謝韜

摘要：貴州地質(zhì)條件復(fù)雜，年降雨量多在1000mm上，故地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，針對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)無法全天時(shí)、全天候、大范圍地獲取地面形變信息這一現(xiàn)狀，本文利用Stacking-InSAR技術(shù)，以及L波SAR數(shù)據(jù)，獲取了貴州省大方縣形變速率圖，結(jié)果顯示發(fā)現(xiàn)11處形變區(qū)，通過現(xiàn)場(chǎng)核查發(fā)現(xiàn)其中5處為威脅性較大的災(zāi)害隱患點(diǎn)，其形變速率均達(dá)到10cm/y以上，并發(fā)現(xiàn)多處形變區(qū)存在于采礦區(qū)附近，對(duì)其產(chǎn)狀和發(fā)育分布做了簡(jiǎn)要?dú)w納。結(jié)論證明了Stacking-InSAR技術(shù)在貴州地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)可以發(fā)揮有效作用，為防災(zāi)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè);Stacking-InSAR技術(shù);L波SAR數(shù)據(jù)

引言：

貴州屬典型內(nèi)陸巖溶山區(qū)，地質(zhì)環(huán)境脆弱，全省地質(zhì)災(zāi)害高、中易發(fā)區(qū)面積達(dá)13.6萬平方公里，占全省國土面積的77%，88個(gè)縣（市、區(qū)）中有81個(gè)為國家級(jí)地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)。截止目前，全省共查明地質(zhì)災(zāi)害隱患9000余處，威脅145萬人和430億元的生命財(cái)產(chǎn)安全。由于地質(zhì)災(zāi)害隱蔽性強(qiáng)，單靠人工發(fā)現(xiàn)和和傳統(tǒng)技術(shù)排查難度較大，特別是近年來發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，絕大部分都不在臺(tái)賬范圍內(nèi)，造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失;因此，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)開展早期探測(cè)和長時(shí)間的監(jiān)測(cè)對(duì)于防災(zāi)治理工作具有重大意義。國內(nèi)采用D-InSAR和MT-InSAR技術(shù)進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)起始于2000年后，由于其全天候、全天時(shí)、大范圍、高精度的優(yōu)點(diǎn)，故這一技術(shù)在大范圍形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)，使得大量學(xué)者參與到該領(lǐng)域的研究中來，因而取得了飛速的進(jìn)展和不菲的成績(jī)。2008年，Wang等首先對(duì)三峽巴東地區(qū)分析，并成功探測(cè)到兩個(gè)大型滑坡（Wang et al.，2008c）。2016年，趙超英，康亞等采用多種InSAR技術(shù)如Stacking，SBAS，IPTA和多源SAR數(shù)據(jù)（ALOS，Envisat波）對(duì)西南山區(qū)的多個(gè)區(qū)域展開大范圍滑坡探測(cè)研究，總結(jié)了幾類InSAR技術(shù)的適用性 ，并且獲得了較高精度的觀測(cè)結(jié)果。

對(duì)于貴州山區(qū)，山谷縱橫，云迷霧鎖，植被茂密的特點(diǎn)，X與C波SAR數(shù)據(jù)受失相干嚴(yán)重（在雨季尤甚），而PS技術(shù)由于無法提取到相當(dāng)數(shù)量的穩(wěn)定目標(biāo)點(diǎn)也難以施展。因而為了對(duì)該區(qū)域展開大范圍的滑坡災(zāi)害識(shí)別，本文利用Stacking-InSAR技術(shù)，選取2018-2019期間 ALOS-2 L波段SAR 數(shù)據(jù)，對(duì)貴州省畢節(jié)市大方縣地區(qū)進(jìn)行災(zāi)害早期識(shí)別，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行野外核查，最后對(duì)這一技術(shù)在在該區(qū)域的應(yīng)用成效和該區(qū)域?yàn)?zāi)害分布特點(diǎn)作歸納。

一、 Stacking-InSAR技術(shù)

D-InSAR技術(shù)同時(shí)屬于遙感技術(shù)和空間大地測(cè)量新技術(shù)范疇，是利用覆蓋同一地區(qū)的兩幅SAR影像數(shù)據(jù)，基于衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)或空間基線參數(shù)，得到具有高敏感性的干涉相位信號(hào)來獲取地表高程信息和地表形變信息的一種新技術(shù)。

Stacking-InSAR技術(shù)就是將多幅D-InSAR解纏后的差分干涉相位圖進(jìn)行加權(quán)平均，以求最大程度減少大氣誤差和DEM誤差的影響，更加準(zhǔn)確的獲取形變的一種方法[1]。它遵循一個(gè)基本假設(shè)：在獨(dú)立的干涉圖中，大氣項(xiàng)的誤差相位是隨機(jī)且相等的，同時(shí)形變區(qū)以線性形變?yōu)橹?。在該假設(shè)基礎(chǔ)上，多幅獨(dú)立的干涉圖對(duì)應(yīng)解纏相位加權(quán)疊加，得到的形變相位信息救是所疊加時(shí)間基線內(nèi)的形變量。根據(jù)誤差傳播定律，由此可以提高疊加相位圖中形變信息和大氣項(xiàng)之間的信噪比，達(dá)到提高監(jiān)測(cè)精度的目的。

單幅干涉圖相位變化速率的標(biāo)準(zhǔn)差與成像時(shí)間間隔成比例

（2.3）

式中，Vi表示第i幅干涉圖相位變化速率;phi表示第i幅干涉圖的解纏相位;表示第i幅干涉圖成像時(shí)間間隔。

所有干涉圖疊加后平均相位變化速率

（2.4）

式中，wi表示第i幅干涉圖的權(quán)，wi=ΔT2i。

則相位變化速率標(biāo)準(zhǔn)差

（2.5）

Stacking-InSAR相對(duì)于其他時(shí)序InSAR技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)是很明顯的，即在數(shù)據(jù)量較少的情況下獲取年平均速率，同時(shí)可以有效的抑制大氣效應(yīng)和DEM誤差[1]，本文選用該方法來獲取地表形變信息，以對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)存在的滑坡災(zāi)害進(jìn)行早期的識(shí)別。

二、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

（一）實(shí)驗(yàn)區(qū)

大方縣位于貴州西北部，海拔在1400至1900米，為典型亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛;境內(nèi)山巒重疊，切割較深，地貌破碎，河谷交錯(cuò)分布;且礦產(chǎn)資源豐富，早年開采礦井繁密[4]。諸此因素，該區(qū)域受地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重，已查明現(xiàn)狀的地質(zhì)災(zāi)害162處，每年汛期（5月至10月），多類地質(zhì)災(zāi)害如滑坡，崩塌，泥石流，部分區(qū)域還伴隨著地面沉降，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全[4] 。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采用ALOS-2 L波段SAR數(shù)據(jù)共計(jì)6景，表1為其具體情況。DEM數(shù)據(jù)選用日本宇宙航空開發(fā)局（JAXA）發(fā)布的AW3D高程數(shù)據(jù)，其平面分辨率為30m。

（三）實(shí)驗(yàn)過程

利用ALOS-2 SAR數(shù)據(jù)和Stacking技術(shù)，基于GAMMA軟件對(duì)貴州省畢節(jié)市大方縣的地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)識(shí)別具體實(shí)驗(yàn)過程包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、SAR影像配準(zhǔn)、基線估計(jì)、D-InSAR處理、大氣及軌道誤差校正、地理編碼、獲取形變速率圖，以下對(duì)步驟進(jìn)行具體介紹：

1、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將原始影像轉(zhuǎn)換為GAMMA軟件所識(shí)別格式。

2、SAR影像配準(zhǔn)，以獲取日期為20190901 SAR影像為配準(zhǔn)主影像，其余5幅影像均以該影像為基準(zhǔn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，插值和重采樣過程，配準(zhǔn)后的影像在距離向與方位向的偏移量均小于1/12個(gè)像元（研究表明，配準(zhǔn)過程中精度達(dá)到1/8個(gè)像元，相位誤差可以得到有效遏制）。

3、基線估計(jì)，本文將時(shí)間基線設(shè)置在300d，空間基線設(shè)置為400m，共生成10個(gè)干涉對(duì)。

4、D-InSAR處理，包括DEM配準(zhǔn)，生成干涉圖，去地形相位，去平地相位，自適應(yīng)濾波，相位解纏，最后得到相位解纏后的差分干涉圖。

5、大氣校正及軌道誤差校正，本文采用的是多項(xiàng)式擬合與地形相關(guān)的大氣項(xiàng)來減弱大氣效應(yīng)對(duì)于干涉圖的影響; 對(duì)于軌道誤差的校正，采用二次曲面擬合的方法。 其處理效果如圖2：

6、地理編碼，將以上步驟處理后的干涉圖從雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至WGS-84坐標(biāo)系下。

7、獲取形變速率圖，采用章節(jié)2.1所介紹的Stacking技術(shù)，將所有干涉圖進(jìn)行相位加權(quán)疊加，對(duì)方程組求解得到LOS向的形變速率圖。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用Stacking技術(shù)獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)域年平均速率后，對(duì)應(yīng)雷達(dá)疊掩圖進(jìn)行篩選，從而獲取疑似滑坡區(qū)域共計(jì)11處，截取其LOS向形變速率圖如圖3所示：

通過實(shí)地核查該11處形變區(qū)，其中5處為實(shí)際存在較大隱患的災(zāi)害點(diǎn)，分別為：1號(hào)點(diǎn)，位于大方縣綠塘鄉(xiāng)何木溝，最大形變速率為10.3cm/y，地貌為侵-溶中低山河河谷斜坡，地形坡度為20°，滑動(dòng)面為公路切坡棄渣，大雨時(shí)存在局部滑動(dòng);4號(hào)點(diǎn)，位于大方縣馬場(chǎng)鎮(zhèn)韓家壩和李家寨附近，最大形變速率為12.7 cm/y，斜坡下部坡度10°～20°，中部地形坡度為20°～30°，上部為陡崖;在形變區(qū)200m有一煤礦，該區(qū)域?qū)儆诿旱V采空區(qū)，附近村寨房屋存在開裂和下沉。8號(hào)點(diǎn)，位于大方縣小屯鄉(xiāng)滑石組，最大形變速率為16.8 cm/y，斜坡坡度為10°～20°，局部大于30°;形變區(qū)附近存在一小型煤礦，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段形變區(qū)北西坡地段產(chǎn)生了直徑2.0～3.0m，見深10m的塌陷坑。10號(hào)點(diǎn)，位于大方縣小屯鄉(xiāng)大田村水壩組附近，最大形變量為15.1 cm/y，斜坡中下部地形坡度為10°～20°，局部大于30°，斜坡上部為陡崖，斜坡中上部有局部垮塌痕跡，陡崖風(fēng)化嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差;11號(hào)點(diǎn)，位于大方縣長石鎮(zhèn)楊柳村五一組、水井組附近，最大形變量為12.9 cm/y，斜坡坡度8-20°;存在一處停采煤礦，附近公路和民房有不同程度開裂現(xiàn)象。2，3，5，7，9號(hào)點(diǎn)受災(zāi)體較遠(yuǎn)，因而相對(duì)較為安全，6號(hào)點(diǎn)因?yàn)榈缆凡槐闱移露容^陡因而無法核查。11處形變區(qū)中有6處附近存在開采區(qū)或曾經(jīng)開采區(qū)，且裸露基巖可見夾煤層，推斷該地區(qū)滑坡發(fā)育和分布情況同礦區(qū)開采存在相關(guān)性。

三、結(jié)束語

本文以貴州畢節(jié)市大方縣為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用Stacking-InSAR技術(shù)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的滑坡進(jìn)行了識(shí)別，共發(fā)現(xiàn)形變區(qū)（疑似滑坡區(qū)）共11處，通過實(shí)地核查，其中5處存在較大隱患，且形變速率在10cm/y以上，現(xiàn)場(chǎng)情況也印證了Stacking-InSAR的形變結(jié)果，由于沒有對(duì)應(yīng)的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)因而無法定量驗(yàn)證其觀測(cè)精度;在11處形變區(qū)中有6處在開采區(qū)附近，說明了該地區(qū)的滑坡發(fā)育與礦區(qū)開采存在一定聯(lián)系，目前由于數(shù)據(jù)樣本和礦區(qū)資料的缺乏，無法對(duì)其聯(lián)系作進(jìn)一步的研究。

通過本文研究，Stacking-InSAR技術(shù)對(duì)于貴州山區(qū)的滑坡隱患點(diǎn)識(shí)別具有大范圍，高精度的特點(diǎn)，可以識(shí)別出大部分形變區(qū)，且能準(zhǔn)確的對(duì)形變區(qū)定位，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防提供了有力支持。

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