SBAS技术在迪庆藏族自治州北部地表形变监测中的应用

那 静

(广东省有色金属地质局九三三队， 广东 肇庆 526060)

迪庆藏族自治州位于云南省西北部，滇、藏、川三大省份的交界处，区域的平均海拔为3 380 m，云南省迪庆藏族自治州共辖3个县级行政区。地质健康与环境稳定是经济快速发展的基础保障，需要对迪庆藏族自治州北部进行安全监测工作，并科学地进行灾害预警和防护[1-2]。区域的矿产资源丰富，矿区山高坡陡，沟谷纵横分布，同时伴随地质构造发育、新构造运动强烈，造成一定程度的岩层破碎，在松散固体物质储量丰富、植被条件较差的环境背景条件下，容易引发山区沟谷泥石流、山体滑坡等自然灾害[3]，灾害威胁到了人类生产生活、矿区安全、路网扩建和社会发展进步，对于云南省迪庆藏族自治州北部的地表安全监测至关重要。

过往对于区域大范围的监测技术主要以传统点位监测技术为主[3-5]，受限于不稳定的天气环境和复杂的空间环境，同时，也要投入繁重的人力劳动资源。近年来，随着合成孔径雷达干涉测量技术的成熟和雷达卫星高分辨率SAR数据商业化的发展，遥感雷达卫星可以对地进行全天时、全天候的观测成像[6-9]，通过对地表观测数据进行处理分析，获取地表形变信息，现在已经广泛应用于大范围地表监测研究和预警抗灾工作中[7-10]。 本文通过小基线集干涉测量 (Small Baseline Subset, SBAS)技术处理37景雷达卫星影像数据，将云南省迪庆藏族自治州北部作为研究目标对象，获取范围地面的地表形变信息。基于区域的地质资料和卫星影像对云南省迪庆藏族自治州北部地表形变进行分析推断，为地表形态安全、自然环境保护和区域发展建设做好监测保障工作。

1 研究数据

1.1 区域概况

迪庆藏族自治州位于云南省西北部，滇、藏、川三大省份的交界处，青藏高原伸延部分南北纵向排列的横断山脉，金沙江、澜沧江、怒江三江并流国家级风景名胜区腹地，澜沧江和金沙江自北向南贯穿全境。云南省北部矿产资源丰富，矿区山高坡陡，沟谷纵横分布，同时伴随地质构造发育、新构造运动强烈，造成一定程度的岩层破碎，在松散固体物质储量丰富和植被条件较差的条件下，多期性的山区沟谷泥石流极易发生。进入雨季和山洪暴发期间，维西县、德钦县澜沧江沿线有一定几率发生大规模泥石流并且造成严重的地质灾害。随着迪庆藏族自治州北部的人类活动、工商业生产日益频繁，泥石流暴发的频率、规模越来越大，灾害碎石越来越严重，致使区域地质环境造成的负面影响不断扩大，伴随着泥石流沟谷水土流失不断加剧[11-13]。

1.2 SAR数据

研究采用干涉宽幅(IW)模式的Sentinel-1A(S1A)雷达卫星成像的影像，连续提供C波段的雷达卫星SAR影像数据。C-SAR传感器优势在于其适用于任何天气和气候条件，穿透雨云，实现全天候对地球表面进行成像，监测地表精细形变(mm级)[14-15]，包括干涉宽幅(IW)、条带(SM)、超宽幅(EW)以及波(WV)这4种不同类型的观测模式，成像区域广阔，地面分辨率高，监测数据覆盖范围充足。

针对区域山峡山川密布、乡县分布坐落规律、雪山群和大型淡水湖泊分布状况，研究选取了迪庆藏族自治州北部区域获取大范围雷达遥感监测影像，对德钦县北部和香格里拉县北部进行了地表形变长周期监测。监测总面积约为17 830 km2。为保证综合研究效率和针对云南省北方区域监测覆盖的时间跨度范围，研究所采用的卫星影像数据每隔12 d或24 d获取一景S1A卫星影像，共计37景影像，干涉宽幅(IW)模式的数据幅宽为250 km，地面分辨率为5 m×20 m。总周期为2018年1月12日至2020年2月19日，监测范围如图1所示。

图1 迪庆藏族自治州北部监测卫星影像覆盖范围

1.3 相关参考数据

针对Sentinel-1A卫星获得的影像，进行干涉处理前，需要精密定轨星历数据(Precise Orbit Determination,POD )和参考数字高程模型(DEM)。

精密轨道数据信息是InSAR数据处理中非常重要的信息,从最初的图像配准到最后的形变图像生成都有着重要的作用。本研究在干涉处理工作中，选择了AUX_POEORB精密星历轨道参数进行匹配修正。含有误差的轨道信息造成基线误差以残差条纹的形式存在于实验干涉图。因此，对轨道信息进行修正需要用到卫星精密轨道数据，可有效去除因轨道误差引起的系统性误差。

研究选用了由PRISM(全色立体测绘仪)传感器采集的35 km×35 km光学影像所生产的高精度数字地表模型作为数字高程模型(DEM)，此传感器搭载于JAXA(日本宇宙航空开发机构)联合美国RESTEC公司，采集自日本发射的ALOS卫星，DEM的平面以及高程精度均达到5 m，其数据产品覆盖范围包含世界全部陆地范围[9]。由于AW3D产品采用光学影像使用立体像对反演地表高程，解决使用InSAR干涉技术进行高程反演的时候由于干涉图失相干所导致的数据缺失以及空洞问题，在沉降监测数据处理中，需要进行去平地效应和地形相位的估计以及去除，所以轨道误差的估计以及去除等操作将采用DEM。本次针对迪庆区的地表形变监测研究采集的DEM数据范围覆盖区域完整。

2 技术与流程

SBAS方法是由Berlendino等学者提出的反演方法，这种方法是基于D-InSAR 技术，对InSAR监测获得的地表形变速率时间序列反演方法。SBAS的主要处理步骤如下：

1)组合干涉对。本文实验通过时间和垂直基线阈值的设置，对干涉影像对数量进行控制，以提高结果的精确度和可靠性。将干涉对按照时间、空间基线设置阈值内进行组合，生成干涉对影像，图2为区域监测干涉对的时空基线图。

图2 干涉对时空基线图

2)干涉工作流。干涉工作流是SBAS技术处理干涉对过程中一项重要的工作流程。研究选取时间序列SAR影像中的一幅影像作为公共主影像(Master Image)，其余为从影像(Slave Images)。对组合的干涉影像对进行影像配准、相干图生成、滤波以及相位解缠等处理工作。

3)轨道精炼调整与重新去平地效应。通过轨道精炼调整与重新去平地效应，对上一步干涉工作流的结果进行估计和消除残余轨道相位。

4)SBAS反演。SBAS第一步反演工作，将进行初级的形变速率和大气效应的估算，并且优化干涉对的解缠结果精度，提高干涉测量的效果。在初步反演的基础上，进行SBAS第二步反演是进行改正、精准计算形变时间序列中不同阶段的形变速率。随后进行干涉对的低通滤波工作，并且去除大气相位屏，进一步提高干涉测量的结果精度。

5)地理编码。SBAS技术获得形变场后会进行地理编码工作，其步骤是将形变速率结果投影至目标定义的方向上，将该地区时间序列的沉降速率图和沉降时间序列结果匹配坐标系呈现出来。

3 监测结果分析

3.1 区域整体形变情况分析

研究共采用37景Sentinel-1A雷达卫星SAR影像进行SBAS数据处理，处理的时间范围从2018年1月12日至2020年2月19日,共计26个月的监测周期。通过SBAS反演获取了研究区域形变速度场，并分析获取平均形变速率结果。由区域形变量示意图3可以看出，区域平均形变量处于-8～8 mm内，整体的地表形变情况处于稳定状态。在局部地区发现几处明显的下沉现象，最大沉降量达106 mm，最大抬升量为81 mm。

图3 迪庆藏族自治州北部平均形变量

在研究中，发现的重点明显形变区域位置包括乡县居民区、重要道路桥梁、山脉区域、沟谷陡坡、岩壁石山等等，持续地表沉降覆盖的区域对环境发展、工业生产、建构筑物安全、人民生活等方面会造成负面的影响。区域的总体概况中，人类活动区域和大部分山脉区域较为稳定，较多的沉降发生区域集中在区域中部和东侧的沟谷密集区域。根据迪庆藏族自治州北部地理区位因素，在研究中选取多个观测稳定的区域点位和多个发生明显沉降的重点监测区域进行监测分析。其中重点山区监测明显形变的区域(Deformation Area)包括两处区域、观测稳定的区域(Stable Area)一处区域，以及重要国道沿线监测一处区域，详见重点监测区域示意图4，并根据各个区域的综合条件设定了采样点进行时间序列分析。

图4 迪庆藏族自治州北部重点监测区域

3.2 重点监测区域分析

1)香格里拉东旺乡监测区域。通过监测，重点沉降区域1的云南省与四川省交界处附近发生较为严重的地表形变现象。此区域位于云南省香格里拉东旺乡与四川省甘孜藏族自治州乡城县交界处附近，地处横断山脉断层地带。据土地资料查阅，区域附近雪峰林立，河谷纵横。沉降区域集中在山脉陡坡处。发生严重沉降3 km范围内包含S217重要道路。此处平均最大沉降量为-106 mm。由区域遥感卫星影像沉降区域图5可见，此区域内坡体陡峭，极易发生滑坡、落石等灾害。由区域内选取的3个采样点#DQ01、#DQ02、#DQ03的时序分析图6可见，最大累计沉降量分别可达到-130 mm、-121 mm、-118 mm，沉降速率快，呈现持续沉降的趋势，其在迪庆州北部的全部观测区域内为沉降形变最严重的采样点位。应予以关注和持续监测，以防止地表沉降灾害对生态环境可能带来的影响和伤害。

图5 香格里拉东旺乡沉降区域图

图6 香格里拉东旺乡区域采样点时间序列图

2)德钦县压寨雪山监测区域。在德钦县压寨雪山监测区域附近的重点沉降监测区域2的区域，发现范围较大的地表形变现象。由Google Earth卫星数据影像针对滑坡的特征随时间变化的特性，解译发现山区中存在滑坡后壁特征和滑坡体特征。根据区域位置和地理海拔分析，由冰雪消融和不稳定山体碎石影响导致发生滑坡概率极大。区域内沉降范围较大，沉降量不均匀，沉降速率相对较快，平均累计沉降量达-73～-90 mm。伴随周围区域地表抬升，错位变化可能导致存在断层、裂缝等严重的地形变化。在沉降严重区域选取采样点，由沉降区域范围图7中山体形变处分别选择了5点#DQ04、#DQ05、#DQ06、#DQ07、#DQ08进行时序监测。通过时间序列分析图9，采样点#DQ04、#DQ06、#DQ07在监测期间内最大累计沉降量分别为-75 mm、-72 mm、-129 mm。#DQ05、#DQ08采样点则位于蓝色累计形变区域内，其形变较为平缓，受到地表变化影响较小。

图7 德钦县压寨雪山区域沉降范围图

图8 德钦县压寨雪山区域卫星影像图

图9 德钦县压寨雪山区域采样点时间序列图

根据影像图8分析，区域内植被覆盖稀少，岩石长期裸露，地势陡峭，松散碎屑堆积。此类堆积体在雪山消融时存在易滑、塌陷的灾害隐患。采样点#DQ04、#DQ07两处的沉降区域在下沉过程中受到扰动因素干扰，具体扰动因素需进一步调查和分析。

3)德钦县县城中心居民区监测区域。针对迪庆州北部的地表形变监测，除了重点沉降区域，研究还对稳定的区域进行研究分析。在德钦县县城中心居民区附近，由InSAR干涉测量技术监测结果由形变范围图10可见，居民区域以及其附近道路区域范围内较为稳定。在县城中心区域选取采样点#DQ09、#DQ10进行时间序列分析，由时序图11可见，总体的地表形变量不超过±7 mm。此稳定区域内坐落大量的生活居民区和城市道路，同时也紧邻重要交通路网。应持续对区域进行监测管理，以保障区域地质“健康”与稳定，排查安全隐患。

图10 德钦县县城中心区域地表形变范围图

图11 德钦县县城中心区域采样点时间序列图

4)214国道云南德钦段监测区域。214国道云南德钦段沿线地形复杂，气候高寒，被人们视为险道畏途。由InSAR干涉测量技术对云南德钦其中一段倚靠山区的道路进行监测，监测结果由形变范围图12可见，道路区域范围内较为稳定，小部分地方呈现形变影响。在区域中选取采样点J#DQ11、#DQ12进行时间序列分析，由时序图13可见，总体的地表形变量不超过±5 mm。道路路面较为稳定，无明显形变影响。应持续对道路进行监测管理，排查隐患，保障道路运行安全。

图12 214国道云南德钦段区域地表形变范围图

图13 214国道云南德钦段区域采样点时间序列图

4 结 论

本文将SBAS技术运用于迪庆藏族自治州北部的地表形变监测工作中，获取研究区域的地表形变速度场，对重点山区、县城、道路进行了监测与安全隐患排查工作。针对迪庆藏族自治州北部共圈定了4处重点监测区域，发现的重点明显形变区域位置包括山脉区域、沟谷陡坡、岩壁石山等等，持续地表沉降覆盖的区域对环境发展、工业生产、建构筑物安全、人民生活等方面会造成影响和损失。大部分山脉区域的总体概况较为稳定，较多的沉降发生区域集中在区域中部和东侧的沟谷密集区域。

在进行时序分析后，得出各采样点的形变状况。山脉区域的沉降点呈现持续沉降的趋势，坡体、岩壁、泥石流高发区域等地区的沉降点呈现不稳定的沉降规律，需进一步针对重要沉降区域进行监测工作和研究分析，做好应急预案处理。频繁的交通路网工程建设施工、大规模的基建建造、山区矿产开发作业等都有可能对地质造成一定的影响[11]。为使迪庆藏族自治州北部发展规划与环境稳定得到进一步的保护，进一步促进山区环境改造发展，对地表的长期精密监测是至关重要的，以此最大限度地减少持续的地表沉降覆盖区域对工业、农业生产、环境发展、人民生活等方面造成的破坏和损失。

本文在迪庆藏族自治州北部的监测研究中，对于SBAS技术的运用，在未来对于类似地区研究可以进行技术参考和对比分析。随着InSAR技术的发展、卫星遥感技术优化和我国在该领域的研究进步[12]，使用InSAR技术对大范围区域进行监测，反演获得地表形变速度场，能够更快速定位区域发展环境限制条件，针对地表形变分布监测提供具有更高时效性、精确性、可靠性的地表形变信息。