基于SBAS-InSAR技術(shù)的廣安村滑坡形變監(jiān)測(cè)分析

牛敏杰，師 蕓，呂 杰，趙 侃，石龍龍

（1.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘察與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021）

滑坡是我國(guó)發(fā)生最頻繁的地質(zhì)災(zāi)害之一，2020年我國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害7 840起，其中滑坡4 810起，占比為61.35%，直接經(jīng)濟(jì)損失為50.2億元[1]。滑坡是指斜坡體上覆巖土在自然或人為因素誘發(fā)下受自身重力影響沿著滑動(dòng)面做剪切運(yùn)動(dòng)[2-3]。2017-10-21凌晨，重慶市巫溪縣大河鄉(xiāng)廣安村發(fā)生大型滑坡，造成9人遇難，滑坡前緣S301省道中斷，西溪河被堵塞形成堰塞湖，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)厝罕姷纳拓?cái)產(chǎn)安全[4-5]。廣安村滑坡為巖質(zhì)滑坡，剪切口位置高，具有隱蔽性強(qiáng)、危險(xiǎn)性大、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在有利地形和持續(xù)降雨的條件下易發(fā)生滑動(dòng)[4-5]，時(shí)刻威脅居民生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此加強(qiáng)對(duì)滑坡的監(jiān)測(cè)與分析具有重要意義。

小基線集技術(shù)[6]（SBAS）設(shè)置了時(shí)空基線閾值，將已有SAR影像組合成若干差分干涉序列子集，改進(jìn)了長(zhǎng)基線導(dǎo)致的失相干問(wèn)題，提高了時(shí)間采樣率，增加了數(shù)據(jù)利用效率，并通過(guò)SVD分解得到真實(shí)LOS向時(shí)序形變信息，在復(fù)雜山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別與監(jiān)測(cè)方面具有很大優(yōu)勢(shì)[7-10]。2017-06-24四川省茂縣新磨村突發(fā)高位山體滑坡，造成83人死亡，新磨村被掩蓋，殷躍平[11]、許強(qiáng)[12]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，綜合光學(xué)遙感、In-SAR、無(wú)人機(jī)等多手段對(duì)滑坡成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為地形地貌條件和持續(xù)降雨是誘發(fā)高位山體滑坡的重要因素，應(yīng)聯(lián)合多技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)滑坡隱患的早期排查和監(jiān)測(cè)。2018-10-11和2018-11-03金沙江白格村發(fā)生兩次大規(guī)模山體滑坡，造成嚴(yán)重堵江事件，對(duì)金沙江下游沿岸居民生活造成嚴(yán)重影響，很多學(xué)者結(jié)合SBAS-InSAR、PS-InSAR、光學(xué)遙感等多種技術(shù)對(duì)白格滑坡運(yùn)動(dòng)特征以及金沙江流域滑坡隱患進(jìn)行了識(shí)別與分析，為該流域滑坡防治提供了重要的參考資料[8,13-15]。近年來(lái)，SBAS-InSAR技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于震后滑坡識(shí)別、黃土地區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)以及蠕滑狀態(tài)單體滑監(jiān)測(cè)等方面，取得了豐富成果，為滑坡識(shí)別和監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了重要的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，在滑坡監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)已得到廣泛肯定[16-19]。

廣安村滑坡對(duì)周邊坡體的影響較大，目前利用In-SAR技術(shù)對(duì)廣安村滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究較少，本文采用SBAS-InSAR技術(shù)獲取廣安村滑坡后的形變信息，綜合SAR影像、Sentinel光學(xué)影像分析了滑坡形變特征，更全面地反映了滑坡特征和滑坡后的穩(wěn)定情況，為當(dāng)?shù)鼗路乐闻c監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

廣安村滑坡位于重慶市巫溪縣大河鄉(xiāng)廣安村，西溪河北岸，距離大寧河約1 km?；轮行奈挥?09°36′40.35″E、31°32′28.06″N，概況如圖1所示。廣安村滑坡范圍廣、高差大，滑移方量達(dá)到6×106m3，最大滑動(dòng)距離為1 200 m[5]，所在斜坡高程介于275～1 800 m之間（圖2）。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性暖溫氣候，受東南季風(fēng)影響，區(qū)域內(nèi)氣候溫和、雨量豐富，多年平均年降雨量為1 333 mm，平均溫度為14.7℃[4,20]。

圖1 研究區(qū)位置概況圖

滑坡區(qū)域由上至下的主要地層為第四系、三疊系、二疊系和志留系；巖性以強(qiáng)溶蝕性灰?guī)r和頁(yè)巖為主[4-5]?；卤砻嫱临|(zhì)主要由第四系崩坡積層塊石土、黃褐色粉質(zhì)粘土、灰?guī)r碎石和頁(yè)巖碎石組成；上部灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象明顯，裂隙發(fā)育，巖體破碎，力學(xué)性質(zhì)低；下部層狀頁(yè)巖巖體破碎。受地下孔隙水和降雨下滲等軟化作用的影響，易形成上硬下軟地層狀態(tài)，使上部巖體在重力作用下沿頁(yè)巖內(nèi)部剪出滑移[4-5,20]。參考文獻(xiàn)[4]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)，將廣安村滑坡分為滑移區(qū)、4個(gè)潛在滑源區(qū)和兩個(gè)潛在鏟刮區(qū)，如圖2中滑坡等值線所示，4個(gè)潛在滑源區(qū)位于滑移區(qū)上方，兩個(gè)潛在鏟刮區(qū)位于滑移區(qū)左右兩側(cè)；滑移區(qū)周圍地層結(jié)構(gòu)較相似，在長(zhǎng)期降雨、灰?guī)r溶蝕以及人類活動(dòng)的影響下，有再次發(fā)生滑移的可能性，對(duì)周邊居民、道路和河流的危害性較大，因此必須加強(qiáng)對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)分析。

圖2 廣安村滑坡DEM等值線圖

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文獲取覆蓋研究區(qū)的31景Sentinel-1A升軌數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為2017-03-31—2018-10-26，以2017-10-31影像為主影像進(jìn)行影像配準(zhǔn)，挑選干涉圖，最終獲得41組質(zhì)量較好的干涉圖，時(shí)空基線如圖3所示。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先對(duì)干涉圖進(jìn)行平地相位、地形相位去除，再進(jìn)行濾波、相位解纏等處理，獲取精密基線信息進(jìn)行基線精化處理，并對(duì)地形相位殘差和大氣相位進(jìn)行分離去除。其中外部DEM采用美國(guó)航天局發(fā)布的30 m分辨率SRTM DEM產(chǎn)品進(jìn)行地形相位去除；并下載Sentinel-1A衛(wèi)星POD精密軌道數(shù)據(jù)對(duì)SAR影像進(jìn)行軌道精化，以減小軌道誤差的影響，提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量和形變相位精度。

圖3 時(shí)空基線信息圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

SBAS-InSAR技術(shù)是由Berardino提出的一種多主影像時(shí)序InSAR技術(shù)。SBAS-InSAR技術(shù)設(shè)置了時(shí)空基線的閾值，通過(guò)組成的若干個(gè)短時(shí)空基線子集來(lái)反演形變信息[6]。SBAS-InSAR技術(shù)基于閾值組合成不同的干涉子集，相當(dāng)于對(duì)地表同一散射體進(jìn)行多次重復(fù)軌道觀測(cè)，構(gòu)成冗余觀測(cè)值，以提高形變相位與其他相位成分之間的分離精度，特別是在植被覆蓋茂密地區(qū)，可減弱失相干的影響，監(jiān)測(cè)結(jié)果更具可靠性[8,21]。

假設(shè)在同一區(qū)域選取t(t0,t1,t2,…,t n)時(shí)間段的N+1景SAR影像，選擇主影像、設(shè)置時(shí)間和空間基線閾值后生成M個(gè)干涉對(duì)，其滿足的條件為[7-8]：

以重復(fù)軌道干涉測(cè)量為例，InSAR干涉相位可表示為：

去除平地相位、地形相位后，生成干涉圖的相位近似表達(dá)式為：

式中，t a、t b分別為組成干涉對(duì)的兩景SAR影像的獲取時(shí)間；dt a和d t b分別為a、b時(shí)刻相對(duì)于參考影像在雷達(dá)視線方向的形變量；為地形殘差相位；為大氣延遲相位；為噪聲相位成分；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

去除地形相位殘差、大氣相位和噪聲相位后，形變相位可近似表示為：

形變相位的矩陣表示形式為：

在每個(gè)基線集合中，利用最小二乘法計(jì)算地表時(shí)序形變，利用SVD連接不同基線子集，獲取最終的時(shí)序形變[7]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 形變速率分析

首先對(duì)Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到LOS向形變結(jié)果；再分解為垂直方向，獲取滑坡后（2017-10-31—2018-10-26）垂向年均形變速率圖（圖4），可以看出，在對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)時(shí)間段，形變速率范圍在-140～60 mm/a之間，形變速率最大值位于潛在滑源區(qū)2中部，達(dá)到-137 mm/a；滑移區(qū)左側(cè)邊界和前緣位置有明顯形變，最大形變速率位于滑移區(qū)中部，達(dá)到-127 mm/a，說(shuō)明滑坡后該區(qū)內(nèi)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)；在潛在滑源區(qū)1、2、3、4中均存在明顯形變趨勢(shì)，滑移區(qū)發(fā)生滑動(dòng)后，上部坡體的應(yīng)力平衡被打破，在應(yīng)力重新分布的過(guò)程中會(huì)持續(xù)發(fā)生形變；潛在滑源區(qū)2、3與滑移區(qū)上緣部分接壤，滑移區(qū)滑動(dòng)后，導(dǎo)致接觸部分的巖體失穩(wěn)并受上部巖體擠壓發(fā)生形變，形變量大于兩側(cè)的潛在滑源區(qū)1、4?；鲁雎稁r層以灰?guī)r和薄層狀頁(yè)巖為主，灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，巖體裂隙發(fā)育；灰?guī)r受雨水侵蝕較嚴(yán)重，在長(zhǎng)期溶蝕作用下易失穩(wěn)發(fā)生滑坡[4]，因此在持續(xù)降雨的情況下應(yīng)密切關(guān)注滑坡體前緣和后緣潛在滑源區(qū)2的穩(wěn)定狀況。

圖4 廣安村滑坡年均形變速率圖

3.2 時(shí)序累積沉降結(jié)果分析

本文選取2017年10月—2018年10月部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的累積沉降圖繪制廣安村滑坡后時(shí)序形變圖（圖5），可以看出，滑坡發(fā)生后坡體存在明顯形變，隨著時(shí)間的推移，滑移區(qū)前緣坡體紅色明顯加深，范圍擴(kuò)大，說(shuō)明該區(qū)域累積形變量在增加，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)資料，在鏟刮區(qū)1右側(cè)與滑移區(qū)交界處有自然沖溝，沖溝內(nèi)常年有水，水量與地下水和自然降雨有關(guān)[4]，因此在時(shí)序圖中可發(fā)現(xiàn)滑移區(qū)左側(cè)邊界形變較明顯，說(shuō)明滑坡發(fā)生后，前緣坡體處于緩慢蠕滑階段，同時(shí)受到地下水和自然降水的影響。滑坡后緣4個(gè)潛在滑源區(qū)內(nèi)均可見明顯的形變特征，在滑坡后緣區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多條貫通型拉張裂縫[4]，易受降雨下滲的影響，不斷侵蝕軟化發(fā)生緩慢形變。廣安村滑坡發(fā)生后局部坡體仍處于蠕滑狀態(tài)，一方面大量滑移物堆積在滑坡前緣區(qū)域，形成松散堆積體，在河水侵蝕和持續(xù)降雨下易發(fā)生形變；另一方面，由于滑移區(qū)周圍出現(xiàn)多條裂縫，在雨水下滲和地下水侵蝕作用下會(huì)發(fā)生緩慢形變。

圖5 廣安村滑坡時(shí)序形變圖

4 廣安村滑坡形變分析

4.1 特征點(diǎn)時(shí)序累積形變分析

為了進(jìn)一步分析形變特征，在滑移區(qū)、潛在滑源區(qū)和鏟刮區(qū)選擇對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，共10個(gè)點(diǎn)，編號(hào)為A～J，如圖5所示。廣安村滑坡發(fā)生后對(duì)周邊山體造成嚴(yán)重影響，在灰?guī)r溶蝕、雨水下滲以及臨空條件等因素作用下易發(fā)生小規(guī)模滑動(dòng)，因此本文提取對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的時(shí)序形變信息，繪制時(shí)序形變曲線，如圖6所示。

圖6 特征點(diǎn)時(shí)序形變曲線

1）潛在滑源區(qū)1。A點(diǎn)位于潛在滑源區(qū)1后部，2017-10-31—2018-04-05一直緩慢下沉，累積沉降量達(dá)到-27 mm；2018-04-05—2018-07-10累積沉降曲線明顯變陡，累積沉降量增大，達(dá)到-46 mm；截至2018-10-26，最終累積沉降量為-50 mm。

2）潛在滑源區(qū)2。B點(diǎn)位于潛在滑源區(qū)2中部，下沉趨勢(shì)明顯，累積沉降量最大為-98 mm。潛在滑源區(qū)2位于滑移區(qū)正上方，滑坡發(fā)生后，在滑移區(qū)后側(cè)形成高約30 m的巖質(zhì)陡壁[4]，相當(dāng)于形成自然切坡，滑坡后緣坡體凸出部就形成臨空條件，在恢復(fù)力學(xué)平衡過(guò)程中易受降雨侵蝕、灰?guī)r溶蝕作用發(fā)生形變。

3）潛在滑源區(qū)3。C、D兩點(diǎn)位于潛在滑源區(qū)3，C點(diǎn)形變曲線先明顯上升，2018-04-01開始呈下降趨勢(shì)，最終累積沉降量為-42 mm，C點(diǎn)位于潛在滑源區(qū)3后側(cè)，易受上方坡體的推擠；D點(diǎn)在2017-10-31—2018-05-11下沉較快，累積沉降量達(dá)到了-74 mm，2018年5月以后形變趨勢(shì)變緩，最終累積沉降量為-81 mm。

4）潛在滑源區(qū)4。潛在滑源區(qū)4沒有直接與滑移區(qū)接壤，但在滑坡發(fā)生后，區(qū)域中部出現(xiàn)貫通性拉張裂縫[4]。E點(diǎn)位于潛在滑源區(qū)4中部，存在明顯形變，時(shí)序累積沉降量達(dá)到-63 mm。

5）鏟刮區(qū)。F和G點(diǎn)分別位于兩側(cè)鏟刮區(qū)，受后部坡體變形影響，在鏟刮區(qū)后部出現(xiàn)擠壓變形，形成裂縫。F和G點(diǎn)的時(shí)序形變曲線呈上升趨勢(shì)，F(xiàn)點(diǎn)的最終形變值為63 mm，G點(diǎn)的形變值為42 mm。

6）滑移區(qū)。H、I和J點(diǎn)位于滑移區(qū)，H點(diǎn)在滑移區(qū)后部，累積沉降量為-57 mm；I點(diǎn)在滑移區(qū)中部，累積沉降量為-72 mm；J點(diǎn)在滑移區(qū)前部，累積沉降量為-136 mm，說(shuō)明滑坡發(fā)生后滑移區(qū)內(nèi)仍存在局部滑動(dòng)，在滑移區(qū)左側(cè)和前緣區(qū)域變形較活躍。

4.2 SAR強(qiáng)度影像與光學(xué)影像的對(duì)比分析

滑移區(qū)后緣高程約為850 m，滑坡發(fā)生后上部巖體蘊(yùn)藏著高重力勢(shì)能，在推擠和沖擊作用下，引起下部不穩(wěn)定巖體發(fā)生滑移，使滑坡規(guī)模擴(kuò)大、破壞程度增強(qiáng)。滑坡前后的SAR強(qiáng)度影像和Sentinel-2光學(xué)影像如圖7所示。從SAR衛(wèi)星視角觀察，圖7a、7b中紅色實(shí)線部分在滑坡前后變化顯著，可見明顯斷裂痕跡；紅色點(diǎn)劃線部分巖體位于斷裂處正上方，下部巖體發(fā)生滑移后，導(dǎo)致上部巖體處于臨空狀態(tài)，相對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)B處的累積沉降量達(dá)到-98 mm，增加了再次滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，必須進(jìn)行密切關(guān)注；紅色虛線部分為SAR影像上的滑移范圍，進(jìn)一步說(shuō)明了上部巖體在高海拔和高勢(shì)能的作用下，發(fā)生滑坡的沖擊力和破壞力更強(qiáng)，滑坡范圍更廣。光學(xué)影像可直觀反映滑坡的范圍邊界特征，滑坡后緣坡體發(fā)生滑動(dòng)后，在滑移區(qū)中部造成堆積，同時(shí)進(jìn)一步推擠前緣的坡體發(fā)生滑動(dòng)。由滑坡前后的光學(xué)影像可知，滑坡造成后緣盤山道路中斷，前緣西溪河堵塞，河道明顯變寬，積水增加，形成堰塞湖，給群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和搶險(xiǎn)救災(zāi)工作造成一定困難。

圖7 廣安村滑坡前后SAR強(qiáng)度影像與光學(xué)影像

由此可見，高位滑坡一方面由于蘊(yùn)藏著高勢(shì)能，滑坡范圍廣、危害性強(qiáng)；另一方面滑坡發(fā)生后，造成后部巖體臨空，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將經(jīng)常性發(fā)生小規(guī)?；瑒?dòng)，使得滑坡后壁不斷向后擴(kuò)張，必須采取一定監(jiān)測(cè)措施，防止突發(fā)性滑動(dòng)對(duì)滑坡前緣的破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了廣安村滑坡后的時(shí)序形變信息，并綜合研究區(qū)SAR強(qiáng)度影像和光學(xué)影像對(duì)形變特征進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，廣安村滑坡在滑坡后存在明顯形變趨勢(shì)，處于緩慢形變狀態(tài)，2017-10-31—2018-10-26垂向形變速率在-140～60 mm/a之間；4個(gè)潛在滑源區(qū)存在明顯形變特征，其中B點(diǎn)累積沉降量達(dá)到-98 mm；滑移區(qū)左側(cè)形變較活躍，前部J點(diǎn)累積沉降量達(dá)到-136 mm。微波信號(hào)對(duì)地表植被有一定的穿透性，SAR強(qiáng)度影像能清楚反映地表形態(tài)起伏狀況，對(duì)地表紋理結(jié)構(gòu)的表達(dá)更加清楚，在滑坡識(shí)別分析中，可以更好地輔助光學(xué)影像進(jìn)行解譯。針對(duì)地形條件復(fù)雜的滑坡監(jiān)測(cè)，SBAS技術(shù)可有效提高時(shí)空相干性，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。綜合上述分析，廣安村滑坡局部坡體仍處于緩慢形變狀態(tài)，建議應(yīng)在雨季加強(qiáng)對(duì)滑坡后緣穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)。