SBAS-InSAR干涉技术在滑坡早期识别中的应用研究

宋来臣 庞凤波 李秀娟

（1.紫金矿业集团股份有限公司西藏巨龙铜业有限公司；2.紫金矿业集团股份有限公司新疆紫金锌业有限公司）

滑坡、崩塌、泥石流是自然灾害中常见的三大灾害，与人类的生活、生产活动息息相关，而其中的滑坡是人类面临的主要自然灾害之一。我国四川西南地区都属于海拔较高的高山地貌，复杂的构造应力和强烈的外动力地质营力形成了松散碎屑堆积物，这为滑坡提供了充足的物源，加上复杂的构造应力和多变的自然天气，使得西南山区地形复杂多变，且滑坡崩滑破坏区域较大，往往难以防范。所以在西南地区乃至全国对于滑坡早期形变的识别对滑坡预警研究有着重要意义。

滑坡预警研究一直备受关注，目前国内外运用合成孔径雷达干涉测量和差分干涉测量技术对滑坡进行研究是近年来国际遥感界的一个研究热点［1］。不同的监测技术对于边坡的稳定性监测，在预防滑坡事故中起到了关键作用［2-5］。其中，SBAS-InSAR干涉技术可实现对被监视区域的全天时、范围广、非接触、高精度、时空连续的远程监测［6］。为此，以理县通化黄泥坝子滑坡为例，介绍SBAS-InSAR 干涉分析方法，根据InSAR形变监测结果初步分析讨论滑坡体滑前破坏模式，验证时序SBAS-InSAR 干涉技术在滑坡早期识别应用中的可行性。

1 研究区域概况

1.1 地形地貌

理县通化乡位于四川成都北西侧约160 km，位于成都市北偏西30°直线距离约125.8 km，位于德阳市北偏西62.5°直线距离106.3 km。理县位于四川盆地西侧，属于四川盆地与青藏高原接壤地带，是典型的中山峡谷和高山峡谷。研究区域内有一条杂谷脑河（属于岷江一级支流）自西北入，东南向再折向东流，研究区域黄泥坝子位于杂谷脑河左岸，杂谷脑河流经研究区域后，在汶川县汇入岷江水系。

1.2 气象水文

理县区域四季分明，冬季寒冷干燥，春夏温暖湿润。气候受西伯利亚西风气流、印度洋暖流和太平洋东南季风3个环流的影响，形成季风气候。因海拔高差悬殊，地形复杂，垂直变化显著，具有山地立体型气候特征。冬季受青藏高原北方冷气流的影响降水稀少，日照强烈，晴朗多大风；5月、6月西南季风加强，气温暖湿，降水增多，形成雨季；7 月、8 月青藏高压稳定，副热带高压西伸，降水减少，形成伏干旱；9月、10 月雨量增加，形成低温降雨季节。年平均降水量566 mm，年平均气温11.5 ℃，1 月平均气温0.4 ℃，7 月平均气温21.1 ℃，无霜期210 d。四川理县多年各月平均降雨量见图1。

1.3 地层岩性

黄泥坝子滑坡区表层未见基岩出露，地层主要为第四系松散冰水堆积层，主要为角砾土、粉质黏土、块碎石土，其所处斜坡以出露志留系茂县群第四、第五组地层为主，其次为泥盆系危关群以及第四系的残、崩坡积，岩性为中—强风化的灰绿色千枚岩。岩层倾向与坡向基本一致，坡顶为近直立的灰色千枚岩，坡脚浸没于杂谷脑河。

1.4 滑坡概况

黄泥坝子滑坡在滑动破坏后形成了2 段滑动区域，上半段滑动方向为146°，纵向长约193 m，宽约60 m，厚3～6 m；下半段滑动方向为128°，纵向长174 m，宽约80 m，厚5～18 m。滑坡高差约200 m，滑体总体积约123 万m³。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，黄泥坝子滑坡体正射影像见图2。

2 数据来源及处理

SBAS-InSAR 干涉技术是通过对相干点目标相位分析来获取时序形变，通过选择合适的空间基线和时间基线阈值组成差分干涉对，并且选取相干目标点利用线性形变模型进行计算，在减少DInSAR 处理中的去相关影响及高程、大气误差的同时，获取地表的形变时间序列。SBAS技术的关键是差分干涉对的选取，选择合适的空间基线和时间基线以减少或消除DInSAR处理中的一些去相关因素的影响。

SBAS处理流程中所涉及的数据主要是卫星雷达遥感数据以及数字高程数据，此次采用的是从SRTM下载的30 m 分辨率的数据，Sentinel-1A 是欧空局继ERS-1/2 和ENVISAT-ASAR 发射的首颗“哥白尼计划”对地观测的雷达卫星，搭载C波段SAR传感器，地面分辨率为5×20 m，共23 景影像，数据统计时间跨度 为2016 年10 月1 日 至2017 年8 月8 日。Sentinel-1A 影像数据的基本参数见表1。

表1 Sentinel-1A 影像数据的基本参数

采用envi 软件工作平台对雷达遥感数据进行预处理，主要包括数据导入、范围筛选、影像裁剪与拼接等工作，之后对预处理后的影像数据进行SBASInSAR 技术处理，主要包括以下流程：①第1 步生成连接图。对输入的数据进行干涉像对的配对，生成连接图工具会选择最优的组合方式进行配对。②第2 步干涉处理。对所有配对的干涉像对进行干涉处理，从相干性生成、去平、滤波和相位解缠，处理完后根据干涉效果对干涉像对进行选择性剔除。③第3步轨道精炼和重去平。估算和去除残余的恒定相位和解缠后还存在的相位坡道，在该过程中需要一定数量的GCP 控制点，而选择控制点的依据就是之前选择的质量好的像对。之后进行第1步反演，这一步是SBAS 反演的核心，第1 次估算形变速率和残余地形；对于第1 次的结果需进行筛选，进行第2 次剔除质量不好的干涉对。然后，开展第2 步反演，这一步的核心是计算时间序列上的位移，在第1步得到的形变速率的基础上，进行定制的大气滤波，从而估算和去除大气相位，得到更加纯净的时间序列上的最终位移结果。最后进行地理编码，通过SAR 系统观测到的是电磁波入射地球表面后反射（后向散射）的雷达脉冲的强度和相位信息。这个信息编码到雷达坐标系统下，即斜距坐标系，需要将SAR 数据从斜距坐标系转到地理坐标系。

在经过SBAS-InSAR 干涉技术处理后，大致消除了椭球面相位、地形起伏相位、大气延迟相位和噪声相位等影响因素，并将研究区域的形变信息经过地理编码由雷达坐标转成了大地经纬度坐标。通过arcgis 平台对形变结果进行量级分区，最后将其生成点状形变数据，并叠加在GoogleEarth 上以实现形变的可视化，得到了滑坡所在斜坡在破坏前的形变速率图（图3）。

图中浅灰色区域为年平均形变速率在-10～10 mm/a，表明未发生明显形变，定义为稳定区域。从年平均速率图可以看出，在黄泥坝子滑坡滑动前斜坡坡表便已经出现了明显的形变区域，其中滑坡形变区域中间部分为大形变区域，也就是深灰色和黑色形变范围，年平均形变速率可达-45.7 mm/a，在外围的形变速率以滑坡为中心往外逐渐降低。除此之外滑坡所在斜坡下方的古滑坡体也存在一定范围的变形。

3 滑前变形机制分析

基于SBAS-InSAR 干涉技术监测得到的形变结果，对滑坡启动破坏前的地表形变场进行进一步的分析，将滑坡滑后的区域（包括堆积区）和形变速率图的形变区域进行圈定，形成滑坡滑前影响范围。为研究滑坡体在滑动前的位移形变情况，在滑坡滑前影响范围的不同形区域选择形变检测点，提取不同形变监测点随时间的累积变形量，在浅灰色形变区域选取点A、D，深灰色形变区域选取点B、C，具体位置见图4。不同形变监测点位移变化见图5。

通过对滑坡体不同位置的形变监测点位移图进行分析，可初步得到以下结论。

（1）不同形变区域的形变监测点的累计形变量呈现多段加速变形时间，从累积形变图可初步看出2016.12.3、2017.4.2、2017.6.5、2017.8.7 4 个加速变形时间节点，直至最后一次加速变形，这是由于前期沉降变形的累积，滑坡体的形变超过了安全阈值，导致形变速率逐步增大，滑坡启动。

（2）A 点的累积形变量围绕0 mm 上下波动，最大形变量不超过±5 mm，除此外B、C、D 3 个形变监测点的形变量级虽然不一样，但是整体形变趋势一致，总体呈现为沉降变形累积，期间含有多次沉降形变加速变化以及后续回弹的时间段。

（3）靠近坡脚处的D点的累积形变量在最开始呈现正值，为抬升形变，并且不断增高，直到2016 年12月5 日左右才开始发生沉降变形，因此提取坡脚一定范围的监测点，结果形变趋势都一致，因此证明斜坡下部最开始没有自主产生形变，是由于上部位移运动量的传递使得结构未破坏的该处发生正值的形变积累。

（4）由于坡体岩体质量差，研究区域降雨丰沛，初步推断累积形变的波动变化是由外界影像因素造成，包括降雨以及人类工程活动。

综合分析，在滑坡形成前首先是坡顶出现沉降变形，随后坡体中部开始产生沉降变形。因坡顶和坡体中部的沉降挤压，坡脚处的表层碎石土开展呈现膨胀、抬升形变，坡脚处总体形变量级较小。变形随时间逐渐累积，滑坡体滑前的中部区域成为形变区域形变速率最大的地方，同时形变以该区域为中心，向两侧以及中下部传递，下部的表层碎石土抬升形变量逐渐减小，直到开始出现沉降变形。在滑坡体坡面累积形变进行的同时，堆积体下方的软弱结构面的强度也开始丧失，逐渐地贯通，直到在某些外界因素的影响诱发下，滑坡坡体下方剪切滑动面整体形成或者大部分贯通，堆积体开始整体向下蠕滑，在滑坡体后方形成拉裂缝，坡体开始滑动破坏，最终形成滑坡体。

4 结 论

（1）黄泥坝子滑坡体在滑动破坏前的运动主要集中在坡面堆积体表层，最大沉降不超过25 mm；在滑坡体滑动破坏前，均没有出现较大的沉降量级或出现突然的累积沉降量的突变，所以滑坡体在滑动破坏前的变形主要以蠕变为主。

（2）滑前滑坡体首先发生沉降运动趋势的是滑坡体的上部，也就是滑坡破坏后的后缘，此时在滑前滑坡体的下边界有区域形变明显呈正值，在自重力的作用下，堆积体发生沉降变形，该区域的变形是由中上部形变运动传递到此处累积而成，坡脚处堆积体表层因受挤压形变、抬升。

（3）从该研究可以得出，黄泥坝子滑坡体滑前坡表的运动状态是低速蠕变，是分布在堆积体表层的，带有拉裂和挤压的现象，上部区域主要是拉裂，滑坡的运动是从后缘开始，由中部向两侧和前缘扩大。

（4）SABS-InSAR 干涉技术为研究滑前运动模式提供了一种获取形变信息的技术手段，通过获得地表毫米级的形变建立地表时序形变场，对于区域滑坡滑前变形阶段划分具有重要意义，同时为确定监测预警的阈值提供参考，实现了对滑坡的超前预警，并且由于雷达数据覆盖范围广、时间跨度长，该技术在滑坡滑前监测预警领域中具有广阔的应用前景。