InSAR技术在山口水电站滑坡体监测中的应用

郭 勇

（新疆水利水电勘测设计研究院测绘工程院，新疆 昌吉 831100）

针对地质灾害的监测，需要既能满足实现研究区域内大范围监测的基本要求，又能回溯性地实现滑坡体历史演变分析，同时还要具有足够的精度和较高的时效性来准确及时地发现可能出现灾害的重点区域，因此，我们在山口水电站滑坡体监测中采用了合成孔径雷达干涉技术（InSAR）。InSAR 技术是公认的进行地表变形调查和监测的高效手段，它可以大范围、可回溯、非接触地观测地表变形，可以克服地质灾害调查中光学遥感易受云雾遮蔽、GPS点位稀疏、地面调查通达不易等困难，极大地拓展了地质灾害信息获取的手段，在地面沉降、滑坡、地震、火山、冰川等方面的研究和地质调查领域取得了显著效果。

1 项目背景

山口水电站在运行过程中，发现库区有两处古滑坡体开始出现明显位移变化，为保证水库及流域下游的经济财产安全，地质工作人员对该滑坡体进行了细致的勘探工作，并通过现有地质资料和物探成果推测出了滑坡发生的时间及目前滑坡的状态，但是缺少更加可靠的技术手段进行验证，因此采用合成孔径雷达干涉技术（InSAR）从2014 年开始对山口水电站滑坡体变形进行监测。

2 滑坡体监测区概况及数据来源

2.1 测区概况

滑坡位于山口水电站库区。图1所示为该滑坡的监测范围。

图1 滑坡体范围

2.2 SAR数据来源

InSAR 雷达卫星数据较多，常选用C 波段和L波段的卫星数据。在密林地区L波段的效果好于C波段。Sentinel-1（哨兵1 号）雷达卫星是欧洲航天局哥白尼计划（GMES）中的地球观测卫星，由两颗卫星组成，C 波段合成孔径雷达（频率5.4 GHz），重访周期12 d。其中，IW 拍摄模式可获取分辨率5 m×20 m幅宽250 km的SAR影像数据（见表1）。

表1 Sentinel-1卫星SAR传感器主要参数表

Sentinel-1 雷达卫星影像数据作为开展InSAR监测分析的原始数据之一。分别利用差分干涉测量、小基线集干涉测量和永久散射体干涉测量等技术进行数据处理后，得到地表形变监测成果。

监测区域为避免SAR影像几何畸变的影响，所用SAR 数据为升轨Sentinel-1 数据，共计153 景，覆盖时间段为2014年10月～2021年2月。

3 技术路线及工作方法

3.1 技术路线

根据项目的总体目标，开展高精度InSAR 监测新技术，特别是新型卫星的SAR 数据、多平台和多分辨率数据处理技术，以堆叠技术和增强型SBAS InSAR 集成时序分析为主要技术手段，应用雷达数据对布尔津滑坡区域进行监测。查明并掌握山口水电站滑坡区域地质灾害变形量级和特征，建立山口水电站滑坡区域灾害变形场，为下一步的灾害防治和预警提供基础信息。本项目采用的主要技术路线如图2所示。

图2 SBAS-InSAR时序分析提取地表形变技术路线图

3.2 工作方法

根据研究区范围，制定SAR 卫星数据获取计划，以干涉图堆叠技术和增强型SBAS InSAR 集成时序分析为主要技术手段，利用干涉图堆叠方法实现大变形区快速定位，通过增强型InSAR 时序分析方法获取的地表形变时间序列结果，通过实地观测资料验证，结合地质资料，对工作区域内沉降区进行综合分析，具体方法及步骤如下：

（1）以山口水电站滑坡区域为工作区对象，制定合理的SAR 数据获取计划，同时收集工作区DEM，作为遥感形变监测的主要数据源。

（2）遥感形变监测前的预踏勘与形变监测后实地踏勘验证相结合。

（3）组织专业技术人员，根据本项目收集的地质、水文资料及卫星遥感监测成果撰写项目成果报告，参考相关的测量规范、遥感数据处理规范、地质勘察规范评定所获取的监测成果，给出相应的监测精度及相关指标参数，为进一步的规范制定和大范围勘察作技术储备。

（4）注意跟踪国内外同类工作的最新发展，学习国内外先进技术。对于国内外已发展的并在应用中已被证明是有效的方法，尽可能地加以利用。注重与国内外同行的技术交流与协作，引进和利用国际先进技术和经验，以保证工作成果的完整性和先进性。

（5）加强项目工作的组织和协调，保证在数据详实、主要技术问题明确的基础上开展调查与监测工作。工作中需取得各级自然资源职能部门，有关环境部门、城市发展与建设部门及矿山开发部门支援配合工作，共同取得真实、可靠的认识、调查成果和评价。

4 形变监测结果及验证

图3为山口水电站滑坡153景SAR数据计算获得的2014 年10 月～2021 年2 月地表形变速率图。从图3 可以看出，山口水电站滑坡区域这段时期内最大形变速率在雷达视线方向达到-78.4 mm/a。期间共有6 个变形体被探测到，对这6 个变形体进行了剖面分析，发现变形体3和4形变量最大，在这段时期内最大累计形变量达-614.7 mm。

图3 地表形变速率图

为了对合成孔径雷达干涉技术（InSAR）的监测成果进行验证，使用传统监测方法，在滑坡体上布设6条监测断面共埋设20个监测点，使用TS60测量机器人采用极坐标差分法定期对滑坡体进行监测分析，经对比，其监测结果与InSAR 技术成果相比具有一致性（见图4）。

图4 InSAR技术监测与传统监测结果对比分析图

5 结语

山口水电站滑坡2014年10月至2021年2月一直呈周期性缓慢形变，最大累计形变量达-614.7 mm，最大形变速率达-78.4 mm/a，可见最大形变体一直处于持续的形变状态。因此必须基于监测结果开展实地调查，收集水电站数据、地面测量数据及地质构造背景等资料，开展InSAR 监测结果的解译工作，及时发现隐患，及时规避风险。

针对山口水电站滑坡区域地质灾害现状，应加快构建山口水电站滑坡区域基于多种技术的主动应急灾害风险评价体系，建议：

（1）基于历史存档数据，开展重点区域的历史形变特征分析，获取重点形变区形变演变历史过程，充分利用已获取的数据，进行信息挖掘。

（2）InSAR技术对地面形变的监测在空间上是外部，在时间上处于形变阶段的后期，属于形变表现特征的监测；地面以下的地质体形变在空间上是内部，在时间上处于形变阶段的前期，属于形变本质。因此对诱发滑坡的要素进行关联分析非常必要，InSAR 结果与库区水位、降雨、温度等进行相关性分析，查明滑坡形变的主要外部诱发因素。将In-SAR监测技术与传统监测技术相结合，可形成优势互补，实现滑坡形变监测覆盖范围最大化和灾害孕育-发展-至灾的全过程监测、预警。