广域岩土体变化监测研究

谢谟文，黄洁慧，王增幅，刘翔宇

(北京科技大学土木与环境工程学院，100083，北京)

公共安全是国家安全和社会稳定的基石，重大工程及生命线等基础设施的开发及安全运营是经济社会发展的保障;因此，为了确保大型国家重点工程的安全运营及公共安全，对可能因恶劣天气及人为活动引起的地质灾害实施高效的广域实时监测是确保灾害预警成功和降低灾害损失的必然选择。传统监测预警方法依靠人力对单个灾害点进行地质测绘、野外勘探和长期观测，需要耗费大量人力物力，花费巨大，耗时较长，同时不能完整地反映区域内滑坡变形的整体面状状况，而且不能应用于人员难以进入的区域、处于高风险和尚未发生位移的滑坡地段，尤其是对于大型库区及周边的地表变形，采用常规监测方法来实施大面积持续监测非常困难。综合上述原因，传统监测方法难以满足广域岩土体变化监测的时效性要求。随着遥感技术的发展，利用雷达遥感数据进行灾害的风险预警和灾情评估成为可能，并已经显示出巨大的潜力。

随着合成孔径雷达(SAR)遥感技术的发展，A.K.Grabriel［1］等在1989 年首次论证了D－InSAR 技术可用于监测厘米量级的地表形变。我国利用D－In－SAR 技术来监测岩土体变化的研究起步较晚，2002年Xia Y 等［2］利用D－InSAR 技术与PS 技术相结合对三峡库区新滩滑坡和链子崖滑坡进行了监测研究。另外，2006 年，霍志涛等［3］在《三峡库区新技术新方法》中提到美国阿拉斯加大学地球物理研究所与中国地震局地震研究所利用D－InSAR 技术对三峡库区的地面运动包括地震形变、大型滑坡及库盆沉降进行了研究。总之，D－InSAR 技术在广域岩土体变化监测方面的实际应用研究仍相对较少，且采用D－InSAR 技术在岩土体变化监测方面的成功实例都仅局限于地表形变幅度较大、植被稀少，地势平坦区域的监测。

笔者选取金沙江流域高山峡谷区乌东德坝址20 km×20 km 的范围为研究区域，分别采用合成孔径雷达差分干涉测量技术(D－InSAR)和假彩色合成技术来监测库区岩土体的变化。D－InSAR 技术采用Radarsat－2 编程SLC 数据为数据源，在时间序列上采用三轨差分干涉测量技术对数据进行处理。同时考虑到利用D－InSAR 技术进行监测的过程中多方误差和地形起伏给分析结果带来的影响，进行可信区域分析，并针对位移误差值的大小、变化区的位移方向是否与坡向一致等因素设定对应的阈值进行过滤处理。采用编程数据、可信区域分析、过滤处理与D－InSAR 技术相结合的方法与常规D－InSAR 技术相比，该方法尽可能地减少了地形引起的叠掩和阴影，并过滤掉无效值，大大减少了误差值对监测结果的影响，最终有效提取出变化区域。同时采用假彩色合成技术对购买的SLC 数据进行时序分析，提取出较大变化区域。最后通过2 种遥感监测结果与地面验证结果的比较，验证变化地点和岩土变动类型与分析结果的一致性，以期实现发现变动、监视趋势的遥感监测目的。

1 监测方法

就岩土体变化速度而言，可分为突发型岩土体变化与缓慢型岩土体变化2 大类。突发型岩土体变化指突然发生的、并在较短时间内完成的变化。由于突发型岩土体变化发生突然，前兆现象一般不明显，且多数突发型岩土体变化活动强烈，发生的形变都较大。缓慢型岩土体变化发生缓慢，持续时间长，短时间内的形变值大多小于影像图的分辨率。库区地质条件一般较复杂，水库蓄水对原有地质环境条件改变甚大，水库蓄水过程中对库岸的稳定性影响很大，可能同时引起突发型和缓慢型的岩土体变化。

合成孔径雷达差分干涉测量技术和假彩色合成技术各有优缺点，合成孔径雷达所获得的SAR 数据既含有反射强度信息又包含与地形和形变有关的相位信息，对缓慢型岩土体变化的早期辨识及趋势判断来说具有其他方法无可比拟的优势。采用D－In－SAR 技术测量形变值主要是依据不同时间拍摄时的相位信息，若该研究区域发生的变化过大，2 次数据的相位信息会造成失相干，则不能选用D－InSAR技术来监测;因此D－InSAR 技术一般适用于监测缓慢型岩土体变化。假彩色合成法是一种常用的变化检测方法，是基于影像图的像元进行分析的，受到影像数据分辨率的限制，只能分辨变化较大的岩土体变化区域。以河流塌岸为例，河流塌岸灾害最直接的表现形式是引起河道平面形态的改变，发生范围较大，可以利用多时相遥感数据，采用假彩色合成变化检测法圈定影响范围，预测未来发展趋势;因此应针对岩土体变化的不同形变特征来选取相应的变化监测方法，其技术路线如图1。

图1 广域岩土体变化监测技术路线图Fig.1 Technology roadmap of monitoring wide－area change in rock and soil

1.1 D-InSAR 技术

D－InSAR 技术是一种新的空间对地观测技术，它利用SAR 数据的相位信息来提取高程变化信息和地表三维信息，可用于监测地球表面的微小变化。D－InSAR 技术是在主动式SAR 相干成像即InSAR基础上发展起来的，其原理是利用至少3 次拍摄影像构成2 个像对，其中一个像对时相差尽可能小，以保证2 次成像期间地表几乎没有变化，另一个像对具有较长的时相差，2 次成像之间地表发生了位移。对2 个像对做干涉处理形成2 幅干涉图，长时相的干涉图中包含反映地形起伏形状的干涉相位和由于成像期间地面位移引起的干涉相位，短时相的干涉图可近似地认为只含反映地形起伏形状的干涉相位。对干涉图做二次差分处理，消除地形起伏和雷达成像几何形成的相位差，剩余的相位差即为成像期间地面发生变化所引起的［4－6］。

与高度相比，相位对地表形变更敏感，1/2 个波长的地表形变量就会引起1 个2π 的相位变化，例如，对于Envisat ASAR 传感器，当B⊥=400 时，B⊥为2 次成像时的空间基线距，21.9 m 的高度引起1个2π 的相位变化，而2.8 cm 的地表形变就可以引起1 个2π 的相位变化。

1.2 假彩色合成技术

假彩色合成是根据加色法或减色法，将多波段单色影像合成为假彩色影像的一种彩色增强技术，是图像信息增强的关键技术之一。合成彩色影像与天然色彩不同，且可任意变换，故称假彩色影像。彩色合成增强法将多波段黑白图像变换为彩色图像，通过彩色合成增强，可以从图像背景中突出目标地物，增强目标与背景或是不同地物之间的对比，便于遥感图像判读［7－8］。由于地物的差异更多地表现在不同波段上，如何将反映在不同波段上的差异综合地反映出来，扩大地物间的差异，提高地物判译效果，是假彩色合成的最终目的。假彩色合成技术用于变化检测的图像序列集一般要求满足同传感器、相同轨道(升轨或降轨)、相同或相近入射角3 个条件。笔者以相同轨道，相同入射角的Radarsat－2 数据为数据源，采用假彩色合成技术对研究区域内突发较大岩土体变化区域进行识别。采用假彩色合成法对地表的变化进行检测时先将前、后2 时相的SAR 影像数据精确配准，变化前的影像图赋予给红波段，变化后的影像图赋予给绿波段和蓝波段，合成出一幅假彩色合成图。若强度发生变化，在假彩色合成影像图中能很明显地显示变化区域。

2 研究区域概况

研究区域中心坐标为E 26°22'、N 102°36'，位于乌东德水电站库区坝址附近。乌东德水电站位于云南省禄劝县和四川省会东县交界的金沙江干流上，以发电为主，兼顾防洪和拦沙，是金沙江下游河段乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4 个水电梯级的最上游梯级，是国家西电东送的骨干工程之一［9］。金坪子滑坡位于乌东德梯级河段下游右岸，上距乌东德坝址约900 m，因金坪子滑坡里坝址很近，且有一区域一直在滑动，所以金坪子滑坡的稳定现状、变形趋势及可能失稳方式及规模关系到乌东德水电站的安全，因而归为重点监测区域。

3 数据来源

采用存档数据不能根据需要来选取拍摄模式和入射角度，而研究区域地处我国西南高山峡谷区，地势险峻，交通不便，存档数据会有大量的阴影和叠掩。为了达到可靠的监测效果，以研究区域的Radarsat－2 编程数据为数据源，来进行岩土体的变化监测。Radarsat－2 于2007 年12 月14 日成功发射，是Radarsat－1 的后续卫星，它除延续了Radarsat－1 的拍摄能力外，在新的图像获取能力及性能方面，又有了很大的进展;同时，它具备成熟的商业运作模式和实力雄厚的技术支撑团队:因此，可以可靠地、保密地、及时地向商业用户提供高质量的SAR 图像。

Radarsat－2 卫星支持编程，因此可以根据需要来订购。综合考虑金坪子滑坡的朝向，重点研究区域的坡度，雨季时间段，分辨率等因素，最终订购了2010－10－21、2010－11－14、2011－07－12 和2011－08－21 4景超精细HH 极化产品模式，分辨率为3 m，幅宽为20 km×20 km 的降轨数据，入射角为39.57°。拍摄范围如图2 所示。

图2 研究区域图Fig.2 Study area

4 监测结果分析与现场验证

4.1 监测结果分析

4.1.1 D－InSAR 监测结果 对订购的数据进行DInSAR 处理，在整个处理过程中假设相隔一重访周期的第1 景和第2 景拍摄时研究区域未发生形变，以第1 景和第2 景为基准分别与第3、4 景进行三轨差分处理，获得研究区域内的垂直位移值。由于研究区域地形起伏较大，会产生大量的阴影和叠掩，这些区域内的监测值误差较大甚至不可采用，因此需先提取出拍摄范围内的可信区域。同时在利用DInSAR 技术进行监测的过程中，很多因素都有可能产生误差，从而影响分析结果，例如:地形起伏、相位解缠误差、大气延迟等。为了克服这些错误值，对D－InSAR 技术的监测结果再进行过滤处理，最终提取出8 处变化区域，如图3 所示。

1 号区域为金坪子滑坡上一小区域，从DInSAR的监测结果中可看出空间上呈面状分布，说明该处处于连续滑动状态。2 号区域为坝址右坝肩，同样是呈面状分布，且该处位于坝肩附近，需重点监测。第3 处区域位移较大，结合影像数据和地形数据，判断该处为崩塌。第4 处区域有待现场确认，第5 处区域空间上表现出来的是零散的斑点变化，且变化面积较大，结合地形数据，该处地势陡峭，推测为崩塌。第6 处区域在空间上具有一定的连续性，有待现场进一步验证。第7 处区域分布较零散，推测为崩塌引起的变化，第8 处区域有待现场进一步验证。

图3 D－InSAR 监测结果Fig.3 Results of D－InSAR

4.1.2 假彩色合成结果 把订购的SLC 数据先进行精确配准，时序上对配准后的数据进行假彩色合成处理，圈出红色和藏青色突出显示区域，共提出7处较大变化区域，其分布图和7 处变化详见图4。

假彩色合成结果图中，若以红色突出显示，说明该处强度变强，若是藏青色突出显示，说明该处强度变弱。从上述7 处结果图中可看出，大部分变化区域都是强度变强，且形状规则，点状分布，推测为房屋修建或是施工引起的变化。

4.2 现场验证

图4 彩色合成监测结果Fig.4 Results of false color composite

4.2.1 D－InSAR 监测结果现场验证 因研究区域地处山区，交通不便，对所有监测结果进行调查既费时又费力，因此选取8 处中的3 处作为现场调查对象，3 处区域分别为1 号、2 号和4 号区域。1 号区域现场调查确认该处为一堆积体，堆积体上散落较多大石块，如图5，并处于不断滑动状态。2 号区域也为一堆积体，如图6，现场测得堆积厚度为70 m左右。此处区域对坝址安全起到决定性的作用，需加以重视，持续监测。4 号区域现场验证为石灰岩岩质滑坡，有明显多级台阶式错滑，错滑总宽度约700 m，滑坡台阶的新近变形迹象明显，如图7 所示。

图5 1 号区域现场调查照片Fig.5 Investigation photo of No.1 region

图6 2 号区域现场调查照片Fig.6 Investigation photo of No.2 region

1 号区域金坪子滑坡为已知滑坡，其在监测结果中能很好地体现出来，证明了监测方法的有效性。2 号和4 号区域为新发现的岩土体变化区域，2 号区域位于坝肩，监测结果对大坝的现场施工安全有很好的参考作用。2 号和4 号区域的发现，证明了所采用方法完全可以达到发现变化区域的目的。

图7 4 号区域现场调查照片Fig.7 Investigation photos of No.4 region

图8 假彩色合成第1 处现场调查照片Fig.8 Investigation photo of false color composite No.1 region

图9 假彩色合成第2 处现场调查照片Fig.9 Investigation photo of false color composite No.2 region

4.2.2 假彩色合成监测结果现场验证 对假彩色合成的监测结果分别进行现场调查。第1 处变化是由上面基地的房屋建设引起的，如图8。第2 处变化区域位于上下2 基地之间，处于通往乌东德坝址的公路两旁，引起变化的原因是2011 年当地居民在公路两旁建了大量店面，很多还在施工中(图9)。第3 处变化区域是下面基地，该基地位于金沙江边一较宽阔平坦区域;因此，中国水利水电十四局和三峡勘察设计院在该处都设有基地。基地内堆积有一些建筑材料，并且有一碎石场，场内堆有大量碎石，这些堆积物都会随时间有所改变，现场图片如图10。第4 处经现场调查验证该处正在修建自来水厂(图11)。第5 处区域位于一村庄，为村民新建房屋引起(图12)。第6 处区域是由于金沙江左侧修建隧道引起的(图13)。第7 处区域位于金坪子滑坡对岸，该处地势平坦，且附近在修路，为了方便施工人员的住宿，新建了几栋临时房屋(图14)。

图10 假彩色合成第3 处现场调查照片Fig.10 Investigation photo of false color composite No.3 region

图11 假彩色合成第4 处现场调查照片Fig.11 Investigation photo of false color composite No.4 region

图12 第5 处现场调查照片Fig.12 Investigation photo of No.5 region

图13 第6 处现场调查照片Fig.13 Investigation photo of No.6 region

图14 第7 处现场调查照片Fig.14 Investigation photo of No.7 region

5 小结

根据岩土体变化类型选取不同的监测方法进行监测，共提取出15 处变化区域。监测结果与后期的实地调查结果对比，发现用D－InSAR 技术和假彩色合成监测得到的变化趋势和位置与实际变化情况是一致的，实现了发现变动和监视趋势2 目的，证明将假彩色合成技术与D－InSAR 技术相结合的方法应用到广域岩土体变化监测是可行的。

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