適合植被密集區(qū)的大面積的時(shí)序變形的監(jiān)測(cè),在翌子村滑坡大范圍監(jiān)測(cè)上的適用性更高。

(2)趨勢(shì)識(shí)別。如圖 11所示,由于PALSAR-2在A、B、C三個(gè)區(qū)域,數(shù)據(jù)連續(xù)性較差(無(wú)數(shù)據(jù)),因此該時(shí)間段內(nèi)的變形趨勢(shì)無(wú)法有效識(shí)別。與此同時(shí),由于長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)缺失,會(huì)造成最近一對(duì)SAR數(shù)據(jù)間的變形超過(guò)其InSAR最大量程,解纏時(shí)丟失相位周期。因此,從圖11兩種SAR數(shù)據(jù)的變形趨勢(shì)上,每當(dāng)PALSAR-2長(zhǎng)時(shí)間缺失數(shù)據(jù)時(shí),后期兩種變形結(jié)果的差值就越大。而Sentinel-1由于連續(xù)性較好,變形趨勢(shì)較為連續(xù)。因此Sentinel-1更適合連續(xù)小變形的趨勢(shì)識(shí)別。

圖11 庫(kù)區(qū)翌子村滑坡多源SAR數(shù)據(jù)PS-InSAR時(shí)序變形曲線結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of PS-InSAR time-series deformation results based on the multi-source SAR data of the Yizicun landslide in the reservoir

(3)形變測(cè)量。該時(shí)序分析的點(diǎn)位區(qū)域靠近滑坡后緣,水位對(duì)其的影響減弱,降雨對(duì)其的影響增強(qiáng)。對(duì)于變形較大的區(qū)域,Sentinel-1數(shù)據(jù)也會(huì)有相位丟失的現(xiàn)象,造成實(shí)際的監(jiān)測(cè)值較小。同時(shí),SAR數(shù)據(jù)的分辨率會(huì)影響實(shí)際形變的測(cè)量,多視處理后的一個(gè)像元內(nèi)的形變會(huì)被平均,一些高值點(diǎn)會(huì)被弱化。像素偏移追蹤測(cè)量的方法(Pixel Offset Tracking,POT)對(duì)于分米至米級(jí)的大變形的監(jiān)測(cè)較為合適 (Strozzi et al., 2002; Singleton et al., 2014),但監(jiān)測(cè)精度會(huì)有所降低(Shi et al., 2015; Li et al., 2019b; Jia et al., 2020)。

5 結(jié)論

造成InSAR測(cè)量結(jié)果與實(shí)際變形之間的差異的主要原因,主要有InSAR技術(shù)的視線向測(cè)量特點(diǎn)、波長(zhǎng)對(duì)可測(cè)最大變形量的限制、分辨率控制的像元區(qū)域內(nèi)形變被平均、夏季植被造成的失相干、SAR數(shù)據(jù)時(shí)序不連續(xù)造成的失相干等。文章以金沙江上游溪洛渡水庫(kù)區(qū)為研究區(qū),以上述影響因素為切入點(diǎn),基于Sentinel-1、PALSAR-2、TerraSAR-X數(shù)據(jù),采用D-InSAR、PS-InSAR方法,分析評(píng)價(jià)Sentinel-1數(shù)據(jù)在西南山區(qū)水庫(kù)變形斜坡InSAR監(jiān)測(cè)中的適用性,結(jié)論如下。

(1)Sentinel-1數(shù)據(jù)在研究區(qū)可解譯的變形斜坡約200處,類(lèi)型有滑坡、危巖體和塌岸;經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查,Sentinel-1數(shù)據(jù)解譯的最小變形斜坡體投影面積約為2400 m2,為一個(gè)約35 m(長(zhǎng)) ×77 m(寬)大小,16個(gè)變形像元聚集的斜坡單元。

(2)高山峽谷區(qū)疊掩、陰影現(xiàn)象嚴(yán)重,通過(guò)對(duì)常用雷達(dá)觀測(cè)模式下的SAR數(shù)據(jù)的比較,在SAR數(shù)據(jù)交集區(qū)域,有效觀測(cè)面積為Sentinel-1升軌70.3%,Sentinel-1降軌68.9%,PALSAR-2升軌70.4%,PALSAR-2降軌67.6%,TerraSAR-X降軌52.5%,在不考慮分辨率的情況下,在溪洛渡水庫(kù)區(qū)Sentinel-1數(shù)據(jù)與其他2種SAR數(shù)據(jù)相比觀測(cè)能力持平或更優(yōu)秀。

(3)溪洛渡水庫(kù)區(qū)在6月至11月初的水位上升期,周邊植被發(fā)育較好,數(shù)據(jù)相干性也較差,2017年后Sentinel-1A(1B)雙星拍攝獲取SAR數(shù)據(jù)量增加,高頻觀測(cè)使相干性提高,利用2017年后該衛(wèi)星數(shù)據(jù)可有效識(shí)別水庫(kù)蓄—排水周期內(nèi)的區(qū)域性變形斜坡發(fā)育變化情況。

(4)當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間缺失SAR數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)造成最近一對(duì)SAR數(shù)據(jù)間的變形超過(guò)其InSAR最大量程,解纏時(shí)丟失相位周期,Sentinel-1由于連續(xù)性較好,變形趨勢(shì)較為連續(xù),因此Sentinel-1更適合連續(xù)小變形的趨勢(shì)識(shí)別。

致謝:感謝評(píng)審專家在文章內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及結(jié)論組織上提出的寶貴意見(jiàn)。感謝編輯的審閱,使本文在語(yǔ)言表述方面有了較大的改進(jìn)。