基于“天?空?地”一體化的東川區(qū)沙壩村滑坡體時序監(jiān)測與分析

張曉倫，甘 淑，袁希平，宗慧琳，梁昌獻，趙振峰

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明冶金高等專科學校 測繪學院，云南 昆明 650033；3.滇西應用技術大學，云南 大理 671000)

昆明市東川區(qū)位于云貴高原北部邊緣，川滇經(jīng)向構造帶與華夏東北構造帶結合過渡帶，屬于小江深大斷裂帶[1].東川境內(nèi)高山峽谷眾多，滑坡、泥石流、崩塌等地質災害頻發(fā)，是世界上地質災害分布最密集的地區(qū)之一，特殊的地質條件和地理環(huán)境給當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全帶來嚴重威脅，也是中國地質災害觀測與防治工作的重點區(qū)域[2].因此，有效地監(jiān)測地表形變對于評估潛在的地質災害，分析成因機理與災害防治具有至關重要作用.

傳統(tǒng)的地質災害監(jiān)測方法是布設監(jiān)測點、構建觀測路線，然后采用水準儀、全站儀和全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）等手段定期或不定期觀測監(jiān)測點的下沉和水平位移[3-4].這些方法雖然測量精度較高，但監(jiān)測范圍小、工作量大、成本高、效率低，而且觀測點容易被破壞、不能連續(xù)監(jiān)測，從而削弱了形變監(jiān)測的整體可靠性，也因此降低了對潛在地質災害的預估可靠性[5].合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）技術具有全天候、全天時、宏觀大范圍、高分辨對地觀測能力，能夠對地表微小形變進行高精度探測[6-7].Zhao 等[8]在2012年采用InSAR 技術對美國加利福尼亞州北部大范圍區(qū)域進行滑坡探測與監(jiān)測分析；Costantini 等[9]在2017 年對整個意大利進行地表形變監(jiān)測與滑坡識別；近些年來InSAR 技術在滑坡等地質災害監(jiān)測中的巨大應用價值已經(jīng)逐步得到認可，并在中國白龍江流域上游、雅礱江中段、三峽庫區(qū)、大渡河上游等地區(qū)滑坡災害調(diào)查中得到成功應用[10-12].許強等[13]提出“天?空?地”一體化地質災害識別與監(jiān)測體系，能夠從整體到局部、從過去到現(xiàn)在分析“地質災害隱患點在哪里？”與“發(fā)生的原因是什么？”.中國西南地區(qū)的地質災害隱患點往往位于山體高位，有些地區(qū)可能被植被覆蓋，傳統(tǒng)人工調(diào)查很難發(fā)現(xiàn)這些隱患點.基于“天?空?地”一體化的多源立體災害監(jiān)測體系，可以很好地克服傳統(tǒng)方法的局限性.因此，采用“天?空?地”一體化方法可以對地質災害頻發(fā)地區(qū)進行長時間序列多尺度探測與變化特征分析，為區(qū)域地質災害防治提供科學依據(jù).

本研究選擇東川區(qū)沙壩村滑坡體作為研究對象，首先采用“天（小基線集合成孔徑雷達干涉測量）?空（無人機航空攝影測量）?地（地面調(diào)查）”一體化方法，利用歷史微波遙感影像進行時序性InSAR處理，得到大范圍區(qū)域時序性形變信息；其次對地質災害高風險地區(qū)或形變異常區(qū)域進行無人機航空攝影測量構建區(qū)域實景三維，獲取地質災害隱患重點區(qū)域地表破壞痕跡與巖體結構形態(tài)；再次進行實地地質災害調(diào)查核查，從空間上了解災后區(qū)域地表形態(tài)，從時間上追溯區(qū)域地表形變規(guī)律，為災害調(diào)查與評估提供可靠數(shù)據(jù)支撐，也為此類地質災害運動規(guī)律的研究和災害危險性評估提供了參考價值.本文對東川區(qū)沙壩村滑坡體開展“天?空?地”一體化地質災害監(jiān)測，利用新方法在高山峽谷地質災害頻發(fā)地區(qū)的探索應用，可為西南高原山區(qū)地質災害早期識別與監(jiān)測防治積累寶貴經(jīng)驗.

1 研究區(qū)域與實驗數(shù)據(jù)

本研究選擇云南省昆明市東川區(qū)湯丹鎮(zhèn)沙壩村作為研究區(qū)域（見圖1），沙壩村位于黃水箐（河流）邊緣，屬小江流域.區(qū)域內(nèi)山高坡陡，地勢高差近千米，平均海拔1 750 m，年平均氣溫13 ℃，年降水量880 mm.晝夜溫差大，夏季炎熱、冬季存在積雪與霜凍，促使巖體裂縫發(fā)育；雨季（5—10 月）存在強降雨，雨水滲入巖石，同時沿坡體攜帶散落碎石從上向下沖刷，滑坡體上部自重增加、中部支撐物減少，導致滑坡體的支撐力失衡，易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質災害.

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 Location of study area

滑坡體整體呈喇叭口狀（見圖2），上窄下寬，上陡下緩，長度約1 200 m，下部寬度約500 m，后緣高程約2 420 m，前緣高程約1 680 m，屬于巨型古滑坡堆積體.堆積體上部覆蓋有稀疏低矮植被，裸露基巖風化嚴重，存在多處基巖崩塌點，表面有大量碎石；中部植被覆蓋稀少，巖石碎屑隨時滑落；滑坡體下部為沙壩村居民區(qū)和同心小學，前緣為黃水箐.

圖2 沙壩村滑坡體全貌圖Fig.2 Full view of landslide in Shaba Village

研究采用歐洲航空局（European Space Agency,ESA）發(fā)射的Sentinel-1A 微波遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星的合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar,SAR）影像具有很好的干涉性能，重訪周期為12 d，時間分辨率高，有利于時間序列形變信息提取.收集覆蓋研究區(qū)域的34 景C 波段漸進式地形觀測（Terrain Observation with Progressive,TOPS）模式降軌SAR 影像，時間覆蓋范圍為2018-03-22 至2020-12-12，具體參數(shù)如表1 所示.研究中采用分辨率為30 m的美國奮進號航天飛機的雷達地形測繪（Shuttle Radar Topography Mission,SRTM）和數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）數(shù)據(jù)用于消除地形相位，以及后續(xù)輔助SAR 影像進行地理編碼.光學遙感影像數(shù)據(jù)采用2020 年8 月獲取的0.5 m 分辨率高景一號影像數(shù)據(jù)，用于展示沙壩村滑坡體全貌信息.

表1 Sentinel-1A 影像數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.1 Sentinel-1A remote sensing image data parameters

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 基于微波遙感的時序InSAR 形變監(jiān)測微波遙感具有全天候、全天時對地高分辨率探測能力，綜合成本低，適宜于大范圍地質災害普查與長期連續(xù)性觀測.時序InSAR 技術是在經(jīng)典D-InSAR 技術基礎上發(fā)展起來的.D-InSAR 技術是利用衛(wèi)星上的合成孔徑雷達（SAR）對同一地區(qū)進行2 次觀測，通過差分干涉處理獲取地表的形變信息[14].DInSAR 技術在數(shù)據(jù)處理過程中，只利用一個干涉對影像處理結果的可靠性不能保證；同時干涉數(shù)據(jù)容易受到時間與空間上的失相干影響，引起形變信息不準確[15].為了提高形變監(jiān)測結果的精度與可靠性，可以利用多次重復軌道在穩(wěn)定散射體目標上形成冗余觀測，實現(xiàn)形變相位與其它相位成分的相互分離，基于此產(chǎn)生了時序InSAR 方法[16-19].

小基線集合成孔徑雷達干涉測量（Small Baseline Subsets InSAR，SBAS-InSAR）技術按照短時空基線的原則，在原始影像數(shù)據(jù)量比較少的情況下，仍可以組合得到較多對多主影像差分干涉對，提高時空相干性.SBAS-InSAR 技術首先按照短時空基線原則組合生成多主影像的序列干涉圖，接著對差分干涉相位進行空間濾波（多視處理），再根據(jù)平均空間相干性識別慢失相關濾波相位像素點（Slowly Decor relating Filtered phase Pixel，SDFP），即相干性比較高的地面目標點，在識別出的SDFP 點上建立觀測方程，進行三維相位解纏與奇異值分解，求解單主影像相位序列，最后利用時空濾波估計和去除大氣延遲相位，得到地形高程誤差與時間序列形變信息[11].SBAS-InSAR 技術得到的SDFP 點在自然環(huán)境中普遍存在（例如沙地、裸土、巖石、草地等），該方法更適應于山區(qū)環(huán)境，在本研究中采用SBASInSAR 技術獲取了研究區(qū)域時序性形變與年平均形變速率信息.

實驗數(shù)據(jù)處理主要過程為：①利用精密軌道星歷數(shù)據(jù)對每景SAR 影像進行軌道精化，生成單視復數(shù)數(shù)據(jù)（Single Look Complex，SLC）；②裁剪處理得到研究區(qū)域SLC 影像數(shù)據(jù)；③連接圖生成與干涉像對組合，以最大空間基線閾值2%、最大時間基線180 d 為條件，自動選取20181012 的SAR 影像為超級主影像，組合生成149 個干涉像對，時空基線連接圖如圖3 所示；④干涉工作流，對干涉像對進行干涉處理，相干性生產(chǎn)，去平、濾波和相位解纏；⑤軌道精煉與重去平，估算并去除殘余相位；⑥SBAS-InSAR 第1 次反演，初步估算形變速率和殘余地形相位；⑦SBAS-InSAR 第2 次反演，在第1 次反演的基礎上進行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，得到更加精確的時間序列上位移結果；⑧對反演的結果做地理編碼，將地表形變結果投影到地理坐標系中，得到研究區(qū)域雷達視線方向（Line of Sight，LOS）上的累積形變結果和年平均形變速率.

圖3 時空基線圖Fig.3 Space-time baseline diagram

2.2 基于無人機航空攝影測量的實景三維建模無人機航空攝影測量具有機動靈活、影像分辨率高、時效性強、成圖精度高等特點，已經(jīng)成為地質災害調(diào)查、監(jiān)測與評估的重要技術手段.利用無人機針對地質災害高風險地區(qū)或形變異常區(qū)域進行傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)處理得到研究區(qū)域精細化三維立體模型、數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）、數(shù)字 表面模型（Digital Surface Model，DSM），為地質災害調(diào)查提供高精度現(xiàn)勢性成果.同時，研究區(qū)精細化三維模型可以清楚地查看地貌與巖體結構形態(tài)、地表破壞痕跡（裂縫、風化、滑坡壁等），可以進行位移與體積量算，對地質災害隱患進行準確詳查與評估.

本研究利用深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的大疆經(jīng)緯M300 四旋翼無人機，搭載5 鏡頭傾斜攝影測量PSDK102S 相機對研究區(qū)進行無人機航空攝影獲取測區(qū)影像，航空攝影時考慮到區(qū)域地勢高差大，分2 個架次安全飛行.第1 架次從沙壩村起飛主要獲取研究區(qū)域下部影像，第2 架次從山體中部平坦區(qū)域起飛獲取上部影像，相對航高均設置為300 m；然后利用實景三維建模軟件進行自動化建模，構建研究區(qū)實景三維立體模型；接著生成研究區(qū)數(shù)字正射影像圖（DOM）與精細化實景三維數(shù)字表面模型（DSM）（圖4）.

圖4 沙壩村滑坡體實景三維模型Fig.4 Real three-dimensional model of Shaba Village landslide

2.3 基于地面實地調(diào)查的地質災害核查利用“天-空”遙感手段僅從外貌形態(tài)進行地質災害隱患的識別，因受到多種因素影響，其識別結果并不一定完全準確，獲取到的信息不一定全面.因此，利用遙感手段識別出的地質災害隱患點還需要地質調(diào)查人員到達現(xiàn)場進行逐一核查，核查內(nèi)容主要包括地質災害體的發(fā)育過程與穩(wěn)定性認識，調(diào)查過程中主要收集該區(qū)域地質構造、地層巖性、地形地貌、水文特征、氣象等相關資料，有時還需要借助現(xiàn)場觀測和探測手段，確定地質災害體的基本特征、穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢，及時提出合理的防治建議，為地質災害危險程度分區(qū)、論證地質災害發(fā)生的危險性提供依據(jù).

實地調(diào)查（圖5）發(fā)現(xiàn)沙壩村滑坡體所處山體高差近千米，坡度大于45°，表面有大量碎石，結構松散，透水性強；滑坡體上部有明顯山體崩塌痕跡，中部存在一個巨大的古崩塌塊體，下部為沙壩村居民區(qū)和同心小學，發(fā)現(xiàn)散落一些崩塌滾石，較大的滾石直徑大于1 m，存在一些房屋、架空管道、道路被滾石擊破，目前暫未發(fā)現(xiàn)人員傷亡.

圖5 沙壩村實地調(diào)查圖片F(xiàn)ig.5 Field investigation pictures of Shaba Village

3 結果與分析

3.1 滑坡體地表形變分析經(jīng)過SBAS-InSAR 技術處理獲得沙壩村滑坡體雷達視線方向（LOS）的年平均形變速率信息（見圖6），正值代表地面抬升，負值代表地面沉降.對沙壩村滑坡體進行“天-空-地”一體化的時序監(jiān)測分析，研究區(qū)域從2018年3 月至2020 年12 月年平均形變速率介于?4～26 mm/a，最大沉降年平均形變速率區(qū)域位于滑坡體上部、崩塌點上方西南方向；最大抬升年平均形變速率位于最大沉降年平均形變速率區(qū)域下方、崩塌點西偏北方向，抬升年平均形變速率約是區(qū)域年平均形變速率的2 倍，兩個區(qū)域均處于滑坡體上部，說明滑坡體上部不穩(wěn)定；滑坡體中部與下部存在一些斑塊處于抬升狀態(tài).通過對滑坡體SBASInSAR 時序形變結果分析，結合無人機航空攝影測量構建的滑坡體實景三維立體模型與人工實地調(diào)查，確定現(xiàn)存崩塌點仍存在再次崩塌隱患，崩塌點西偏北最大抬升年平均形變速率區(qū)域、滑坡體中部古崩塌巨大滾石為新發(fā)現(xiàn)隱患點，滑坡體下部村莊地形不斷抬升對居民房屋造成安全隱患.接下來對隱患點與安全隱患區(qū)域進行詳細時間序列形變分析.

圖6 沙壩村滑坡體年平均形變速率Fig.6 Annual average deformation rate of Shaba Village landslide

3.2 崩塌點時序形變分析崩塌點及周邊累積形變時間序列如圖7 中A1、A、A2 所示.其中A1 位于崩塌點上部、A 位于崩塌點、A2 位于崩塌點下部.崩塌點上部與崩塌點自監(jiān)測時間開始（2018 年3 月）不斷抬升，而且上部抬升量明顯大于崩塌點，將巖體重力加壓于崩塌體，下部自2019 年12 月以后小范圍抬升，說明上部崩塌體與巖體已經(jīng)出現(xiàn)小面積土石剝落.崩塌點上部與崩塌點區(qū)域年平均形變速率為11.5 mm/a，形變速率較高，累積形變量持續(xù)增加.通過實景三維模型與實地觀測發(fā)現(xiàn)崩塌點上方巖體懸空、下方存在明顯巖石脫落劃痕，有近5 m 落差.綜合分析，現(xiàn)存崩塌點可能會出現(xiàn)再次崩塌，安全隱患依然比較高.

3.3 古崩塌巨大滾石區(qū)域時序形變古崩塌巨大滾石（古崩塌體）及周邊累積形變時間序列如圖7中B1、B、B2 所示.其中B1 位于古崩塌體上部、B位于古崩塌體、B2 位于古崩塌體下部.根據(jù)實地調(diào)查，古崩塌體是20 世紀滑坡體上部巖體崩塌滑落停留的巨大落石，現(xiàn)仍停留于山坡中部，距下部村莊近250 m 高差.經(jīng)過實景三維模型立體模型量測，古崩塌體長36.7 m，寬31.4 m，高10.5 m，體積約12 100 m3，重量估算達30 000 t.通過對古崩塌體時序形變分析發(fā)現(xiàn)，古崩塌體上部年平均形變速率為11.98 mm/a，古崩塌體下部年平均形變速率為9.89 mm/a，古崩塌體年平均形變速率為7.22 mm/a，古崩塌體及其周邊累積形變量在不斷增加，處于抬升狀態(tài)，但形變速率不一致、上部抬升速率大于下部，古崩塌體所處區(qū)域不穩(wěn)定，存在下滑風險.

3.4 滑坡體下部沙壩村時序形變滑坡體下部沙壩村與同心小學累積形變時間序列如圖7 中C1、C2 所示.其中C1 位于同心小學、C2 位于沙壩村中央.同心小學位于沙壩村上部，學校房屋為混凝土結構，同心小學區(qū)域累積形變量在持續(xù)增加，處于抬升狀態(tài)，年平均形變速率為10.32 mm/a；沙壩村中央也處于不斷抬升狀態(tài)，年平均形變速率為14.83 mm/a.滑坡體下部沙壩村居民區(qū)累積形變量不斷增加，將影響房屋地基穩(wěn)定性，然而沙壩村居民房屋以磚房棚房為主，居民區(qū)房屋存在一定程度的安全隱患.

圖7 沙壩村滑坡體地質災害隱患區(qū)域形變信息Fig.7 Deformation information of the geological disaster hidden danger area in Shaba Village landslide

4 結論

本研究采用“天-空-地”一體化方法對東川區(qū)沙壩村滑坡體進行地質災害隱患監(jiān)測，取得很好的應用效果，成功識別出區(qū)域內(nèi)地質災害隱患點，并對其形變規(guī)律進行歷史追溯與分析，為西南地區(qū)地質災害防治提供科學依據(jù).結論如下：

（1）沙壩村滑坡體在近三年間整體處于活躍狀態(tài)，沿雷達視線方向（LOS）方向年平均形變速率在-4～26 mm/a 之間.滑坡體上部山體陡峭，存在明顯下沉區(qū)域，有多處地區(qū)為已發(fā)崩塌點或存在潛在崩塌風險；滑坡體中部與下部整體在不斷抬升，表明滑坡體整體處于不穩(wěn)定狀態(tài).

（2）山坡中部的古崩塌體及其周邊均處于抬升狀態(tài)，但年平均形變速率不一致、上部抬升速率（11.98 mm/a）大于下部抬升速率（9.89 mm/a），說明古崩塌體所處區(qū)域不穩(wěn)定，存在下滑風險.

（3）通過應用實踐，利用SBAS-InSAR 方法對大范圍長時間序列山區(qū)地質災害早期識別可行且有效，能夠為地質災害調(diào)查人員提供區(qū)域宏觀變形情況，提高傳統(tǒng)地質災害調(diào)查效率，同時可以追溯變形區(qū)域歷史活動規(guī)律，為災害評估提供重要數(shù)據(jù)支撐.

5 討論與展望

引起沙壩村區(qū)域地質災害頻發(fā)的原因可能是多方面原因，區(qū)域處于活動斷裂帶，地質活動頻繁，地質構造不穩(wěn)定；四季與晝夜溫差大，促進巖體風化，巖石表層不穩(wěn)固；受地形影響強降雨對山體進行沖刷，支撐物減少，承載力失衡，易引起滑坡或崩塌；周邊不遠處有礦冶公司，爆破開采礦石，影響周邊山體穩(wěn)定性，具體影響原因與程度仍需后續(xù)深入分析.

未來研究中，可利用時序InSAR 方法對沙壩村周邊大范圍區(qū)域穩(wěn)定性進行探測，結合區(qū)域地質調(diào)查、溫度、降水、人為因素等資料分析災害分布規(guī)律、控制因素與發(fā)育特征等方面進行更深入的研究；針對沙壩村滑坡體可進行更長時間序列連續(xù)監(jiān)測，在地質災害隱患區(qū)域安裝GNSS 實時觀測設備與監(jiān)測預警系統(tǒng)，詳細分析形變規(guī)律，為西南高原山區(qū)地質災害有效防治提供可靠依據(jù).