綜合InSAR 技術(shù)和多源SAR 數(shù)據(jù)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—以吉林治新村滑坡為例

于海明，張熠斌，方向輝，徐思瑜，徐譽(yù)維，張旭晴

（1.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站（吉林省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心），吉林 長(zhǎng)春 130021；2.吉林省航測(cè)遙感院，吉林 長(zhǎng)春 130061；3.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

0 引言

新世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境和氣候的影響逐漸增大，生態(tài)環(huán)境及各種地質(zhì)條件也隨之發(fā)生了較大的改變。中國(guó)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)出分布廣、高易發(fā)等特點(diǎn)。地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，并限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]?；率切逼聨r石體以及大面積冰雪覆蓋體沿著貫通的剪切面所發(fā)生的體位滑動(dòng)現(xiàn)象，由于氣候、天氣、地形、交通、通訊等因素的影響，很難做到早期預(yù)警和提前防范[3]。由于環(huán)境限制，傳統(tǒng)測(cè)量手段如水準(zhǔn)測(cè)量、GPS 測(cè)量難以大范圍開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)[4]；光學(xué)遙感技術(shù)易受氣候條件影響，并且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)緩慢變形地質(zhì)災(zāi)害隱患的識(shí)別[5-6]。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（interferometricsynthetic aperture radar，InSAR）作為一種新型地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有空間分辨高、時(shí)間分辨率高、精度高以及大范圍空間連續(xù)覆蓋等優(yōu)勢(shì)，已成為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的重要手段之一，被眾多學(xué)者用于地震[7]、滑坡災(zāi)害應(yīng)急排查[8]、滑坡發(fā)育監(jiān)測(cè)[9]、地面沉降[10]等的形變監(jiān)測(cè)研究。法國(guó)學(xué)者Fruneau 等[11]于1996 年首次將InSAR 技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，采用差分雷達(dá)干涉技術(shù)（differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR）技術(shù)處理ERS-1 數(shù)據(jù)獲取了6 景差分干涉圖，監(jiān)測(cè)結(jié)果清晰的呈現(xiàn)了滑坡的形變特征，且與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。由于不同時(shí)期獲取的SAR 影像間的相干性較差或失相干，以及大氣效應(yīng)的影響制約了D-InSAR 技術(shù)在滑坡形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而差分干涉測(cè)量短基線(xiàn)集時(shí)序分析技術(shù)（small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR ）[12-13]可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的連續(xù)時(shí)空監(jiān)測(cè)，意大利學(xué)者Ferretti 等[14]提出的永久散射體差分干涉測(cè)量技術(shù)（persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR）以及Berardino 等[15]SBAS-InSAR，能夠獲取地面較高精度的地形數(shù)據(jù)以及地表時(shí)序形變數(shù)據(jù)，較大程度提升了SAR數(shù)據(jù)干涉測(cè)量的精度。姚佳明等[16]利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)煤層開(kāi)采誘發(fā)的地表形變模式進(jìn)行了研究，證實(shí)了SBAS-InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)地表形變的準(zhǔn)確性；趙富萌等[17]采用SBAS-InSAR 技術(shù)識(shí)別了Karakorum 公路沿線(xiàn)滑坡點(diǎn)；Zhang 等[18]利用了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团cSBASInSAR 監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式成功實(shí)現(xiàn)了甘肅省中部黃河黑泰河潛在滑坡的分析評(píng)價(jià)。InSAR 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，但單一SAR 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的局限性限制了對(duì)滑坡形變的監(jiān)測(cè)效果。C 波段的Sentinel-1A 影像時(shí)間基線(xiàn)小，影像數(shù)據(jù)多，適合應(yīng)用時(shí)序InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)滑坡時(shí)序形變特征，但在植被覆蓋區(qū)因相干性過(guò)低而獲得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)稀少；L 波段的ALOS-2 數(shù)據(jù)時(shí)間基線(xiàn)長(zhǎng)，影像數(shù)量少，適合利用D-InSAR 技術(shù)進(jìn)行滑坡形變特征監(jiān)測(cè)。采用少量長(zhǎng)波段ALOS-2 影像和大量短波段Sentinel-1A 影像結(jié)合進(jìn)行滑坡形變監(jiān)測(cè)，能夠在具有一定植被覆蓋度的山區(qū)探測(cè)到較為明顯的滑坡地表形變[19-20]。

治新村滑坡是吉林市內(nèi)非常典型的土質(zhì)滑坡，在2017 年7 月強(qiáng)降雨過(guò)程中發(fā)生了滑動(dòng)，滑坡體滑到村民住宅墻根處，造成住宅后墻變形，雨水進(jìn)入民房?jī)?nèi)，但未造成人員傷亡。以往對(duì)該滑坡的監(jiān)測(cè)，只是傳統(tǒng)的人工地面調(diào)查，基于InSAR 技術(shù)對(duì)治新村滑坡進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)的研究卻鮮有報(bào)道。本文選取2017 年1 月6 日—2017 年12 月8 日的27 景Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，使用SBASInSAR 技術(shù)對(duì)治新村滑坡及周邊區(qū)域進(jìn)行了地表形變監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行形變特征及趨勢(shì)分析?？紤]到滑坡所在區(qū)域植被覆蓋情況及東北地區(qū)季節(jié)性積雪對(duì)SAR 影像相干性的影響，選取2 景穿透性更強(qiáng)的L 波段ALOS-2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)滑坡體變形特征，綜合運(yùn)用SBAS-InSAR 和DInSAR 技術(shù)，以及C 波段的Sentinel-1A 數(shù)據(jù)和L 波段ALOS-2 數(shù)據(jù)，以期驗(yàn)證監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果對(duì)治新村滑坡災(zāi)害防治具有重要的指導(dǎo)意義，并可為后期類(lèi)似滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和研究提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 治新村滑坡

治新村滑坡位于吉林省吉林市船營(yíng)區(qū)大綏河鎮(zhèn)治新村12 社（圖1）?；虑熬壐叱?06.8 m，后緣高程322.8 m，長(zhǎng)約327 m，寬約48 m，滑坡面積達(dá)15 696 m2。平面形態(tài)為不規(guī)則扇形，滑動(dòng)面剖面形態(tài)為凹形，產(chǎn)狀：151°∠33°。土質(zhì)滑體，平均厚1.2 m。地層巖性為殘坡積物砂礫質(zhì)土，滑床巖性為范家屯組板巖、粉砂巖?；露缚病⒑蟊诎l(fā)育狀況一般，尚可辯認(rèn)。側(cè)邊界不發(fā)育，前緣、剪出口發(fā)育一般，尚可辯認(rèn)。拉張裂縫、剪切裂縫較發(fā)育，裂縫寬度一般在0.4 m，長(zhǎng)1～5 m 不等，規(guī)模較小，貫通性較差，見(jiàn)有樹(shù)木歪斜現(xiàn)象?；麦w在雨水的浸潤(rùn)作用下，沿基覆界面滑動(dòng)形成滑坡，為自然滑坡。目前，該滑坡現(xiàn)處于蠕變階段，不穩(wěn)定。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of study area

1.2 SAR 影像和DEM 數(shù)據(jù)

文中用于SBAS-InSAR 的C 波段數(shù)據(jù)為歐空局于2014 年發(fā)射的Sentinel-1A 衛(wèi)星影像，該衛(wèi)星軌道高度693 km，重訪(fǎng)周期12 d，覆蓋范圍達(dá)到42 500 km2，方位向分辨率為13.98 m，斜距向分辨率為 2.33 m，雷達(dá)波長(zhǎng)為 5.6 cm，具有條帶模式（strip map，SM）、寬幅干涉模式（interferometric wide，IW）、極寬模式（extra-wide swath，EW）和波模式（wave mode）4 種成像模式；用于D-InSAR 處理的L 波段數(shù)據(jù)采用日本陸地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星ALOS PALSAR-2 影像，L 波段的ALOS PALSAR-2 數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的穿透力，可以很好地監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)，獲取較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

本文選用了C 波段（2017-01-06—2017-12-08）27 景降軌影像（表1），成像模式為IW 模式，極化方式為VV；L 波段（2016-07-26—2017-08-22）2 景影像（表2），成像模式為ScanSAR 掃描模式，極化方式為HH。DEM 數(shù)據(jù)可用于去除地形相位以及高程誤差相位計(jì)算，是SAR 數(shù)據(jù)處理的輔助數(shù)據(jù)，選用NASA 和NIMA 聯(lián)合發(fā)布的分辨率為90 m 的SRTM3 數(shù)據(jù)。

表1 Sentinel-1A 數(shù)據(jù)集Table 1 Sentinel-1A data set

表2 ALOS-2 影像信息Table 2 ALOS-2 image information

2 研究方法

數(shù)據(jù)處理使用ENVI SARscape 平臺(tái)。采用SBASInSAR、D-InSAR 方法分別對(duì)C 波段和L 波段SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，SBAS-InSAR 對(duì)配準(zhǔn)好的多幅SAR 影像通過(guò)設(shè)定的時(shí)間基線(xiàn)和空間基線(xiàn)閾值選取合適的干涉對(duì)組合，并基于相干目標(biāo)進(jìn)行相位解纏和參數(shù)解算獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的形變信息，相較于D-InSAR，SBAS-InSAR可以分析更大時(shí)間序列數(shù)據(jù)，更好地克服了時(shí)空失相干的影響，并減小了大氣延遲誤差、地形誤差、高程誤差和其余噪聲誤差。SBAS-InSAR、D-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 SAR 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Workflow of SAR data processing

SBAS-InSAR 是一種基于分布式目標(biāo)的時(shí)間序列分析技術(shù)，將時(shí)空基線(xiàn)較短的影像兩兩配對(duì)成干涉像對(duì)，應(yīng)用奇異值分解的方法求解單點(diǎn)的形變相位方程，解算高程誤差及形變速率，通過(guò)殘余相位對(duì)大氣相位和非線(xiàn)性形變進(jìn)行反演后獲得該時(shí)間段內(nèi)的形變時(shí)間序列。本文通過(guò)設(shè)置時(shí)間基線(xiàn)、空間基閾值控制Sentinel-1A 數(shù)據(jù)集生成干涉像對(duì)的數(shù)量，時(shí)間基線(xiàn)長(zhǎng)度為 60 d，空間基線(xiàn)閾值為理論空間基線(xiàn)值的45%，C 波段27 景SAR 影像共獲取干涉像對(duì)98 對(duì)，其中主影像日期為 2017年3 月31 日，干涉像對(duì)以及基線(xiàn)連接情況如圖3 所示。然后基于干涉像對(duì)進(jìn)行SLC 影像配準(zhǔn)，生成干涉圖，經(jīng)過(guò)Goldstein 濾波處理提高干涉條紋的清晰度。選取近30 個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行軌道精煉和重去平處理，選擇automatic refinement 方法消除可能的斜坡相位。歷經(jīng)2 次SBAS 反演，精確估計(jì)且去除地形殘余相位、大氣效應(yīng)相位，最后結(jié)合DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼后獲取各期累計(jì)形變圖和平均形變速率圖。

圖3 SBAS-InSAR 時(shí)空基線(xiàn)圖與像對(duì)連接圖Fig.3 SBAS-InSAR space-time baseline diagram and image pair connection diagram

D-InSAR 技術(shù)是對(duì)2 景SAR 影像進(jìn)行差分干涉，同時(shí)需要外部的DEM 數(shù)據(jù)模擬地形相位，進(jìn)而去除掉地形相位的影響，僅保留形變相位。首先估算2 景ALOS-2 影像基線(xiàn)情況，包括像對(duì)的時(shí)間基線(xiàn)、空間基線(xiàn)、多普勒頻移、相位代表的高程變化值等，作為InSAR 形變監(jiān)測(cè)的前提，然后基于DEM 數(shù)據(jù)對(duì)主輔影像配準(zhǔn)和干涉處理，獲取干涉相位圖，本文選取2016年7 月26 日影像為主影像，2017 年8 月22 日影像為輔影像。采用Goldstein 濾波提高干涉條紋的清晰度，減少由于時(shí)空基線(xiàn)引起的失相干的噪聲，使用最小費(fèi)用流（minimum cost flow，MCF）進(jìn)行相位解纏，解決相位模糊度的問(wèn)題。在相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域選擇GCP 進(jìn)行軌道精煉與重去平處理，采用automatic refinement 方法消除可能的斜坡相位。最后將經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)和解纏的相位結(jié)合，并將合成相位通過(guò)地理編碼轉(zhuǎn)換到制圖坐標(biāo)系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 SBAS-InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果

由于治新村滑坡低矮植被覆蓋和冬季積雪影響，對(duì)于C 波段的Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，干涉測(cè)量時(shí)失相干較嚴(yán)重，獲取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要位于滑坡后緣和滑坡前緣居民區(qū)（圖4）。SBAS-InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，滑坡后緣斜坡在2017 年發(fā)生沉降，而山谷村落地表發(fā)生抬升?；潞缶壭逼翷OS 向平均沉降速率為2.88 mm/a，山谷村落LOS 向平均抬升速率為19.99 mm/a。

圖4 SBAS-InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 SBAS-InSAR monitoring results

為進(jìn)一步獲取滑坡后緣斜坡及山谷居民區(qū)地表形變特征，對(duì)滑坡后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3（圖4）進(jìn)行累計(jì)形變量時(shí)序分析，同時(shí)綜合分析居民區(qū)最大抬升點(diǎn)和平均抬升累計(jì)形變特征，分析滑坡對(duì)居民區(qū)的影響。圖5 說(shuō)明了滑坡后緣3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（P1、P2、P3）沿雷達(dá)視線(xiàn)方向（LOS 向）的累計(jì)形變特征?；潞缶壴?017年1 月6 日—4 月12 日期間處于緩慢抬升階段，至4 月12 日累計(jì)抬升達(dá)10.95 mm；4 月12 日—7 月5 日發(fā)生劇烈沉降后處于穩(wěn)定狀態(tài)；7 月5 日—7 月29 日期間滑坡后緣地表沉降達(dá)12.47 mm，此后地表抬升8.21 mm 后處于相對(duì)穩(wěn)定的起伏變化，最終累計(jì)地表累計(jì)抬升4.81 mm。同時(shí)，圖4 展示了受滑坡威脅的山谷村落監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均累計(jì)形變量變化圖，山谷村落地表在1 月6 日—4 月24 日期間同滑坡后緣形變趨勢(shì)相似，但在4 月24 日之后便持續(xù)抬升，至12 月8 日平均累計(jì)抬升達(dá)19.59 mm，最大抬升點(diǎn)累計(jì)抬升達(dá)36.62 mm。

圖5 SBAS-InSAR 監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序特征Fig.5 Temporal characteristics of SBAS-InSAR monitoring points

2017 年7 月13 日8 時(shí)—14 日8 時(shí)，吉林市遭受罕見(jiàn)暴雨天氣影響；7 月19 日8 時(shí)—21 日8 時(shí)，吉林地區(qū)再次出現(xiàn)大范圍暴雨、大暴雨天氣，結(jié)合圖4 可以看出，治新村滑坡后緣在1 月6 日—7 月5 日期間地表處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，而在7 月5 日—8 月10 日出現(xiàn)劇烈的沉降抬升變化，7 月5 日—7 月29 日期間的高強(qiáng)度降雨導(dǎo)致了此次滑坡災(zāi)害的發(fā)生，具體表現(xiàn)為滑坡后緣先沉降后抬升。因此，雨季是治新村滑坡監(jiān)測(cè)與防治的重點(diǎn)時(shí)期。

3.2 D-InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果

D-InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)期間在治新村滑坡斜坡上存在5 處主要變形體（圖6、表3）。1 號(hào)變形體位于治新村滑坡匯水區(qū)西南側(cè)斜坡頂端，變形體面積達(dá)5 318 m2，監(jiān)測(cè)期間最大沉降量為58.6 mm，最小沉降量為29.4 mm，平均沉降量達(dá)43.2 mm；2 號(hào)變形體位于滑坡匯水區(qū)西側(cè)斜坡中上部，變形體面積達(dá)17 973 m2，監(jiān)測(cè)期間最大沉降量為50.6 mm，最小沉降量為24.2 mm，平均沉降量達(dá)36.4 mm；3 號(hào)變形體位于滑坡匯水區(qū)東側(cè)斜坡頂端，變形體面積為4 636 m2，監(jiān)測(cè)期間最大沉降量為68.7 mm，最小沉降量為29.8 mm，平均沉降量達(dá)43.5 mm；4 號(hào)變形體位于滑坡匯水區(qū)東側(cè)斜坡頂端，與3 號(hào)變形體北側(cè)相接，變形體面積3 043 m2，監(jiān)測(cè)期間最大沉降量為71.8 mm，最小沉降量為31.3 mm，平均沉降量達(dá)49.9 mm；5 號(hào)變形體位于滑坡匯水區(qū)西側(cè)斜坡北部頂端，較接近居民區(qū)，變形體面積達(dá)11 281 m2，監(jiān)測(cè)期間最大沉降量為47.6 mm，最小沉降量為20.1 mm，平均沉降量達(dá)38.3 mm。

表3 斜坡變形體Table 3 Deformation of slope

圖6 D-InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 D-InSAR monitoring results

匯水區(qū)兩側(cè)斜坡變形體分布及變形體沉降量顯示，西側(cè)斜坡大面積處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并向斜坡下端逐步延伸；東側(cè)斜坡雖然頂端變形體形變量較大，但是變形體面積較小，整個(gè)東側(cè)斜坡大部分區(qū)域由于植被覆蓋程度較好，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。因此，治新村滑坡威脅主要來(lái)源于匯水區(qū)植被覆蓋程度較差的西側(cè)斜坡。

根據(jù)斜坡兩側(cè)變形體特征及斜坡地形特征，針對(duì)剖線(xiàn)AA′、BB′、CC′、DD′作形變量及高程變化剖面分析，對(duì)比二者變化特征（圖7）。從圖7 可以看出，區(qū)域形變累計(jì)量與斜坡高程存在明顯負(fù)相關(guān)，即斜坡高處相對(duì)沉降量較大，而隨著斜坡高程降低，沉降量亦逐漸減小，局部居民區(qū)由于滑坡物質(zhì)累積，地表呈現(xiàn)抬升現(xiàn)象。

圖7 治新村滑坡剖面特征Fig.7 Profile characteristics of Zhixincun landslide

4 結(jié)論

（1）SBAS-InSAR 技術(shù)可以監(jiān)測(cè)滑坡形變演化特征，D-InSAR 技術(shù)可以監(jiān)測(cè)滑坡形變體特征，二者結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以更全面地反映滑坡時(shí)空演化態(tài)勢(shì)。受研究區(qū)低矮植被和冬季積雪的影響，通過(guò)C 波段Sentinel-1A 影像獲取的滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，使用L 波段ALOS-2 數(shù)據(jù)則可以很好的解決影像失相干的問(wèn)題。

（2）滑坡后緣在監(jiān)測(cè)期間發(fā)生了明顯形變，該區(qū)域在7 月份強(qiáng)降雨過(guò)程中發(fā)生了先沉降后抬升的形變，期間沉降量達(dá)12.47 mm，監(jiān)測(cè)期間平均沉降速率為2.88 mm/a。同時(shí)，山谷居民區(qū)地表也在降雨后處于持續(xù)抬升階段，至12 月8 日平均累計(jì)抬升達(dá)19.59 mm，最大抬升點(diǎn)累計(jì)抬升達(dá)36.62 mm，監(jiān)測(cè)期間平均抬升速率19.99 mm/a。因此，雨季是治新村滑坡災(zāi)害防治的重點(diǎn)時(shí)期。

（3）基西側(cè)斜坡大面積處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有向斜坡下端逐步延伸的趨勢(shì)，最大變形體面積17 973 m2，平均沉降量36.4 mm；東側(cè)斜坡變形體面積小于西側(cè)，但變形體形變量較大，平均沉降量49.9 mm。結(jié)合實(shí)際調(diào)查，東側(cè)斜坡大部分區(qū)域由于植被覆蓋程度較好，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。因此，治新村滑坡災(zāi)害的主要威脅來(lái)源于匯水區(qū)植被覆蓋程度較差的西側(cè)斜坡，且形變同地形相關(guān)明顯，斜坡頂端沉降量幾乎是最大的，隨著斜坡高度降低，沉降量亦逐漸降低，但山谷居民區(qū)由于滑坡物質(zhì)累積則呈現(xiàn)地表抬升。