于海明，張熠斌，方向輝，徐思瑜，徐譽維，張旭晴

（1.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站（吉林省地質(zhì)災害應急技術指導中心），吉林 長春 130021；2.吉林省航測遙感院，吉林 長春 130061；3.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026）

0 引言

新世紀以來，人類活動對環(huán)境和氣候的影響逐漸增大，生態(tài)環(huán)境及各種地質(zhì)條件也隨之發(fā)生了較大的改變。中國構(gòu)造運動頻繁，地形結(jié)構(gòu)復雜，地質(zhì)災害頻發(fā)，滑坡、崩塌等地質(zhì)災害呈現(xiàn)出分布廣、高易發(fā)等特點。地質(zhì)災害嚴重威脅群眾的生命財產(chǎn)安全，并限制區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展[1-2]。滑坡是斜坡巖石體以及大面積冰雪覆蓋體沿著貫通的剪切面所發(fā)生的體位滑動現(xiàn)象，由于氣候、天氣、地形、交通、通訊等因素的影響，很難做到早期預警和提前防范[3]。由于環(huán)境限制，傳統(tǒng)測量手段如水準測量、GPS 測量難以大范圍開展地質(zhì)災害監(jiān)測[4]；光學遙感技術易受氣候條件影響，并且難以實現(xiàn)對緩慢變形地質(zhì)災害隱患的識別[5-6]。

合成孔徑雷達干涉測量技術（interferometricsynthetic aperture radar，InSAR）作為一種新型地表形變監(jiān)測技術，具有空間分辨高、時間分辨率高、精度高以及大范圍空間連續(xù)覆蓋等優(yōu)勢，已成為地質(zhì)災害監(jiān)測的重要手段之一，被眾多學者用于地震[7]、滑坡災害應急排查[8]、滑坡發(fā)育監(jiān)測[9]、地面沉降[10]等的形變監(jiān)測研究。法國學者Fruneau 等[11]于1996 年首次將InSAR 技術應用于滑坡監(jiān)測領域，采用差分雷達干涉技術（differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR）技術處理ERS-1 數(shù)據(jù)獲取了6 景差分干涉圖，監(jiān)測結(jié)果清晰的呈現(xiàn)了滑坡的形變特征，且與實測結(jié)果一致。由于不同時期獲取的SAR 影像間的相干性較差或失相干，以及大氣效應的影響制約了D-InSAR 技術在滑坡形變監(jiān)測領域的應用，而差分干涉測量短基線集時序分析技術（small baseline subset InSAR,SBAS-InSAR ）[12-13]可實現(xiàn)對目標區(qū)域的連續(xù)時空監(jiān)測，意大利學者Ferretti 等[14]提出的永久散射體差分干涉測量技術（persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR）以及Berardino 等[15]SBAS-InSAR，能夠獲取地面較高精度的地形數(shù)據(jù)以及地表時序形變數(shù)據(jù)，較大程度提升了SAR數(shù)據(jù)干涉測量的精度。姚佳明等[16]利用SBAS-InSAR技術對煤層開采誘發(fā)的地表形變模式進行了研究，證實了SBAS-InSAR 技術監(jiān)測地表形變的準確性；趙富萌等[17]采用SBAS-InSAR 技術識別了Karakorum 公路沿線滑坡點；Zhang 等[18]利用了傳統(tǒng)經(jīng)驗模型與SBASInSAR 監(jiān)測相結(jié)合的方式成功實現(xiàn)了甘肅省中部黃河黑泰河潛在滑坡的分析評價。InSAR 技術已被廣泛應用于滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測，但單一SAR 數(shù)據(jù)監(jiān)測的局限性限制了對滑坡形變的監(jiān)測效果。C 波段的Sentinel-1A 影像時間基線小，影像數(shù)據(jù)多，適合應用時序InSAR技術監(jiān)測滑坡時序形變特征，但在植被覆蓋區(qū)因相干性過低而獲得的監(jiān)測點稀少；L 波段的ALOS-2 數(shù)據(jù)時間基線長，影像數(shù)量少，適合利用D-InSAR 技術進行滑坡形變特征監(jiān)測。采用少量長波段ALOS-2 影像和大量短波段Sentinel-1A 影像結(jié)合進行滑坡形變監(jiān)測，能夠在具有一定植被覆蓋度的山區(qū)探測到較為明顯的滑坡地表形變[19-20]。

治新村滑坡是吉林市內(nèi)非常典型的土質(zhì)滑坡，在2017 年7 月強降雨過程中發(fā)生了滑動，滑坡體滑到村民住宅墻根處，造成住宅后墻變形，雨水進入民房內(nèi)，但未造成人員傷亡。以往對該滑坡的監(jiān)測，只是傳統(tǒng)的人工地面調(diào)查，基于InSAR 技術對治新村滑坡進行形變監(jiān)測的研究卻鮮有報道。本文選取2017 年1 月6 日—2017 年12 月8 日的27 景Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，使用SBASInSAR 技術對治新村滑坡及周邊區(qū)域進行了地表形變監(jiān)測，并進行形變特征及趨勢分析?？紤]到滑坡所在區(qū)域植被覆蓋情況及東北地區(qū)季節(jié)性積雪對SAR 影像相干性的影響，選取2 景穿透性更強的L 波段ALOS-2 數(shù)據(jù)監(jiān)測滑坡體變形特征，綜合運用SBAS-InSAR 和DInSAR 技術，以及C 波段的Sentinel-1A 數(shù)據(jù)和L 波段ALOS-2 數(shù)據(jù)，以期驗證監(jiān)測結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果對治新村滑坡災害防治具有重要的指導意義，并可為后期類似滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測和研究提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 治新村滑坡

治新村滑坡位于吉林省吉林市船營區(qū)大綏河鎮(zhèn)治新村12 社（圖1）?；虑熬壐叱?06.8 m，后緣高程322.8 m，長約327 m，寬約48 m，滑坡面積達15 696 m2。平面形態(tài)為不規(guī)則扇形，滑動面剖面形態(tài)為凹形，產(chǎn)狀：151°∠33°。土質(zhì)滑體，平均厚1.2 m。地層巖性為殘坡積物砂礫質(zhì)土，滑床巖性為范家屯組板巖、粉砂巖?；露缚病⒑蟊诎l(fā)育狀況一般，尚可辯認。側(cè)邊界不發(fā)育，前緣、剪出口發(fā)育一般，尚可辯認。拉張裂縫、剪切裂縫較發(fā)育，裂縫寬度一般在0.4 m，長1～5 m 不等，規(guī)模較小，貫通性較差，見有樹木歪斜現(xiàn)象?；麦w在雨水的浸潤作用下，沿基覆界面滑動形成滑坡，為自然滑坡。目前，該滑坡現(xiàn)處于蠕變階段，不穩(wěn)定。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of study area

1.2 SAR 影像和DEM 數(shù)據(jù)

文中用于SBAS-InSAR 的C 波段數(shù)據(jù)為歐空局于2014 年發(fā)射的Sentinel-1A 衛(wèi)星影像，該衛(wèi)星軌道高度693 km，重訪周期12 d，覆蓋范圍達到42 500 km2，方位向分辨率為13.98 m，斜距向分辨率為 2.33 m，雷達波長為 5.6 cm，具有條帶模式（strip map，SM）、寬幅干涉模式（interferometric wide，IW）、極寬模式（extra-wide swath，EW）和波模式（wave mode）4 種成像模式；用于D-InSAR 處理的L 波段數(shù)據(jù)采用日本陸地觀測衛(wèi)星ALOS PALSAR-2 影像，L 波段的ALOS PALSAR-2 數(shù)據(jù)具有較強的穿透力，可以很好地監(jiān)測地殼運動，獲取較準確的數(shù)據(jù)。

本文選用了C 波段（2017-01-06—2017-12-08）27 景降軌影像（表1），成像模式為IW 模式，極化方式為VV；L 波段（2016-07-26—2017-08-22）2 景影像（表2），成像模式為ScanSAR 掃描模式，極化方式為HH。DEM 數(shù)據(jù)可用于去除地形相位以及高程誤差相位計算，是SAR 數(shù)據(jù)處理的輔助數(shù)據(jù)，選用NASA 和NIMA 聯(lián)合發(fā)布的分辨率為90 m 的SRTM3 數(shù)據(jù)。

表1 Sentinel-1A 數(shù)據(jù)集Table 1 Sentinel-1A data set

表2 ALOS-2 影像信息Table 2 ALOS-2 image information

2 研究方法

數(shù)據(jù)處理使用ENVI SARscape 平臺。采用SBASInSAR、D-InSAR 方法分別對C 波段和L 波段SAR 數(shù)據(jù)進行處理，SBAS-InSAR 對配準好的多幅SAR 影像通過設定的時間基線和空間基線閾值選取合適的干涉對組合，并基于相干目標進行相位解纏和參數(shù)解算獲取長時間序列的形變信息，相較于D-InSAR，SBAS-InSAR可以分析更大時間序列數(shù)據(jù)，更好地克服了時空失相干的影響，并減小了大氣延遲誤差、地形誤差、高程誤差和其余噪聲誤差。SBAS-InSAR、D-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 SAR 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Workflow of SAR data processing

SBAS-InSAR 是一種基于分布式目標的時間序列分析技術，將時空基線較短的影像兩兩配對成干涉像對，應用奇異值分解的方法求解單點的形變相位方程，解算高程誤差及形變速率，通過殘余相位對大氣相位和非線性形變進行反演后獲得該時間段內(nèi)的形變時間序列。本文通過設置時間基線、空間基閾值控制Sentinel-1A 數(shù)據(jù)集生成干涉像對的數(shù)量，時間基線長度為 60 d，空間基線閾值為理論空間基線值的45%，C 波段27 景SAR 影像共獲取干涉像對98 對，其中主影像日期為 2017年3 月31 日，干涉像對以及基線連接情況如圖3 所示。然后基于干涉像對進行SLC 影像配準，生成干涉圖，經(jīng)過Goldstein 濾波處理提高干涉條紋的清晰度。選取近30 個控制點進行軌道精煉和重去平處理，選擇automatic refinement 方法消除可能的斜坡相位。歷經(jīng)2 次SBAS 反演，精確估計且去除地形殘余相位、大氣效應相位，最后結(jié)合DEM 數(shù)據(jù)進行地理編碼后獲取各期累計形變圖和平均形變速率圖。

圖3 SBAS-InSAR 時空基線圖與像對連接圖Fig.3 SBAS-InSAR space-time baseline diagram and image pair connection diagram

D-InSAR 技術是對2 景SAR 影像進行差分干涉，同時需要外部的DEM 數(shù)據(jù)模擬地形相位，進而去除掉地形相位的影響，僅保留形變相位。首先估算2 景ALOS-2 影像基線情況，包括像對的時間基線、空間基線、多普勒頻移、相位代表的高程變化值等，作為InSAR 形變監(jiān)測的前提，然后基于DEM 數(shù)據(jù)對主輔影像配準和干涉處理，獲取干涉相位圖，本文選取2016年7 月26 日影像為主影像，2017 年8 月22 日影像為輔影像。采用Goldstein 濾波提高干涉條紋的清晰度，減少由于時空基線引起的失相干的噪聲，使用最小費用流（minimum cost flow，MCF）進行相位解纏，解決相位模糊度的問題。在相對穩(wěn)定區(qū)域選擇GCP 進行軌道精煉與重去平處理，采用automatic refinement 方法消除可能的斜坡相位。最后將經(jīng)過絕對校準和解纏的相位結(jié)合，并將合成相位通過地理編碼轉(zhuǎn)換到制圖坐標系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 SBAS-InSAR 監(jiān)測結(jié)果

由于治新村滑坡低矮植被覆蓋和冬季積雪影響，對于C 波段的Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，干涉測量時失相干較嚴重，獲取的監(jiān)測點主要位于滑坡后緣和滑坡前緣居民區(qū)（圖4）。SBAS-InSAR 監(jiān)測結(jié)果顯示，滑坡后緣斜坡在2017 年發(fā)生沉降，而山谷村落地表發(fā)生抬升?；潞缶壭逼翷OS 向平均沉降速率為2.88 mm/a，山谷村落LOS 向平均抬升速率為19.99 mm/a。

圖4 SBAS-InSAR 監(jiān)測結(jié)果Fig.4 SBAS-InSAR monitoring results

為進一步獲取滑坡后緣斜坡及山谷居民區(qū)地表形變特征，對滑坡后緣監(jiān)測點P1、P2、P3（圖4）進行累計形變量時序分析，同時綜合分析居民區(qū)最大抬升點和平均抬升累計形變特征，分析滑坡對居民區(qū)的影響。圖5 說明了滑坡后緣3 個監(jiān)測點（P1、P2、P3）沿雷達視線方向（LOS 向）的累計形變特征。滑坡后緣在2017年1 月6 日—4 月12 日期間處于緩慢抬升階段，至4 月12 日累計抬升達10.95 mm；4 月12 日—7 月5 日發(fā)生劇烈沉降后處于穩(wěn)定狀態(tài)；7 月5 日—7 月29 日期間滑坡后緣地表沉降達12.47 mm，此后地表抬升8.21 mm 后處于相對穩(wěn)定的起伏變化，最終累計地表累計抬升4.81 mm。同時，圖4 展示了受滑坡威脅的山谷村落監(jiān)測點平均累計形變量變化圖，山谷村落地表在1 月6 日—4 月24 日期間同滑坡后緣形變趨勢相似，但在4 月24 日之后便持續(xù)抬升，至12 月8 日平均累計抬升達19.59 mm，最大抬升點累計抬升達36.62 mm。

圖5 SBAS-InSAR 監(jiān)測點時序特征Fig.5 Temporal characteristics of SBAS-InSAR monitoring points

2017 年7 月13 日8 時—14 日8 時，吉林市遭受罕見暴雨天氣影響；7 月19 日8 時—21 日8 時，吉林地區(qū)再次出現(xiàn)大范圍暴雨、大暴雨天氣，結(jié)合圖4 可以看出，治新村滑坡后緣在1 月6 日—7 月5 日期間地表處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，而在7 月5 日—8 月10 日出現(xiàn)劇烈的沉降抬升變化，7 月5 日—7 月29 日期間的高強度降雨導致了此次滑坡災害的發(fā)生，具體表現(xiàn)為滑坡后緣先沉降后抬升。因此，雨季是治新村滑坡監(jiān)測與防治的重點時期。

3.2 D-InSAR 監(jiān)測結(jié)果

D-InSAR 監(jiān)測結(jié)果表明，監(jiān)測期間在治新村滑坡斜坡上存在5 處主要變形體（圖6、表3）。1 號變形體位于治新村滑坡匯水區(qū)西南側(cè)斜坡頂端，變形體面積達5 318 m2，監(jiān)測期間最大沉降量為58.6 mm，最小沉降量為29.4 mm，平均沉降量達43.2 mm；2 號變形體位于滑坡匯水區(qū)西側(cè)斜坡中上部，變形體面積達17 973 m2，監(jiān)測期間最大沉降量為50.6 mm，最小沉降量為24.2 mm，平均沉降量達36.4 mm；3 號變形體位于滑坡匯水區(qū)東側(cè)斜坡頂端，變形體面積為4 636 m2，監(jiān)測期間最大沉降量為68.7 mm，最小沉降量為29.8 mm，平均沉降量達43.5 mm；4 號變形體位于滑坡匯水區(qū)東側(cè)斜坡頂端，與3 號變形體北側(cè)相接，變形體面積3 043 m2，監(jiān)測期間最大沉降量為71.8 mm，最小沉降量為31.3 mm，平均沉降量達49.9 mm；5 號變形體位于滑坡匯水區(qū)西側(cè)斜坡北部頂端，較接近居民區(qū)，變形體面積達11 281 m2，監(jiān)測期間最大沉降量為47.6 mm，最小沉降量為20.1 mm，平均沉降量達38.3 mm。

表3 斜坡變形體Table 3 Deformation of slope

圖6 D-InSAR 監(jiān)測結(jié)果Fig.6 D-InSAR monitoring results

匯水區(qū)兩側(cè)斜坡變形體分布及變形體沉降量顯示，西側(cè)斜坡大面積處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并向斜坡下端逐步延伸；東側(cè)斜坡雖然頂端變形體形變量較大，但是變形體面積較小，整個東側(cè)斜坡大部分區(qū)域由于植被覆蓋程度較好，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。因此，治新村滑坡威脅主要來源于匯水區(qū)植被覆蓋程度較差的西側(cè)斜坡。

根據(jù)斜坡兩側(cè)變形體特征及斜坡地形特征，針對剖線AA′、BB′、CC′、DD′作形變量及高程變化剖面分析，對比二者變化特征（圖7）。從圖7 可以看出，區(qū)域形變累計量與斜坡高程存在明顯負相關，即斜坡高處相對沉降量較大，而隨著斜坡高程降低，沉降量亦逐漸減小，局部居民區(qū)由于滑坡物質(zhì)累積，地表呈現(xiàn)抬升現(xiàn)象。

圖7 治新村滑坡剖面特征Fig.7 Profile characteristics of Zhixincun landslide

4 結(jié)論

（1）SBAS-InSAR 技術可以監(jiān)測滑坡形變演化特征，D-InSAR 技術可以監(jiān)測滑坡形變體特征，二者結(jié)合進行監(jiān)測可以更全面地反映滑坡時空演化態(tài)勢。受研究區(qū)低矮植被和冬季積雪的影響，通過C 波段Sentinel-1A 影像獲取的滑坡體監(jiān)測點較少，使用L 波段ALOS-2 數(shù)據(jù)則可以很好的解決影像失相干的問題。

（2）滑坡后緣在監(jiān)測期間發(fā)生了明顯形變，該區(qū)域在7 月份強降雨過程中發(fā)生了先沉降后抬升的形變，期間沉降量達12.47 mm，監(jiān)測期間平均沉降速率為2.88 mm/a。同時，山谷居民區(qū)地表也在降雨后處于持續(xù)抬升階段，至12 月8 日平均累計抬升達19.59 mm，最大抬升點累計抬升達36.62 mm，監(jiān)測期間平均抬升速率19.99 mm/a。因此，雨季是治新村滑坡災害防治的重點時期。

（3）基西側(cè)斜坡大面積處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有向斜坡下端逐步延伸的趨勢，最大變形體面積17 973 m2，平均沉降量36.4 mm；東側(cè)斜坡變形體面積小于西側(cè)，但變形體形變量較大，平均沉降量49.9 mm。結(jié)合實際調(diào)查，東側(cè)斜坡大部分區(qū)域由于植被覆蓋程度較好，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。因此，治新村滑坡災害的主要威脅來源于匯水區(qū)植被覆蓋程度較差的西側(cè)斜坡，且形變同地形相關明顯，斜坡頂端沉降量幾乎是最大的，隨著斜坡高度降低，沉降量亦逐漸降低，但山谷居民區(qū)由于滑坡物質(zhì)累積則呈現(xiàn)地表抬升。