InSAR技术在地质灾害早期识别中的应用

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(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 四川 成都 610059)

我国川西地区近年来发生了多次7.0级以上地震，不仅诱发了大量崩滑地质灾害，同时诱发了大量山体开裂。这类山体在再次地震与降雨作用下将会再次损伤，从而诱发崩滑地质灾害，因此开展这类地区滑坡监测与探测工作具有一定的现实意义。

地震之后山体失稳事件频繁发生，表现出明显的地震地质灾害后效应。黄润秋统计汶川地震后崩滑地质灾害相关资料后认为汶川地震灾区高频地质灾害将持续20～25年[1]。同时台湾集集地震以及关东大地震等强震区同样存在明显的地震地质灾害后效应[2-3]。根据近年来多次震裂山体地质灾害发现该类地质灾害具有高位隐蔽性、识别难等特点[4-5]。目前对于地质灾害的识别仍处在研究阶段，虽然传统的监测手段(GPS、水准测量等)对于斜坡体变形情况具有较好的观测，但其工作量大、不能实现大范围观测等，同时有着诸多限制[6]。相对于传统地质灾害识别方法，光学遥感能够将地质灾害从其所处的地质环境背景中识别出来[7-9]。InSAR技术作为雷达遥感的重要分支，其具有较强的测量能力，可以透过地表和植被获取地表信息。回顾InSAR技术在我国地质灾害探测的应用，可追溯到2000年左右在三峡地区的InSAR测量试验[10-13]。时至今日，InSAR用于滑坡等地灾形变监测已基本被接纳和认可，特别是在四川茂县6·24特大型滑坡发生后，殷跃平研究员、许强教授等国内知名地灾防治专家，分别从不同层面提出了“利用InSAR等技术手段开展四川高海拔地区山体滑坡识别与隐患排查”的建议。此后，众多研究者应用InSAR技术分别在四川、重庆、贵州等地区(含三峡地区)开展了斜坡变形监测的“规模化”应用，并取得了众多成果，为防灾减灾事业做出了突出贡献，特别是对“高位隐蔽性”滑坡探测提供了一种有效手段。

国内外对于不同数据类型和多种技术手段应用于滑坡监测与探测取得了一定成果[14-17]。本研究以现有空间数据与实时监测数据为基础，对四川省理县、通化县杂谷脑河左岸西山村滑坡区域进行地质灾害监测与探测，为震裂山体研究提供参考。

1 研究区概况

研究区位于四川省理县、通化县杂谷脑河左岸，为侵蚀高山斜坡地貌，具有典型的老冰斗洼地形，山顶呈现明显的尖棱状形态，山脊为刀刃状，山坡度较陡，坡度在34°～ 37°之间。区内出露岩性主要为变质砂岩、砂质板岩、次结晶灰岩以及千枚岩，覆盖层主要为第四系冰水堆积物，主要为角砾土、粉质粘土、块碎石土。属于川青断块，位于鲜水河裂带和龙门山之间受多次构造运动的影响，地质构造复杂。受复杂的地形和新构造运动控制，该区域地震发育密度较大，近100 年间超过7.0 级的地震4次。区内含有两处滑坡地质灾害，分别为西山村滑坡与黄泥坝子滑坡(图1)。

图1 研究区工程地质平面图

1.1 西山村滑坡概况

西山村滑坡为一处地震触发的高位抛射式古滑坡，在过去的滑移过程中，在坡脚及坡面上形成了大量的崩滑堆积体，后经长期的强风化作用及人为的破坏作用，滑坡整体已不完整，且在地貌上呈明显的不连续性(图2)。根据现场调查，滑坡在汶川 5.12 地震中也未见复活迹象，但在局部地方存在一些变形破坏情况，主要集中在坡体前缘和中部，此外滑坡后缘也有多处裂缝产生(图3)。坡脚高程1 520 m，坡顶高程2 980 m，相对高差达1 460 m，地形呈下陡上缓的形态，前缘坡度平均32°，中后缘平均约25°，滑坡主滑方向约170°。滑坡剖面呈直线型，滑体长约3 375 m，平均宽度为1 000 m，滑坡体平均厚度为20 m，最厚33 m(图4)，平面面积为330万m2，体积为6 600万m3。滑坡大致分为上下两层：上层为滑体，主要为第四系崩坡积物(粉土夹碎石)；下层为滑床，主要为志留系千枚岩。

图2 西山村滑坡全貌

图3 滑坡体中部道路开裂

图4 西山村滑坡典型剖面图(Ⅰ-Ⅰ’)

1.2 黄泥坝子滑坡概况

黄泥坝子滑坡位于西山村滑坡右侧，为一处地震影响触发的老滑坡堆积体(图5(a))。滑坡于2017年8月8日被发现发生变形(根据2012年Google Earth影像显示老滑坡堆积体后缘发育两条张开裂缝，后缘裂缝为新滑坡的后缘边界，图5(a))，当日夜晚九寨沟地震(7.0级)发生，地震后滑坡变形加剧(8月9日)，裂缝宽度加大加深，裂缝数量增多，在滑坡前缘发现民房开裂，裂缝方向大多基本垂直于滑坡主滑方向。8月10日滑坡发生整体滑动(图5(b))，此后滑坡一直处于蠕滑变形，水平推移距离约450 m，直至11月滑坡运动逐渐趋于稳定。滑坡滑体物质为粉黏土夹块碎石及碎石土(图 5(c))。黄泥坝子滑坡破坏运动特征复杂，同时其具有多重变形运动区域，致使滑坡存在多个运动方向，按主滑方向可将滑坡分为两段：上半段滑动方向为146°，纵向长约193 m，宽约60 m，厚度约3～6 m；下半段滑动方向为128°，纵向长174 m，宽约80 m，厚度约5～18 m。滑坡高差202 m(图 6)，滑坡体中后缘相对较陡，最大宽度处为215 m，面积约7.7万m2，滑体总体积约123万m3，为一大型土质滑坡。滑坡前缘堆积区形似扇形，后缘呈圈椅状，平面整体上呈前宽后窄的长条状。

2 研究区斜坡体变形监测分析

为了全面掌握研究区斜坡体变形情况，同时实现监测区外地质灾害的识别与探测，在研究区开展InSAR技术形变监测。专业监测采用GPS位移监测，在研究区共布置6个GPS监测点，西山村滑坡设置5个点(GPS1-GPS5)，根据现场调查情况发现滑坡前缘为复活区，因此监测点布置在滑坡前缘区域，从2015年开始监测。黄泥坝子滑坡在滑坡体中部布置一处GPS监测点(GPS6)，从2017年9月16日开始监测，监测点布置如图7所示。InSAR技术的地表形变监测精度可达毫米级，通过大量SAR影像的时间序列相位形变信息的分析，能够有效实现不稳定斜坡体的识别与探测。

图5 黄泥坝子滑坡历史影像

图6 黄泥坝子滑坡典型剖面图(Ⅱ-Ⅱ’)

2.1 地表专业监测结果

地表专业监测主要采用GPS测量，监测设备可以对斜坡进行连续实时监测，并每隔5 min获取监测点的形变信息，解算结果在平面放线上的精度优于±5 mm，高程方向上的精度优于±10 mm。

根据西山村滑坡5个GPS点的位移数据分析，可发现GPS1监测点合位移明显大于其他4个监测点，同时变形量呈由坡底向坡顶逐步降低的趋势，说明西山村滑坡该阶段变形主要集中于滑坡前缘。西山村滑坡各监测部位的变形方位分别是GPS01：191.3°，GPS02：195.4°，GPS03：191.7°，GPS04：206.3°，GPS05：229.6°。滑坡变形总体方位约为200°。同时，根据监测曲线的变化趋势可以看出西山村滑坡此阶段仍处于等速蠕动变形阶段，各个监测点的形变速率基本上保持不变。根据现场调查结果分析，可知滑坡前缘坡度较陡，堆积体物质结构较为松散，在圈椅状地形影响下坡脚水体较为集中，因此坡脚形变相对于其他区域变形量较大。

图7 监测点布置图(影像数据由天地图提供)

为了监测黄泥坝子滑坡失稳后滑坡体的变形，2017年9月16日在滑坡体中部布置了GPS监测。累计合位移-时间曲线表明，滑坡体运动演化过程具有阶段性特征，即加速滑移阶段(2017/9/16-2017/10/7)、减速滑移阶段(2017/10/7-2017/12/5)、渐进稳定阶段(2017/12/5-)。由监测结果分析可知滑坡滑出后仍在向下缘滑动变形，滑坡呈现推移式滑动特征。监测结果与宏观变形现象保持一致。

加速滑移阶段：受滑坡体地质结构与地形条件，在滑坡体重力作用下整体向下运动，在这一阶段滑坡体前缘堆积体已经冲出，为后源滑坡体提供大量运动空间，使得位于滑坡体后缘的监测点监测到的运动为加速运动。

减速滑移阶段：受地形限制，滑坡体从较陡的后缘运动至较缓的中部，同时中前缘存在一处凸起的小山坡，使得中后部滑坡体运动速率急剧降低，开始做减速运动。随着前缘及堆积区滑坡体方量的增加，堆积体滑移速率滞后于滑源区滑体滑动速度，滑坡整体开始进入缓慢减速阶段。

渐进稳定阶段：随着滑坡运动能量的耗散与堆积体的停积，滑坡体逐渐趋于稳定，这与遥感影像显示结果一致。

结合以上分析可知，从滑坡开始滑动至减速阶段前期，滑坡表现出渐进后退式滑动特征，从减速阶段的后期到渐稳定阶段，滑坡呈现推移式滑动特征。

图8 西山村滑坡GPS监测时间位移曲线(合位移)

图9 黄泥坝子滑坡GPS监测时间-位移曲线(合位移)

2.2 InSAR监测成果

2.2.1 研究区数据概况

本次研究采用欧空局Sentinel-1A SLC雷达数据作为形变监测的数据源，模式为IW，极化方式为VV，时间跨度从2014年至2017年，共47景。数字高程模型采用SRTM-3数据，网格间隔为90 m×90 m。采用PS-InSAR(persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar, 永久散射体合成孔径雷达干涉测量)技术通过离散稀疏的PS点构建网格，提取可靠相位进行精准的地表形变反演[18]。其基本原理是利用覆盖同一地区的多景SAR影像，筛选出在连续时间段内相位和幅度值保持稳定的永久性散射体，并利用这些目标点的相位特性进行建模和解算，反演地表在这段时间内的缓慢形变过程和特征，具体步骤如图10所示。以2017-1-2的影像为主影像，干涉数据时间基线和空间基线分布如图11所示。为保证有足够数量的时序高相干点进行时序构网、建模以及模型结算精度，设定相干性阈值为0.7，分辨率为20 m。

2.2.2 形变反演结果分析

根据上述提出的数据处理步骤以及参数设定，解算出研究区2014年10月至2017年8月的年平均形变速率，如图 12所示。

图10 永久散射体PS处理过程

图11 数据时间基线与空间基线分布情况

图12 研究区斜坡体形变速率图

研究区斜坡体形变速率在-75～70 mm/year之间，负值代表远离卫星方向。从图中可观察到研究区共有3处区域为明显形变区，即黄泥坝子滑坡形变区、西山村滑坡形变区与西山村滑坡东侧形变区(裕丰岩变形体，疑似滑坡体)。其中，黄泥坝子滑坡形变区相对较大，最大变形处为现有滑坡区域，但其周边区域同样有着相对较大的形变。根据现场调查结果分析可知：滑坡所在斜坡体坡度较陡，坡度在34°～37°之间，同时坡体表面植被整体较稀少，坡表第四纪覆盖较为松散，为冰水堆积体，在降雨作用下易发生变形。西山村滑坡变形区仅识别到滑坡前缘发生较大变形，这与GPS监测结果较为符合。探测到的第三个形变区(疑似滑坡体)，即裕丰岩变形体，根据现场调查发现该处疑似滑坡体为一处老滑坡堆积体(图 13)，主要以碎石土、碎块石土为主，地形上整体呈现出滑坡前部较陡后部较缓的特点。现场调查结果表明：斜坡体上下游边界冲沟以及中部冲沟深切，地表及地下水排泄条件良好，不存在产生和保持高孔隙水压力的水位地质条件，地下水埋深较深，但是斜坡体目前整体坡度较陡，存在进一步下滑的可能性。

图13 疑似滑坡体照片(裕丰岩变形体)

为进一步分析研究区滑坡体形变情况，分别选取3处变形区形变点作出时间序列曲线(图14)。由Point1监测点累计位移-时间序列曲线可知：在2016年3月之前，滑坡处于蠕变阶段；2016年3月至2017年4月，变形曲线趋势呈现倾斜直线型，变形速率基本不变，滑坡处于等速变形阶段；2017年4月之后形变速率突然逐步增大，滑坡处于加速变形阶段，在2017年8月8日之后滑坡宏观变形现象逐步变得明显。西山村滑坡形变区监测点Point2显示滑坡始终处于蠕滑等速变形阶段，累计形变量为132 mm，监测点对应GPS4，GPS形变监测结果为177.91 mm，由于InSAR监测的为视线向形变，与GPS有一定误差，但变形趋势与GPS监测结果一致。裕丰岩变形体监测点Point3显示始终处于蠕滑等速变形阶段，分析其原因：1)斜坡体为老滑坡堆积体，较为松散，雨水冲刷导致一定形变；2)斜坡体存在向下蠕滑变形。

图14 监测点时序变形曲线

2.3 综合分析

根据研究现场专业监测(GPS)与InSAR形变监测结果综合分析，研究区现存有3处变形体，其中黄泥坝子滑坡已经滑出，但其堆积体在降雨作用下仍会再次滑动。同时，InSAR监测结果显示其所在斜坡体存在整体变形，西山村滑坡仍处在蠕滑阶段，但其前缘形变量较大，存在局部失稳的可能性，应建立相应的预警机制。裕丰岩变形体通过InSAR监测结果与实地调研分析，该斜坡体整体地形较陡，坡表堆积大量松散堆积物，存在一定失稳的可能，后期应对该斜坡体重点关注。

3 结论

四川省理县通化县杂谷脑河两岸，为侵蚀高山斜坡地貌，受历史地震作用影响较大，存在大量滑坡堆积体，在降雨与地震作用下存在再次启动的可能。本文以西山村滑坡区域为例，开展了专业GPS监测与InSAR监测，监测滑坡变形速率与探测新的潜在滑坡体，得出以下结论：

1)西山村滑坡仍处于蠕滑变形阶段，但其前缘变形量较大，存在局部失稳的可能，一旦失稳将会导致后缘滑坡体向前缘滑动，从而诱发整体失稳。

2)黄泥坝子滑坡失稳后其滑坡体仍在向前缘滑动，累计合位移-时间曲线表明，滑坡体运动演化过程具有阶段性特征，即加速滑移阶段、减速滑移阶段、渐进稳定阶段。

3)通过InSAR技术探测到研究区一处潜在滑坡体(裕丰岩变形体)，该斜坡体整体地形较陡，坡表堆积大量松散堆积物，方量较大，存在一定失稳的可能，后期应对该斜坡体重点关注。

4)通过以上研究表明，InSAR技术对于滑坡监测与探测具有良好的效果，因此时序InSAR技术对于滑坡灾害监测与探测工具具有广阔的前景。