基于D-InSAR技术分析的地质灾害与矿区周边地表变形关系

管 威

（成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059）

自从2018年3月30日以来，四川省自贡市荣县和内江市威远县地质灾害频发。经相关数据统计，截至2019年9月10日，两地共发生的地质灾害高达19次。对附近居民的生命财产安全造成威胁，地质灾害发生后对矿区周边地表形变探测及稳定性评估在今后预防地质灾害方面具有重要意义。

地质灾害的发生具有突发性和不确定性，基于雷达遥感数据的合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技术为灾害发生后地表形变探测提供了新的技术途径。InSAR技术是监测地壳形变的有力手段，对于研究减灾具有重要的意义[1]。InSAR技术具有全天时、全天候、空间分辨率高等特点，可以大范围、高灵敏度、无接触的观测地表变形，反演发震断层几何参数和滑动参数[2]。InSAR通过对同一地区不同时刻获取的SAR影像的相位信息进行干涉处理，并从干涉相位中提取地表形变信息，其中的地表形变信息可通过D-InSAR技术获得，测量精度可达厘米甚至毫米级[3]。基于欧洲空间局哨兵一号（Sentinel-1）雷达卫星数据，反演了断层滑动分布[4]。随着雷达卫星数据硬件的不断提升，雷达遥感在未来将会发挥更加重要的作用[5]。

本文将利用D-InSAR技术，基于降轨Sentinel-1雷达影像获取矿区地表形变情况，对荣县和威远县区域因地质灾害造成的地表形变进行探测，为地质灾害发生后稳定性评估提供有力支持，同时也为地质灾害的防治工作提供思路与借鉴。

1 研究区域和数据

1.1 研究区域

本文研究区域位于我国四川省东南部（图1），主要包含自贡市荣县和内江市威远县（经纬度范围：104.3°E～104.7°E，29.35°N～29.62°N）。研究区域地貌为盆地和丘陵，西北部地势较高，区域平均海拔500m。

图1 研究区位置

图2 用D-InSAR技术分析范围

1.2 数据

本文所采用的研究数据为Sentinel-1卫星数据。Sentinel-1卫星是ESA（European Space Agency，欧洲航天局）执行哥白尼全球观测计划所研制，由Sentinel-1A和Sentinel-1B两颗卫星组成的卫星星座，可以进行全球全天候、全天时高分辨率监测，采用C波段成像，波长约5.6cm。本文采用的是Sentinel-1数据对地观测默认成像模式为IW（干涉宽幅），幅宽为250km，地面分辨率为5m×20m。本文研究研究区域根据荣县多次地质灾害所发生的时间和范围（图2），采用25景Sentinel-1A降轨数据及对应精密轨道数据，轨道号为164。

2 数据处理

2.1 DInSAR原理

DInSAR技术的物理机制源自1801年Thomas Young设计的“杨氏双缝干涉实验”。基于此原理，利用卫星雷达沿重复轨道获取同一地区两幅影像，然后进行类似杨氏双缝干涉实验的相位干涉处理，得到干涉相位，进而从干涉相位中分离和提取出不同的相位分量。SAR影像记录了地面目标雷达回波信号的散射强度信息和相位信息，DInSAR正是利用了两幅影像斜距相位差。干涉相位Δφ由多个分量构成，主要包括参考椭球面相位Δφref，地形相位Δφtop，形变相位Δφdef，大气相位Δφatm和噪声相位Δφnoi，具体如下 ：

从干涉相位中提取Δφdef，得到地标形变ΔR，关系式如下：

2.2 处理结果

本文采用DInSAR技术，分别将2018年3月～2019年9月自贡荣县和内江市威远县的多次地质灾害发生前后的影像数据进行差分干涉处理，使用AW3D30M的30m分辨率的高程数据消除地形相位，采用自适应滤波的方法减少相位噪声，并采用最小费用流法进行解缠。最后处理得到15幅相位干涉图（图3）是缠绕在一个相位周期（-π～π）内的观测结果。

图3 干涉图

从干涉图结果中，发现”20190216～20190228”干涉结果中有一处明显形变，其他干涉图中并未发现有明显形变的地方。

3 分析

将”20190216～20190228”干涉结果解算为矿区周边地表形变值（图4），得到形变量值在-22.9mm～22.3mm之间，负值代表地表沉降，正值代表地表抬升。将形变图与断层（地质）数据结合（黑线代表断层），红色圆点代表3次地质灾害所发生的位置。

图4 20190216-20190228地表形变

如图3，Ⅰ区域为矿区周边地表形变抬升区域，面积约24km2，Ⅱ区域为地表形变沉降区域，面积约为8km2。Ⅰ区域和Ⅱ区域分别位于断层两侧，地表形变呈现相反的结果。四川省内的地震具有西强东弱的特点，荣县地处四川东部，从历史记载和实际构造来看，荣县没有发生6级以上强烈地震的构造基础。图4中地表形变结果也表明，断层东部抬升区域（Ⅰ区域）面积明显大于断层西部部沉降区域（Ⅱ区域）。

4 结语

本文利用降轨Sentinel-1雷达影像采用D-InSAR技术获取了矿区周边地表的形变。通过分析2019年02月24日、2019年02月25日的几次地质灾害：两天之内发生，深度均为5km，结果发现这几次地质灾害引起较大范围矿区周边地表的形变。因此使用DInSAR技术和sentinel-1A数据，能探测到短时间、小范围多次地质灾害所造成矿区周边区域地表形变。