基于SBAS-InSAR技術(shù)的小金川兩岸滑坡隱患識(shí)別

胡東雨 王運(yùn)生 吳昊宸 趙方彬 寇瑞斌 馮 卓

1 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都市二仙橋東三路1號(hào)，640059

2 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都市二仙橋東三路1號(hào)，640059

早期識(shí)別是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一，特別是在我國(guó)西部地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，深切峽谷地帶中大型突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害日益頻發(fā)，地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)多、面積廣，每年發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害一半以上是新點(diǎn)，靠周期性人工排查難以全面把控。這些地質(zhì)災(zāi)害表現(xiàn)出危害大、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，其極易突發(fā)的性質(zhì)嚴(yán)重影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民安居樂業(yè)，給西部地區(qū)的開發(fā)建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)充分利用SAR的相位信息，解決了SAR圖像的三維成像問(wèn)題，而且監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔從幾天到幾年不等，可獲得可靠的高精度地表變化信息[1]。這使得合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為監(jiān)測(cè)地表變化的新手段，尤其是短基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(SBAS-InSAR)運(yùn)用于潛在滑坡的識(shí)別中，是改善滑坡監(jiān)測(cè)與識(shí)別精度的可靠途徑[2]。早在1995年，Achache等[3]就利用SAR影像識(shí)別法國(guó)南部阿爾卑斯地區(qū)的滑坡位移；2007年Lauknes等[4]基于多景雷達(dá)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)挪威北部的不穩(wěn)定山體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)；Altamira[5]運(yùn)用InSAR技術(shù)對(duì)多景Sentinel-1雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行形變分析得出，茂縣新磨村滑坡的變形發(fā)生在滑動(dòng)前數(shù)個(gè)月內(nèi)；譚衢霖和范青松等[6-7]運(yùn)用InSAR技術(shù)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)，論證了其可行性及優(yōu)勢(shì)；馮文凱等[8]利用SBAS-InSAR技術(shù)分析金沙江流域沃達(dá)村巨型古滑坡形變，對(duì)古滑坡可能的復(fù)活機(jī)制進(jìn)行評(píng)價(jià)；陸會(huì)燕等[9]通過(guò)InSAR和光學(xué)遙感的較長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，識(shí)別出金沙江下游的7處明顯形變斜坡；張佳佳等[10]基于SBAS-InSAR技術(shù)識(shí)別了川藏鐵路瀾滄江段113處滑坡隱患，并分析其對(duì)鐵路沿線的影響。這些成功案例都驗(yàn)證了SBAS-InSAR技術(shù)在識(shí)別隱藏地質(zhì)災(zāi)害方面有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

為全面識(shí)別大渡河支流小金川半扇門-達(dá)維河段干流的滑坡隱患，普查當(dāng)?shù)貪撛诘牡刭|(zhì)災(zāi)害，本文基于SBAS-InSAR形變分析技術(shù)，通過(guò)Sentinel-1升、降軌數(shù)據(jù)分析結(jié)果結(jié)合互補(bǔ)的方式，開展對(duì)研究區(qū)滑坡隱患的識(shí)別工作和滑坡隱患地表形變定量探測(cè)和分析評(píng)價(jià)，為小金川河道兩岸堆積體的研究提供不同角度的分析，可為河流流域潛在地質(zhì)災(zāi)害的早期識(shí)別和防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小金川是長(zhǎng)江支流岷江支流大渡河上游左岸支流，位于四川省阿壩藏族自治州和甘孜藏族自治州交界處，全長(zhǎng)151 km，自然落差2 340 m，流域面積5 323 km2，河口處多年平均流量103 m3/s，多年平均年徑流量29×108m3[11]。本文研究區(qū)以小金川半扇門-達(dá)維河段干流兩岸岸坡為主，處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和松潘-甘孜地槽褶皺系兩個(gè)大地構(gòu)造單元的交界帶，構(gòu)造形態(tài)排列緊密且弧形朝南的線狀褶皺構(gòu)成近東西或北西向展布的構(gòu)造帶[11]。主要出露中生代三疊系地層，其中分布最廣的為三疊統(tǒng)侏倭組(T3z)，中三疊統(tǒng)雜谷腦組(T2z)及下統(tǒng)菠茨溝組(T1b)次之，巖性以變質(zhì)砂巖、板巖和結(jié)晶灰?guī)r為主。研究區(qū)河流兩岸海拔1 800～4 500 m，發(fā)育中-高山地貌，北東高、南西低，河谷深切，為典型河流侵蝕峽谷地貌，容易形成滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)為大陸性高原季風(fēng)氣候，植被以針葉林等高山植被為主。

2 SAR數(shù)據(jù)獲取及處理方法

為全面覆蓋小金川主河道兩岸區(qū)域，采用升軌和降軌數(shù)據(jù)同步處理方式，減少陰影疊掩區(qū)干擾，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的全面覆蓋(圖1)。本文使用的單視復(fù)數(shù)SAR數(shù)據(jù)來(lái)自歐空局2014-04 -03發(fā)射的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Sentinel-1 IW SLC(干涉寬幅模式的斜距單視復(fù)數(shù)產(chǎn)品)2020-08～2021-07的升、降軌數(shù)據(jù)(表1)。使用ENVI 軟件平臺(tái)的SARscape模塊，基于SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)Sentinel-1 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用NASA SRTM1 DEM數(shù)據(jù)來(lái)消除地形相位的影響。

表1 Sentinel-1基本參數(shù)

SBAS-InSAR技術(shù)最早由Berardino等[12]在2002年提出，主要用于提取較短時(shí)-空基線低分辨率、大規(guī)模、形變速率緩慢的地表形變信息。該技術(shù)將獲取的SAR數(shù)據(jù)按子集內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行自由組合，組成若干短基線集合，生成干涉像對(duì)連接圖，并利用空間基線閾值法選取短基線干涉對(duì)，從而減少空間失相關(guān)的不利影響[13]。在反演時(shí)，運(yùn)用奇異值分解方法將以上處理結(jié)果求解，可有效解決不同的空間基線長(zhǎng)導(dǎo)致的時(shí)間不連續(xù)問(wèn)題，提高監(jiān)測(cè)的時(shí)間采樣率、空間分辨率等[14]。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，依據(jù)研究區(qū)范圍進(jìn)行裁剪。由于集合間SAR影像數(shù)據(jù)的基線較大，而集合內(nèi)基線較小，設(shè)置時(shí)間基線為120 d，臨界基線百分比為2 %，生成若干小基線集，產(chǎn)生相對(duì)于主影像的時(shí)間-空間基線圖。對(duì)合成的干涉圖作第一次反演和第二次反演、地理編碼以及柵格轉(zhuǎn)換后，生成底邊沿雷達(dá)視向的平均形變速率，最終得到研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列上的形變結(jié)果。

3 SBAS-InSAR結(jié)果分析

采用SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理方法，由小金川主河道兩岸岸坡30景Sentinel-1降軌數(shù)據(jù)結(jié)果獲取的研究區(qū)雷達(dá)視線向(LOS)形變速率為-120～10 mm/a(圖2(a))，25景Sentinel-1升軌數(shù)據(jù)獲取的研究區(qū)雷達(dá)視線向(LOS)形變速率為-131～10 mm/a(圖2(b))，降軌的干涉點(diǎn)密度明顯大于升軌數(shù)據(jù)，顯示的兩岸形變隱患點(diǎn)細(xì)節(jié)更豐富，所以以升軌數(shù)據(jù)作為輔助補(bǔ)充。其中，紅色至黃色為負(fù)值，代表地物沿著LOS方向遠(yuǎn)離衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)；綠色為正值，代表地物沿著LOS方向靠近衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。

滑坡隱患是指近期內(nèi)具有明顯變形跡象并在近期內(nèi)可能成災(zāi)的斜坡[15]。在Sentinel-1處理結(jié)果中，大部分區(qū)域的形變速率不大，趨于穩(wěn)定；形變速率大的區(qū)域主要集中在兩岸斜坡處，因?yàn)閮砂栋镀绿幹脖惠^少，坡面裸露，處理效果明顯好于植被覆蓋區(qū)。在光學(xué)影像中也有明顯的滑坡特征(圖3)，呈現(xiàn)圈椅狀，坡度較陡，前緣存在流水沖刷形成的沖溝，同時(shí)多處形變變形區(qū)在極端天氣的條件下可發(fā)生突發(fā)災(zāi)害，變形區(qū)中存在一些村莊和道路，具有明確的威脅對(duì)象，所以將多處變形形變區(qū)定義為滑坡隱患區(qū)。

從升降軌形變速率圖中共識(shí)別出35處(其中8處典型滑坡隱患點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果見表2)疑似滑坡隱患的區(qū)域，其中降軌處理結(jié)果未識(shí)別出H25～H35的滑坡隱患點(diǎn)，升軌處理結(jié)果未識(shí)別出H1～H2、H14、H16～H21和H23～H24的滑坡隱患點(diǎn)，主要原因在于，雷達(dá)運(yùn)用的是側(cè)視成像系統(tǒng)，在地勢(shì)起伏復(fù)雜的地方易造成透視收縮、疊掩、陰影等變形不正常的現(xiàn)象[10]。位于右岸岸坡的隱患點(diǎn)形變速率大于左岸岸坡的形變速率，有5處滑坡隱患點(diǎn)形變速率大于90 mm/a。小金縣太平橋鄉(xiāng)段滑坡隱患點(diǎn)集中，此段為重點(diǎn)分析區(qū)域，下文將對(duì)重點(diǎn)區(qū)域中主河道兩岸的典型滑坡隱患進(jìn)行分析。

表2 典型滑坡隱患點(diǎn)早期識(shí)別結(jié)果

4 典型滑坡隱患點(diǎn)分析

位于小金縣太平橋鄉(xiāng)的H4和H5是小金川主河道鄰近的左、右兩處岸坡(圖3)，而且威脅對(duì)象包括村莊和小金川，故通過(guò)SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)這兩處滑坡隱患點(diǎn)作進(jìn)一步分析。

4.1 H4滑坡隱患點(diǎn)形變特征

H4滑坡隱患點(diǎn)位于小金縣太平橋鄉(xiāng)千家村范圍內(nèi)，是小金川主河道沖刷而成的右岸岸坡，坡體植被較少，坡體較裸露，從而SBAS-InSAR處理的結(jié)果可以表現(xiàn)出更好的相干性。根據(jù)SBAS-InSAR處理結(jié)果(圖4(a))，形變范圍長(zhǎng)約1 891 m，寬約812 m，形變面積約1.5 km2?；码[患點(diǎn)平面形態(tài)呈半橢圓狀，滑坡后緣明顯，岸坡優(yōu)勢(shì)滑動(dòng)方向以山脊為界線，從衛(wèi)星圖(圖4(b))中可發(fā)現(xiàn)明顯的位移特征。由圖4(a)可見，以山脊為界，形變集中區(qū)主要有兩處，右側(cè)形變速率明顯大于左側(cè)，且其形變速率已達(dá)-100 mm/a，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的形變特征。由圖4(c)可見，H4點(diǎn)累積形變量最大的區(qū)域位于形變范圍Ⅱ的特征點(diǎn)B附近，位于滑坡隱患點(diǎn)形變區(qū)域的中部，2020-08～2021-07期間最大累積形變量達(dá)-106 mm；范圍Ⅰ和Ⅱ的形變后緣的特征點(diǎn)A和D次之，累積形變量達(dá)到-72 mm；范圍Ⅰ形變前緣的特征點(diǎn)D的累積形變量最小，在-50 mm左右。不同位置特征點(diǎn)的累積形變量存在一定的規(guī)律性，處于勻速形變階段，B和D點(diǎn)所在區(qū)域可能是潛在滑坡的滑移驅(qū)動(dòng)段，若滑坡發(fā)生整體滑移，潛在滑移方向如圖4(b)白色箭頭方向所示，從而直接威脅千家村。

4.2 H5滑坡隱患點(diǎn)形變特征

H5滑坡隱患點(diǎn)位于小金縣太平橋鄉(xiāng)馬爾村，形變范圍最前緣鄰近小金川，是小金川主河道沖刷而成的左岸岸坡，坡體裸露且后緣明顯，處理效果良好。由圖5可見，形變范圍長(zhǎng)約873 m，寬約428 m，形變面積約0.37 km2。隱患點(diǎn)平面形態(tài)呈長(zhǎng)舌狀，滑坡周界明顯。形變區(qū)域分Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)范圍，范圍Ⅰ內(nèi)形變速率略大于范圍Ⅱ，其形變速率達(dá)到-70 mm/a，有明顯的形變集中區(qū)。根據(jù)2020-08～2021-07累積形變量結(jié)果，位于范圍Ⅰ的特征點(diǎn)B的累積形變量達(dá)到了-80 mm；特征點(diǎn)A和C次之，累積形變量達(dá)到-47 mm；特征點(diǎn)D累積形變量最小，但與A和C的累計(jì)變形量接近，為-43 mm。4處特征點(diǎn)的累計(jì)形變曲線變化基本一致，與H4隱患點(diǎn)一樣，處于勻速變形階段。根據(jù)形變范圍和衛(wèi)星影像判斷，該隱患點(diǎn)存在兩級(jí)滑動(dòng)臺(tái)階，坡腳被河水掏蝕嚴(yán)重，雖然目前處于勻速變形階段，但是一旦局部開始發(fā)生滑移，存在帶動(dòng)整體發(fā)生滑移的可能，會(huì)直接對(duì)道路村莊造成破壞。

4.3 實(shí)地驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果識(shí)別出來(lái)的H4和H5兩處滑坡隱患點(diǎn)，進(jìn)行了兩處滑坡隱患點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)勘察取證。結(jié)合形變顯示結(jié)果、無(wú)人機(jī)拍攝照片和現(xiàn)場(chǎng)考察情況，以評(píng)估基于SBAS-InSAR技術(shù)滑坡隱患早期識(shí)別的可靠性。

4.3.1H4千家村滑坡隱患調(diào)查

H4千家村滑坡隱患點(diǎn)位于小金川右岸，坡向176°，表層由碎石土堆積而成。經(jīng)過(guò)野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域因?yàn)槠麦w的蠕變導(dǎo)致道路破損嚴(yán)重，坡體位于SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果中范圍Ⅰ的中部發(fā)育有一條裂隙，裂隙附近地臺(tái)下沉明顯，說(shuō)明坡體整體正處于蠕變形變狀態(tài)(圖6)。

4.3.2H5馬爾村滑坡隱患調(diào)查

H5馬爾村滑坡隱患點(diǎn)位于小金川左岸，坡向?yàn)?°，表層也由碎石土堆積而成。該區(qū)域由于坡體自身的蠕變?cè)斐煞秶裰行巫儏^(qū)域后緣的村莊道路破壞，并形成局部坡體裂隙和地臺(tái)錯(cuò)動(dòng)，同時(shí)也造成裂隙附近居民家中的房屋損壞，說(shuō)明坡體整體正處于蠕變形變狀態(tài)(圖7)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于SBAS-InSAR技術(shù)，通過(guò)Sentinel-1升、降軌數(shù)據(jù)結(jié)合互補(bǔ)的方法，對(duì)小金川主河道兩岸岸坡為主的滑坡隱患點(diǎn)進(jìn)行早期識(shí)別，得到以下結(jié)論：

1)SBAS-InSAR技術(shù)處理結(jié)果顯示，30景Sentinel-1降軌處理出的相干目標(biāo)更加豐富，LOS向形變速率為-120～10 mm/a；25景升軌處理的相干目標(biāo)較少，LOS向形變速率為-131～10 mm/a，兩者的結(jié)合使分析更加全面。

2)在升、降軌數(shù)據(jù)互補(bǔ)處理的結(jié)果上識(shí)別出35處滑坡隱患點(diǎn)，大體上右岸的滑坡隱患點(diǎn)多于左岸，有5處滑坡隱患點(diǎn)形變速率大于90 mm/a。其中小金縣太平橋鄉(xiāng)段有10處滑坡隱患點(diǎn)，年平均速率明顯大于其他區(qū)域，為滑坡隱患點(diǎn)密集的重點(diǎn)區(qū)域。

3)重點(diǎn)分析位于小金川主河道兩岸的H4和H5兩處隱患點(diǎn)，H4最大形變速率為100 mm/a，最大累積形變量為-106 mm；H5最大形變速率為-70 mm/a，最大累積形變量為-80 mm。兩處隱患點(diǎn)均存在多處形變區(qū)域，目前處于勻速變形階段，一旦發(fā)生滑移可能對(duì)村莊造成一定的危害且發(fā)生堵江。

4)針對(duì)本文識(shí)別出的滑坡隱患點(diǎn)，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，識(shí)別的滑坡隱患點(diǎn)道路錯(cuò)斷明顯，在形變區(qū)域發(fā)育有裂隙且導(dǎo)致地臺(tái)錯(cuò)動(dòng)，從而形成坡體表面活動(dòng)。證明坡體整體處于蠕變狀態(tài)，驗(yàn)證了識(shí)別結(jié)果的可靠性。