基于時序InSAR 技術(shù)的響灘村滑坡形變特征分析

劉歡LIU Huan；張童康ZHANG Tong-kang；郭瑞華GUO Rui-hua

（西安煤航遙感信息有限公司，西安 710199）

0 引言

早期識別是防治地質(zhì)災(zāi)害的重要技術(shù)手段之一，對于人工調(diào)查難以到達(dá)的陡峻山區(qū)以及植被覆蓋度較高的區(qū)域，滑坡災(zāi)害早期識別可以解決隱患點底數(shù)不清的問題，具有良好的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和風(fēng)險管理作用。近年來，合成孔徑雷達(dá)干涉測量不斷發(fā)展，打破了傳統(tǒng)形變監(jiān)測技術(shù)的限制，實現(xiàn)了全天時、全天候、大范圍的對地監(jiān)測，并被廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測。本文采用SBAS-InSAR 方法，選取2021 年1 月12 日至2021 年9 月21 日的21 景Sentinel-1A 升軌數(shù)據(jù)，分析研究了響灘村滑坡的發(fā)育特征，并對滑坡坡體形變的時空演變進(jìn)行了綜合分析，為災(zāi)害預(yù)警提供了重要科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

該滑坡位于四川省儀隴縣響灘村，屬四川盆地北部低山與川中丘陵過渡地帶，以低山為主，地勢由東北向西南傾斜。地貌屬于低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，山體植被茂盛，微地貌屬于山前緩坡。出露基巖以侏羅系碎屑巖為主，巖層近于水平，其上為較厚的第四系松散層所覆蓋，結(jié)構(gòu)松散，在人工開挖擾動及降雨的擾動下，易發(fā)生斜坡失穩(wěn)，沿基巖面形成規(guī)模較大的松散層滑坡。響灘村滑坡于2021 年5 月24 日因人工開挖擾動導(dǎo)致邊坡局部坡面發(fā)生牽引式溜塌，于2021 年9 月5 日因持續(xù)暴雨造成山體出現(xiàn)整體滑移，地表出現(xiàn)多處張拉裂隙及錯臺，錯臺寬可達(dá)0.5m、深1m。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文下載覆蓋四川省儀隴縣響灘村2021 年01 月12日-2021 年09 月21 日的21 景歐洲航天局Sentinel-1A升軌影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗，數(shù)據(jù)類型為干涉寬幅模式（IW）的單視復(fù)數(shù)（SLC）數(shù)據(jù)，地面分辨率為5m×20m，極化方式為VV+VH 極化。實驗還利用30m 分辨率的SRTM1 高程數(shù)據(jù)消除地形相位，利用各影像對應(yīng)的POD 回歸軌道數(shù)據(jù)（POD Restituted Orbit）減少軌道誤差。

2 數(shù)據(jù)處理流程

對21 景Sentinel-1 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，利用SBASInSAR 技術(shù)對滑坡區(qū)進(jìn)行時序處理，選取相干性高的穩(wěn)定參考點作為解纏參考點，對干涉圖進(jìn)行相位解纏。挑選出解纏效果好的干涉圖進(jìn)行干涉圖相位疊加（stacking-InSAR）技術(shù)去除一部分大氣延遲相位的影響。然后從疊加的干涉圖中提取高相干點，再對相干點進(jìn)行濾波，并進(jìn)行回歸分析，可以得到相干點的高程修正值、線性形變速率和殘差相位等。獲得高程改正相位值并進(jìn)行去除。由于大氣延遲相位會對相位模型造成影響，需要多次進(jìn)行回歸分析迭代并進(jìn)行SVD 分解獲得單主影像時間序列，使相位模型能夠達(dá)到最好的匹配，大氣延遲相位能夠分離出來并去除。從解算結(jié)果中可以分離出非線性形變相位，通過最小二乘法獲得相干點的形變速率，最終的形變相位是將線性形變和非線性形變疊加起來。處理的流程圖如圖1 所示。干涉對時間基線閾值為36 天，空間基線閾值為200m，共計組合51 個干涉對，干涉圖組合圖2 所示。

圖1 SBAS-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程

圖2 Sentinel-1 時空基線連接圖

3 實驗結(jié)果分析

在利用SBAS-InSAR 技術(shù)對滑坡區(qū)進(jìn)行時序處理的基礎(chǔ)上，采用Stacking 技術(shù)分別獲取2021.01.12-2021.08.28 與2021.01.12-2021.09.21 兩個時間段期間的年平均形變速率（如圖3、圖4 所示），在此基礎(chǔ)上結(jié)合光學(xué)影像及實地調(diào)查該區(qū)域滑坡范圍進(jìn)行了重新圈定，最終圈定了A、B、C 三個區(qū)域，并在每個滑坡區(qū)內(nèi)主要位置提取了相應(yīng)的特征點，為了更清楚地識別特征點的位置，將其放在光學(xué)影像上展示的結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)形變信息可知，1-8 月Stacking 形變結(jié)果顯示，形變主要發(fā)生于A區(qū)，B 區(qū)次之；1-9 月的Stacking 形變結(jié)果顯示，A 區(qū)趨于穩(wěn)定，而B 區(qū)形變量增強，因此推測1-8 月份A 區(qū)首先發(fā)生滑動，B 區(qū)局部有滑動但整體活動性不強，9 月份B 區(qū)整體發(fā)生較強滑動而A 區(qū)與C 區(qū)趨于穩(wěn)定。

圖3 工作區(qū)Sentinel-1 年平均形變速率圖（2021.01.12-2021.08.28）

圖4 工作區(qū)Sentinel-1 年平均形變速率圖（2021.01.12-2021.09.21）

圖5 特征點光學(xué)位置圖

特征點分別在每個滑坡區(qū)的后緣、拉張裂隙處、前緣等重要部位分別選取，選取的結(jié)果如圖5 所示，下面針對各個分區(qū)特征點結(jié)合SBAS-InSAR 處理得到的時序結(jié)果對滑坡的時空演變特征進(jìn)行分析。

3.1 A 區(qū)滑坡點時序分析

從時序形變曲線結(jié)果（圖6）可以看出，2021 年1 月至4 月形變量較為穩(wěn)定；5 月份開始發(fā)生形變，整體上為持續(xù)的下滑，但形變量不大；從6 月中旬到7 月底開始形變速率開始增大，形變量增大，最大累積形變量為-60mm；基于多時相光學(xué)影像對比發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有多處明顯滑動現(xiàn)象，上部形變特征明顯，影像較粗糙，可見裂縫，地面植被覆蓋好；進(jìn)入8、9 月份，根據(jù)Stacking 形變圖結(jié)合時序曲線特征顯示，A 區(qū)整體趨于穩(wěn)定，但其坡面中部仍然有緩慢滑動，隨著降雨等因素誘發(fā)，A 區(qū)有繼續(xù)發(fā)生形變的可能，威脅下方居民區(qū)的安全。

3.2 滑坡B 區(qū)點時序分析

從時序形變曲線結(jié)果（圖7）可以看出，2021 年1 月至5 月B 區(qū)整體形變趨于穩(wěn)定，伴有微弱的抬升或下滑；從6月中旬開始極速下降，形變速率開始增大，形變量增大，最大累積形變量為-44mm；8-9 月又出現(xiàn)反向加速形變，隨著降雨等因素影響，B 區(qū)有加速滑動的可能，表明B 區(qū)整體在該時間段有一次較強活動；9 月中旬至9 月底坡面趨于穩(wěn)定。

圖7 滑坡B 區(qū)各特征點時序形變

3.3 C 區(qū)滑坡點時序分析

從時序形變曲線結(jié)果（圖8）可以看出，斜坡前緣與中部：1-9 月份整體比較穩(wěn)定，伴有微弱的形變現(xiàn)象，形變量不大。斜坡后緣：1-4 月份較為穩(wěn)定；5-7 月份開始發(fā)生擾動持續(xù)下滑，最大累積形變量為-32mm，為主要變形期；8-9 月為反復(fù)的抬升下滑階段，但形變量不大；9 月份以后較為穩(wěn)定。整體上C 區(qū)形變量較小，波形平緩，整體較其它兩個滑坡區(qū)活動性偏弱。

圖8 滑坡C 區(qū)各特征點時序形變

4 結(jié)束語

本文利用21 景Sentinel-1A 影像采用SBAS-InSAR方法，對四川省儀隴縣響灘村滑坡進(jìn)行了形變監(jiān)測，并根據(jù)形變結(jié)果結(jié)合野外實地調(diào)查分析得到以下結(jié)論：

①響灘村滑坡整體上形變速率區(qū)間為-110-90mm/year，可劃分為A、B、C 三個次級滑坡區(qū)，整體上A 區(qū)首先滑動，最大累積形變量為-60mm，B 區(qū)則稍晚滑動，最大累積形變量為-44mm，C 區(qū)整體趨于穩(wěn)定但伴有微弱的變形現(xiàn)象，最大累積形變量為-32mm。

②響灘村滑坡時空演變特征：3-4 月份由于降雨的沖刷坡體不穩(wěn)定的巖層開始緩慢形變，人工擾動后后遇連續(xù)降雨，A 區(qū)在6 月中旬滑動，滑動后裂縫形成；一方面為B區(qū)的滑動創(chuàng)造了條件；隨著時間的發(fā)展，降雨持續(xù)，最終帶動B 區(qū)在6 月下旬-7 月加速滑動；8 月份降雨量陡然增加，A 區(qū)、B 區(qū)滑動加劇，拉裂了后緣坡面，并伴著局部坡面溜塌。C 區(qū)較其他四個滑坡區(qū)活動性整體偏弱，根據(jù)時序曲線特征可知，C 區(qū)形變時序與其他四個滑坡區(qū)沒有明顯的時間關(guān)系，因此推測C 區(qū)為獨立的滑動。

③結(jié)合降雨量數(shù)據(jù)可知，降雨對于響灘村滑坡活動有著直接而明顯的影響，一般來說，降雨持續(xù)時間越長、強度越大，坡體出現(xiàn)形變加速的可能性越高，整體來看，隨著降雨的影響，響灘村滑坡仍將處于長期活躍狀態(tài)中。

綜上所述，時序InSAR 技術(shù)在滑坡形變的監(jiān)測應(yīng)用中具有較高的精度和可靠性，研究結(jié)果能夠為地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警、工程治理、防災(zāi)減災(zāi)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，可以有效指導(dǎo)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟建設(shè)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。