时序InSAR 地质灾害隐患排查及防控系统探索

2023-02-05王佳璐

经纬天地 2023年6期

关键词：基线排查隐患

王佳璐

（山西省测绘地理信息院，山西太原 030001）

0 引言

我国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一［1］，地质灾害种类多、发生频率高、强度大、连续性强、突发性强、分布地域广、灾害损失大［2］。

党中央、国务院高度重视自然灾害防治工作。近年来习近平总书记对防灾减灾救灾多次作出重要指示批示，要求统筹发展和管控安全，提高风险防范和应对能力。全面提升地质灾害防范能力显得尤为重要［3］。

为有效解决防灾减灾、应急保障面临的实际问题，本文提出一种基于时序InSAR 的地质灾害隐患排查技术路线以及地质灾害排查防控系统设计思路，实现灾害隐患底数的精准掌握，健全地质灾害风险排查体系。

1 地质灾害隐患排查技术路线

本文介绍的地质灾害隐患排查主要依靠TerraSAR-X雷达卫星影像及其他基础数据，通过计算地表粗糙度，并结合环境影像因素，来识别地质灾害隐患点，最终完成地区地质灾害风险识别。

1.1 技术原理

时间序列InSAR 技术的基本原理是利用多景（一般要求大于25 景，最少需要10 景左右）同一地区的SAR 数据，通过统计分析返回的相位和幅度信息，由时间序列SAR 数据中提取回波信号稳定的点目标，然后针对这些点目标开展相位信号变化规律分析，从而提取地表的高精度形变参数。在时间序列InSAR 数据中，点目标不受时间去相干、空间基线去相干和大气变化影响，从而突破了常规InSAR中时间基线和空间基线的限制，如图1 所示。

图1 时间序列InSAR 原理

长时序SAR 数据进行地表形变反演时，需要将不同时序的影像生成合适的差分干涉图序列。在生成差分干涉图集时，为减少空间去相干以及地形误差的影响，需要选取空间基线较短的影像。在时序InSAR 处理中，受大气的影响，获取的数据往往被分割成几个小基线集合。每个子集只获取一个形变时间序列，因此利用全部数据生成长时间序列形变的能力受到了限制。永久散射体干涉测量技术（Persistent Scatterer-InSAR，PS-InSAR）利用减少空间量测点密度的方法来获取长时间序列形变，这种方法不仅会受到空间基线去相干的影响，而且要求PS 点密度较高，影像期数较多，时间较为连续，在城区监测应用较多。与PS-InSAR 不同，小基线集干涉测量技术（Small Baseline Subet-InSAR，SBAS-InSAR）在获取干涉像对时主要利用多影像短时空基线的方法，这种方法使得在相同的观测时间内，组成更多的干涉像对参与解算形变序列，能显著增加有效干涉像对的数目。

1.2 技术路线

测区内地形起伏较大且植被茂盛时，时间去相干和空间去相干现象非常严重。因此，拟采用分布式目标（Distributed Scatterers，DS）提取方法和SBAS-InSAR 技术进行时序监测，以减弱时间去相干、空间去相干效应的影响，保留时空基线都较短的干涉图参与形变量估计，保证时序监测的精度。

1）分布式目标（Distributed Scatterers，DS）指的是分辨单元内所有散射体的后向散射系数大致相同的地物，多为裸地、稀疏植被等。DS 点在郊区是普遍存在的，虽然它们仅在部分干涉图保持一定的相干特性，但提取这些目标的干涉测量几何信息对于扩展时间序列SAR 数据的应用范围十分重要。

2）SBAS-InSAR 技术是通过对基线较短的SAR数据对进行自由组合得到一系列时间序列干涉图子集，之后通过矩阵奇异值分解法，利用多个短基线集联合起来求解各数据集之间空间基线过长导致的时间不连续问题。这种方法可以提高雷达监测的时间分辨率，从而得到目标区域的序列形变和平均形变速率。

SBAS 技术处理流程如图2 所示。

图2 SBAS 技术处理流程

1.3 工作路线

1）确定测区范围。

2）获取TerraSAR-X数据。分辨率3m，幅宽为30km。

3）InSAR 数据处理和形变反演。采用小基线集信息提取算法，对时序TerraSAR 进行形变反演，保证有足够高的监测点密度，年均形变速率精度可达到亚厘米级，时序历史形变约厘米级。

4）高风险区域的提取。基于InSAR 年均形变速率图，提取高风险灾害区，输出为SHP 格式。

5）灾害风险分析。结合遥感历史影像对形变大的区域进行分布规律分析、诱因分析，以及评估可能进一步发生的灾害风险。

6）灾害制图和输出。对地表年均形变速率、高风险灾害区域、风险等级划分进行标准化制图和矢量化输出。

7）监测报告。包括试验区数据处理、灾害监测结果和风险分析等内容。

2 地质灾害排查防控系统设计

地质灾害排查防控系统是地质灾害隐患排查防控的信息化支撑平台，依托无人机、视频监控及站点监控等监测手段构建起的“空天地网”立体监测体系，实现地质灾害隐患点实时动态监测、全触点隐患信息报送、精细化灾害预警预报、灾害应急保障联调联动。

2.1 系统组成

地质灾害排查防控系统主要由地质灾害监测子系统、地质灾害气象风险预警子系统、地质灾害群测群防子系统与地质灾害巡查防控APP 等4 个子系统组成。

1）地质灾害监测子系统。

地质灾害监测子系统由监测信息显示分析模块、监测点自动预警模块、灾害隐患点管理模块、地质灾害调查数据维护模块和数据查询统计模块组成。

系统利用遥感监测和地质灾害监测点等数据，进行综合分析处理，具备地质灾害动态监测信息的实时化、可视化、空间化能力，能够对接入的各类地质灾害监测信息进行实时显示，支持“天地图·山西”底图加载显示；基于监测数据曲线分析灾害发生概率，通过监测信息阈值进行监测点自动预警，实现对地质灾害隐患点进行统筹管理以及对测区地质灾害的监测预警功能。

2）地质灾害气象风险预警子系统。

地质灾害气象风险预警子系统由气象风险预警历史数据查询模块、气象风险预警模块、气象风险发布模块和预警区域灾害点查询模块组成。

系统对地质灾害风险预警等级进行划分以及预警区域内灾害点信息统计，实现气象风险预警信息实时显示、历史数据查询、气象风险发布功能，提升地质灾害气象风险预警能力。

3）地质灾害群测群防子系统。

地质灾害群测群防子系统由工作信息管理模块、群测群防责任人信息管理模块、信息发送模块、人员绩效考核模块组成。

系统实现基于网络环境的防灾预案表、工作明白卡、避灾明白卡等信息管理及维护功能；根据行政区划，树状显示地质灾害群测群防体系及责任人信息；通过短信平台，实现信息单发和群发功能；实现地质灾害数据上报及群测群防人员的绩效考核功能。

4）地质灾害巡查防控APP。

地质灾害巡查防控App 由地质灾害巡查模块、灾情数据快速采集模块、灾情数据上报模块和历史地质灾害信息查询模块组成。支持手持终端操作方式，适用安卓系统；能够基于地质灾害隐患点数据，开展地质灾害的巡查工作，支持灾情数据的快速采集和上报。

2.2 业务流程设计

地质灾害排查防控系统的业务流程主要包括以下过程：

1）获取数据：获取卫星数据、基础地理数据、地质灾害调查数据、气候气象数据等数据；

2）监测信息提取：对获取的数据进行处理，得到监测信息；

3）群测群防管理：根据获取的数据，建立地质灾害群测群防体系，实现对群测群防的有效管理；

4）数据展示：对提取的监测信息在系统上进行展示；

5）气象风险的发布：根据提取的监测信息，结合气象数据、基础地形地貌等数据，对气象风险进行预警，并将预警信息在系统上进行实时显示气象风险；同时支持历史信息的查询；

6）地质灾害产品发布：根据提取的监测信息，进行灾害点识别，并结合外业人员进行灾害点巡查。根据灾害点信息进行地质灾害的概率分析，设定一定的阈值，对超过阈值的灾害点进行预警，进而生成地质灾害产品，并进行发布。业务流程图如图3 所示。

图3 地质灾害排查防控系统业务流程图

2.3 数据流程设计

地质灾害排查防控系统的数据流程图如图4 所示。

图4 地质灾害排查防控系统数据流程图

3 地质灾害隐患排查成效

通过高相干点阈值和同质像元阈值设定，共获取了上百万个点用于反演地表形变。这些点的分布如图5 所示，除了少数山区外，点的分布较为密集。通过MT-InSAR 技术获取的地表形变（视线向）速率在-6～2 cm/a 之间，绝大多数地区较为稳定，测区存在较大范围的地表沉降现象，有可能是由地下水开采引起的。在测区西部的山区，有一些坡体呈现不稳定现象，有发生潜在滑坡灾害的可能。