斜坡InSAR变形监测效果野外判定方法研究

梁京涛 赵聪 王军

摘要：InSAR技术凭借其在地表形变监测方面的优势，已逐渐广泛应用于地质灾害领域。但由于气候条件、茂密植被以及山区地形起伏过大等因素限制，地质灾害InSAR变形监测的应用范围及效果仍存在一定局限性。为有效评估InSAR变形监测在某区域应用效果优劣，亟需建立较为系统的野外调查判定标准，以便于批量快捷开展InSAR变形监测结果野外调查评估工作。从斜坡表部变形特征和孕灾地质环境条件两个方面总结了野外调查内容，建立了一套斜坡InSAR变形监测效果野外判定标准方法，并选取了滇西北地区典型实例，阐述了该套方法的具体应用流程。研究结果表明：① 野外判定内容包括斜坡表部变形特征和孕灾地质环境条件两个方面，其中斜坡表部变形特征是野外判定内容的核心，而孕灾地质环境条件则是地质灾害发育的基础条件。② 该套方法依据肉眼以及简易测量等手段，实现了滇西北地区斜坡表部变形特征的快速识别，应用效果较为理想，适宜于开展大批量斜坡InSAR变形监测效果快速评估。

关 键 词：斜坡地表形变; 地质灾害; InSAR监测; 野外调查; 滇西北地区

中图法分类号： P642.22   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.019

0 引 言

InSAR是近年来逐步发展起来的一门对地观测技术，最早应用于获取高精度的地形数据[1]。Gabriel等[2]于1989年首次发现利用InSAR技术可以获取厘米级精度的形变，但是并没有引起足够的重视。直到Massonnet等[3]通过ERS-1数据获取了1992年Landers地震的形变场，引起了国际地震界的震惊，此后InSAR获取形变技术才得到了广泛的关注。随着InSAR技术的不断发展，该技术已逐步引入于地面沉降、滑坡等诸多地质灾害形变监测中来[4-7]，现已成为地质灾害早期识别领域主要技术手段之一。

目前，基于InSAR技术开展地质灾害的应用研究主要集中在不同类型雷达卫星数据对比[8]、不同干涉处理方法对比[9-12]、典型区域应用[13-14]等。相比而言，在滑坡InSAR变形监测效果评价及野外判定方法方面的研究文献较少。在野外调查中，由于肉眼对斜坡微变形（毫米级）观测能力较弱甚至无法感知，此项工作一直很少涉及。虽然借助仪器可以现场测定，但是耗时耗力，效率低下且成本较高，不适用于大批量InSAR变形监测点快速复核。因此，如何进一步提高效率，方便快捷地开展InSAR变形监测结果批量验证，是无法回避的技术问题，需要进一步研究。

对于地质灾害隐患的InSAR监测而言，变形证据能否在野外有效获取，直接关系到监测效果的优劣和该项技术的推廣应用。目前，对地质灾害隐患InSAR变形监测结果的野外复核内容主要集中在变形有无、变形程度大小、变形出现时间与InSAR监测时间是否一致、斜坡表部变形现象之间关联分析及斜坡稳定性判定等方面。查阅国内外文献和现有InSAR行业规范可知[15]，该部分内容和方法未得到明确。基于上述原因，笔者结合近年InSAR监测效果野外工作实践，将野外调查中存在的问题和解决方法进行了初步总结，供同行参考。

1 野外判定内容

InSAR变形监测结果以矢量化图形信息为载体，其干涉图借助DSM可以实现3D表达，包含了空间信息和时间信息两个方面。其中空间信息包括变形区位置、位移方向、变形尺度等;因数据处理方法不同，时间信息包含内容略有差异，包括变形起止时间、持续时间、随时间表现出的变形特征等。

1.1 野外判定内容分类

根据监测对象不同，InSAR变形监测内容主要包括两部分。① 不考虑地质灾害要素条件，仅针对斜坡变形特征与InSAR监测结果吻合程度进行复核，包括是否存在变形、变形程度大小和变形时间特征。② 考虑地质灾害的要素条件，除了斜坡变形特征外，还包括斜坡临空条件、物质组成及威胁对象等孕灾地质环境条件。后者是形成地质灾害的必要条件，直接影响地质灾害识别的有效性。

为考虑地质灾害InSAR监测识别的准确率和有效性，野外判定内容应包括变形特征和孕灾地质环境条件两个方面。其中变形特征是野外判定内容的核心，同时也是前提条件。一般来说，斜坡如果未见明显变形特征，则可以不进行孕灾地质环境条件验证工作;如果只有变形特征却不具备孕灾地质环境条件的斜坡，则不属于常规地质灾害隐患范畴，变形特征没有实际意义。

1.2 变形特征

斜坡变形特征包括空间变形信息和时间变形信息两个方面。空间变形信息主要包含以下6个方面：① 斜坡表部裂缝的类型、数量、规模、组合、性质;② 斜坡表部固定建筑物如房屋墙面、院坝及地基开裂破坏情况;③ 斜坡表部线性工程如道路、水渠拉裂变形情况;④ 斜坡下坐程度、表部溜滑或局部滑动变形等;⑤ 斜坡表部植被树木破坏情况;⑥ 斜坡已有工程如挡墙、抗滑桩、拦石墙、防护网运行及破坏情况等。时间变形信息包括斜坡变形出现时间、持续时间、结束时间及其与监测周期的吻合性等。

1.3 孕灾地质环境条件

孕灾地质环境条件主要指形成地质灾害的临空条件、物质组成及激发因素。临空条件包括斜坡高度、坡度、走向、坡向、平面形态、剖面形态等微地貌特征;物质组成是地质灾害形成的载体，斜坡出露的地层岩性、产状及斜坡结构特征，是地质灾害发生与否的内在条件;激发因素主要指周边人类工程及经济活动类型，包括农户修建房屋、修建公路、水渠、土地整理、工程开矿、隧道开挖、开垦耕地等。

2 野外判定方法

2.1 野外调查验证方式

通过野外实地调查、目视判定、简易设备测量和访问等形式开展。调查通过携带GPS定位加图纸位置识别的方式，基于目视观测进行，同时需要借助卷尺、罗盘等少量测量设备，以现场徒步穿插的形式沿路观察、记录描述，记录方式包括相机拍摄、无人机航空摄影、现场文字记录等。在寻找变形证据的同时，兼顾周边地质环境调查。在野外调查工作开展之前，应尽量收集工作区已有地质灾害资料，对于现场调查未见明显变形特征的点，尽可能寻找当地群众进行访问复核，以保证调查精度。

2.2 斜坡变形程度量化及划分类别

InSAR监测变形区斜坡变形类型多样、变形程度大小不一。为了评价InSAR监测效果，便于理解和统计分析，本次研究在综合考虑斜坡表部滑动特征、裂缝发育特征、固定建筑物、线性工程变形程度、植被发育特征及已有工程破坏程度因素的基础上，将斜坡变形程度分为明显变形、轻微变形、未见明显变形三类，并根据每一个因素具体发展程度，进行指标量化、综合分类（见表1）。

2.3 变形时间获取

斜坡变形起止时间与监测周期吻合程度是滑坡早期识别的重要环节。在野外调查过程中，斜坡变形时间主要通过现场实地调查和访问当地群众两种方法获取。现场调查主要依据变形新鲜程度、发展趋势、表部植被覆盖情况等，来推断斜坡变形时间。以拉张裂缝为例，可通过裂缝张开度、深度、植被和泥土填充情况进行判断，如裂缝张开度良好，具有一定深度且裂缝内部无明显填充物质，可判定为新鲜裂缝，为近期发生;如裂缝明显闭合、裂缝内部被明显填充，周边植被恢复，仅留下坐台坎，则该裂缝时间较长，为早期发生;如若进一步判定裂缝发育的具体时间，则需要借助多期光学影像或进一步走访周边当地村民。一般来说，调查访问周期要涵盖InSAR干涉像对起止时间，同时还要适当外延，进一步确定变形发生时间与监测周期吻合度。

2.4 InSAR变形监测效果评价

InSAR变形监测效果的优劣，需要通过斜坡有效变形率来进行量化。所谓有效变形指经过野外判定，斜坡在监测周期内发生变形，且具备发展成为滑坡的孕灾地质背景条件。仅发生变形而不具备孕灾地质环境条件或变形时间不在监测周期之内，均为无效InSAR变形。一般而言，人类工程活动是造成无效变形的主要影响因素，比如开挖坡脚、修建公路、平整地基、土地整理、人工堆积弃土弃渣等。

斜坡有效变形率可以用该区域InSAR监测的有效变形斜坡数量与InSAR解译的斜坡总数量之比来确定，如式（1） 所示。若该区域InSAR监测的有效变形斜坡越多，则斜坡有效变形率越高，即该区域InSAR变形监测效果越理想。R=Ne（Ne+Nv）×100%

式中：R为有效变形率;Ne为有效变形斜坡的数量;Nv为无效变形靶区的数量。

3 典型实例验证

3.1 典型明显变形斜坡野外识别

以车邑坪滑坡InSAR形变监测点为例，该点位于云南省怒江傈僳族自治州兰坪县石登乡车邑坪村，距离黄登水电站坝址沿江公路里程约39 km，地理坐标为N 26°18′31″，E 99°07′27″。采用Stacking-InSAR技术的Sentinel-1数据（监测周期为20170202～20191202）干涉结果提示该区域疑似存在变形（见图1）。根据孕灾地质背景条件分析，该区域属于高山河谷地貌，斜坡坡度为20°～30°，地表第四系（Q）覆盖层分布较广，下伏基岩为侏罗系中统花开左组（J2h），岩性为砂泥岩加粉砂岩;临江附近有区域性次级断裂通过，具备滑坡发育的地质环境条件。

对该点室内InSAR解译变形区展开现场调查，该斜坡位于澜沧江黄登水电站库区左侧，斜坡中部发育两条较大规模冲沟（1号冲沟和2号冲沟），斜坡前缘坡脚位于黄登水电站库区蓄水位线以下，两条冲沟之间坡体为主变形区，斜坡体表部公路下部发育多条拉张裂缝，多为2019年6月水库蓄水位变化过程中产生，裂缝主要位于斜坡中前部，以拉张裂缝为主，裂缝的产生多伴随斜坡地面沉降、浅表层溜滑等，裂缝形态多呈弧形或圈椅状展布。斜坡中部公路两侧为车邑坪村农户聚集区，多处房屋墙体及院坝可见拉裂破坏，裂缝宽度2～10 cm不等（见图2）。

综合分析可知，该斜坡表部多条裂缝成规模发育，坡体表部房屋多处拉裂变形，且斜坡发生形变时间正好处于InSAR监测周期内。根据表1斜坡变形程度量化及分类，该斜坡变形程度属于明显变形。该滑坡属于水库蓄水后形成的外动力地质作用引发的古滑坡复活，滑坡活动性高，InSAR变形区解译正确。该滑坡现处于基本稳定状态，在暴雨、水位骤降、地震等不利工况下发生进一步变形失稳可能性大。

3.2 典型轻微变形斜坡野外识别

以独家村三组滑坡InSAR形变监测点为例，该点位于云南省怒江傈僳族自治州兰坪县中排乡独家村三组，地理坐标为N 26° 51′26″，E 99°10′25″。采用Stacking-InSAR技术的Sentinel-1数据（监测周期：20170202～20191202）干涉结果提示该区域疑似存在变形（见图3）。该区域孕灾地质背景条件与车邑坪滑坡相似，属于高山河谷地貌，斜坡平均坡度25°，地表第四系（Q）覆盖层分布较广，下伏基岩为侏罗系中统花开左组（J2h），岩性为砂泥岩加粉砂岩，同样具备滑坡发育的地质环境条件。

进一步对该点进行了现场调查。该斜坡位于澜沧江黄登水电站库区右侧，整体平面形态呈圈椅状，斜坡坡体后缘略微下凹，中前部外凸挤压明显，剖面形态呈阶梯型，具备较为典型的滑坡地貌特征。该斜坡坡脚至坡体上部盘山公路水泥路面普遍开裂，最大拉伸宽度1～2 cm，长约20～100 m不等，局部路段路面横向拉断（水泥路面于2020年4月重新补修，原裂缝于2020年9月现场调查期间未见进一步開裂现象）。此外，斜坡体中后部房屋普遍存在小规模轻微开裂迹象，裂缝宽度多小于0.5 cm，长度5～20 m不等（见图4）。访问当地农户可知，坡体表部公路及房屋裂缝集中出现于2018年黄登水电站库区正式蓄水后，推测该处斜坡的变形与库区水位变化紧密相关。

综合分析可知，该斜坡表部公路路面出现多条小规模裂缝，居民房屋轻微开裂，且斜坡发生形变时间正好处于InSAR监测周期内。根据表1斜坡变形程度量化及分类，该斜坡变形程度属于轻微变形。该处斜坡属于库区蓄水位变化引发的滑坡，滑坡活动性中等，现处于基本稳定状态，威胁黄登水电站库区以及滑坡体表部的农户、乡村公路，潜在风险较高。

3.3 典型未见明显变形斜坡野外识别

以福坪村斜坡InSAR形变监测点为例，该点位于云南省怒江傈僳族自治州兰坪县金顶镇福坪村，地理坐标为N 26°27′16″，E 99°26′58″。采用Stacking-InSAR技术的Sentinel-1数据（监测周期：20170202～20191202）干涉结果提示该区域疑似存在变形（见图5）。根据孕灾地质背景条件分析，该区域属于中山地貌，斜坡平均坡度约15°，斜坡两侧发育冲沟，坡体表部广泛分布第四系（Q）覆盖层，下伏基岩为三叠系上统三合洞组（T3s），岩性为灰岩夹泥灰岩、砂岩，斜坡前缘处有区域性次级断裂通过，断裂走向近南北向，该点具备滑坡发育的地质环境条件。

进一步对该点进行现场调查，该斜坡位于兰坪县城东侧，距离约2 300 m，整体平面形态呈舌形，斜坡坡体后缘略微下凹，坡体中部为福坪村农户聚集区，前部及后部可见大量光伏发电板分布。根据现场调查，该斜坡区域内水泥公路、房屋、空心砖墙体以及田间小路均未见明显裂缝以及局部溜滑、垮塌等变形迹象发育，访问当地村民得知，近5 a来斜坡区域内均未见明显变形现象（见图6）。该斜坡现整体处于稳定状态，由于该电站于2019年12月建成完工，大规模人类工程活动时间正好处于InSAR监测周期内，因此，InSAR形变解译异常推测与修建光伏发电站的人类工程活动相关。

综合分析可知，该斜坡表部未见局部滑动迹象，建筑物、公路等均完好，未见明显裂缝发育，根据表1斜坡变形程度量化及分类，该斜坡变形程度属于未见明显变形。

4 讨 论

（1） InSAR技术已逐渐广泛应用于地质灾害隐患识别调查领域，国家、省部级等相关部门也大力推行各种不同方式类型、不同精度的地质灾害隐患InSAR监测识别项目，取得了较为理想的应用效果。同时也认识到由于受气候条件、茂密植被以及山区地形起伏过大等因素限制，地质灾害InSAR变形监测应用范围及效果仍存在一定局限性[16]。评估某种技术手段或处理方法在地质灾害隐患识别调查中应用效果的优劣，需要结合野外调查工作来进行验证。此外，由于InSAR处理过程中不可避免地会存在一些误差，InSAR监测变形数据不能等同于斜坡变形的直接证据，同样需要野外调查工作进行辅助评估。因此，对于地质灾害隐患识别而言，基于“变形靶区”的微变形InSAR监测和斜坡宏观变形特征野外调查获取相结合，或许能得到更好的识别效果。

（2） 本文所论述的斜坡InSAR变形监测效果野外验证方法，主要是基于简易测量手段以及肉眼对斜坡变形特征可以识别判定的前提下开展的。在野外调查验证工作中，必然也存在着少量简易测量手段和肉眼無法识别的斜坡微变形，一定程度上影响了验证精度和监测效果评估。

5 结 论

（1） InSAR变形监测信息包含了空间信息和时间信息两个方面，对室内监测结果的野外复核应围绕这两个方面信息展开。考虑到地质灾害InSAR监测的准确率和早期识别效果，野外判定内容应包括斜坡表部变形特征和孕灾地质环境条件两个方面，其中斜坡表部变形特征是野外判定内容的核心，孕灾地质环境条件是地质灾害早期识别的必要条件。

（2） 斜坡InSAR变形程度可以分为明显变形、轻微变形、未见明显变形三类，划分标准可在参照斜坡表部滑动特征、裂缝发育特征、固定建筑物、线性工程变形特征、表部植被发育特征及已有治理工程破坏程度因素的基础上，量化指标，定性分类。

（3） InSAR变形监测效果的优劣，可通过斜坡有效变形率来进行量化。斜坡在监测周期内发生变形，且具备滑坡的孕灾地质背景条件的为有效变形;仅发生变形而不具备孕灾地质环境条件或变形时间不在监测周期之内，均为无效InSAR变形。

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（编辑：刘 媛）