葉圣生, 謝謨文, 陳又華

((1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 2.北京科技大學(xué),北京 100000)

基于D-InSAR的廣域滑坡變形識(shí)別應(yīng)用技術(shù)研究

葉圣生1, 謝謨文2, 陳又華1

((1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 2.北京科技大學(xué),北京 100000)

闡述D-InSAR三軌法地表變形測(cè)量技術(shù)原理及數(shù)據(jù)處理流程,提出基于滑坡變形時(shí)—空連續(xù)性特征的廣域滑坡變形識(shí)別技術(shù),并以烏東德近壩庫段為例,對(duì)比分析D-InSAR技術(shù)獲得的滑坡變形分布區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果、滑坡變形量與實(shí)際變形監(jiān)測(cè)結(jié)果,分析表明:在植被稀少的區(qū)域,D-InSAR獲得的滑坡變形范圍與實(shí)際調(diào)查基本一致,但其變形量與實(shí)際變形監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較大,因此認(rèn)為采用D-InSAR技術(shù)在一定范圍內(nèi)可以對(duì)廣域滑坡變形進(jìn)行識(shí)別,為快速、有針對(duì)性地現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供重要參考。

D-InSAR;三軌法;滑坡變形;時(shí)—空連續(xù)性;廣域滑坡;變形識(shí)別;現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核

在所有地質(zhì)災(zāi)害中,滑坡災(zāi)害以其數(shù)量多、體積大、造成的災(zāi)害影響大,成為影響人類工程活動(dòng)最主要的環(huán)境制約因素。目前通過遙感影像及地形信息合成三維真實(shí)場(chǎng)景,在三維真實(shí)場(chǎng)景下可以較快速地解譯滑坡范圍及形態(tài)等特征,但產(chǎn)生災(zāi)害的滑坡經(jīng)常是正在變形的滑坡,依靠傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查及常規(guī)監(jiān)測(cè)方法難以查明廣域的滑坡變形范圍,而采用D-InSAR技術(shù)可以較好地識(shí)別滑坡變形特征,并為滑坡調(diào)查及穩(wěn)定性初步評(píng)價(jià)提供有效的技術(shù)手段。

1 D-InSAR地表變形測(cè)量技術(shù)原理

1.1 基本原理

差分干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Differential Intereferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)是在干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其原理是利用同一地區(qū)至少三次拍攝影像形成2幅或以上的像對(duì),對(duì)像對(duì)進(jìn)行干涉處理形成干涉圖像,對(duì)2幅干涉圖像進(jìn)行二次差分處理,消除地形起伏和雷達(dá)成像幾何的影響,從而獲取地表微量變形的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)[1]。

?r1-r2?B1sin(θ-δ1)?B//

(1)

圖1 三軌法差分干涉測(cè)量成像幾何示意圖Fig.1 Geometrical sketch of three-pass differential interferometric imaging

式(1)表明用干涉測(cè)量法所得到的相位差與視線方向的基線分量成正比。假設(shè)在設(shè)定的A1處獲得的第一幅影像為主影像,在地表未發(fā)生變形前在A2處獲取第二幅影像,所以第二幅影像與A1處的主影像進(jìn)行干涉處理形成的干涉條紋圖像,其干涉相位僅包含地形信息,即相位差可表示為:

(2)

式中:星載重復(fù)軌道ρ=2;λ為微波波長。

假設(shè)地表發(fā)生變形后在該處獲取了第三幅影像,所以第三幅影像與主影像形成的干涉條紋圖像的相位,既包含地形信息又包含地表變形信息。且由于獲得的影像間要求基線足夠小,所以可近似看作θ不變,即相位差可表示為:

(3)

由式(2)和式(3)得:

(4)

假設(shè)ΔRd為視線向變形量,則由式(2)、(3)、(4)推得由視線向變形量引起的干涉條紋圖相位差Δφd可表示為:

(5)

上式左邊的各量可由干涉條紋圖的相位和軌道參數(shù)計(jì)算得到,進(jìn)而可確定影像每點(diǎn)的視線向變形量ΔRd,分解后得到水平變形量和垂直變形量等。由上式可得出差分相位對(duì)地表變形的靈敏度(Δφd/ΔRd)為4π/λ,與地面高度相比,相位對(duì)地表變形更敏感,1/2個(gè)波長的地表變形量就會(huì)引起一個(gè)2π的相位變化。

由于D-InSAR技術(shù)能以厘米量級(jí)甚至更小尺度獲得某一地區(qū)連續(xù)的地表變形信息,它們?cè)诘匦沃茍D、速度場(chǎng)探測(cè)、土地利用分類、洪水監(jiān)測(cè)以及地表變形監(jiān)測(cè)等方面有較廣泛的應(yīng)用。

采用D-InSAR技術(shù)測(cè)量的地表變形值,主要是依據(jù)不同時(shí)間拍攝時(shí)的相位信息,若該研究區(qū)域發(fā)生的變化過大,相位之間失相關(guān),則不能選用D-InSAR技術(shù)來監(jiān)測(cè),因此D-InSAR技術(shù)一般適用于監(jiān)測(cè)緩慢變形的巖土體。因此對(duì)緩慢的滑坡變形災(zāi)害早期辨識(shí)及趨勢(shì)判斷來說有一定的優(yōu)勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)處理流程

以InSAR單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)(SLC)提取的相位信息為信息源,影像配準(zhǔn)后生成干涉條紋圖,并進(jìn)行去地平效應(yīng)、濾波、相位解纏及軌道精化等處理,在此基礎(chǔ)上,再對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行二次差分處理,并形成最終的地表變形圖,其中相位解纏是數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵步驟。數(shù)據(jù)處理基本流程如圖2。

圖2 三軌法影像數(shù)據(jù)處理基本流程圖Fig.2 Basic flow chart of three-pass image data processing

2 基于D-InSAR的廣域滑坡變形識(shí)別技術(shù)

2.1 D-InSAR地表變形產(chǎn)生因素分析

通過D-InSAR技術(shù)獲得的地表變形量是反映前后兩次拍攝時(shí)地表的形狀改變,而引起某一地區(qū)地表產(chǎn)生變形的因素有許多種,如工程開挖、植被生長變化、河流水位變動(dòng)、滑坡、崩塌變形及拍攝角度等等。

通常滑坡體發(fā)生變形表現(xiàn)出在一定的區(qū)域范圍內(nèi),其變形隨時(shí)間推移具有累加性,并且變形有一定的方向性。而地表植被變化、河流水位變動(dòng)則表現(xiàn)出地表變形具有季節(jié)周期性,變形值無累加性。對(duì)工程開挖引起的地表變形,其變形量一般較大,通過現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核也比較容易識(shí)別。

2.2 滑坡變形識(shí)別技術(shù)

2.2.1 假彩色合成法

研究某一區(qū)域內(nèi)地表形狀變化通常采用圖像變化檢測(cè)技術(shù)——假彩色合成法。假彩色合成是根據(jù)加色法或減色法,將多波段單色影像合成為假彩色影像的一種彩色增強(qiáng)技術(shù),是圖像信息增強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過彩色合成增強(qiáng),可以從圖像背景中突出目標(biāo)地物,增強(qiáng)目標(biāo)與背景或是不同地物之間的對(duì)比,便于遙感圖像判讀。

以相同軌道、相同入射角的Radarsat-2數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,將前、后兩時(shí)相的SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn),利用假彩色合成技術(shù)突出顯示變形量較大區(qū)域,便于對(duì)研究區(qū)域內(nèi)較大變形區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。通過D-InSAR數(shù)據(jù)處理與假彩色合成技術(shù),可以發(fā)現(xiàn)地表變形區(qū)域,并監(jiān)視變形趨勢(shì)。

2.2.2 變形特征分析

由于D-InSAR獲取地表變形具有不同時(shí)間點(diǎn)上的空間面狀分布特征,因此與傳統(tǒng)的基于變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)物理量變化的判斷方法不同,廣域滑坡變形識(shí)別方法是建立在面狀變形區(qū)域時(shí)空連續(xù)性的分析上。在差分干涉處理過程中,把變形區(qū)域呈現(xiàn)出片狀結(jié)構(gòu),而不是散點(diǎn)形式的,稱作為變形的空間連續(xù)性;把不同時(shí)段差分結(jié)果中都能體現(xiàn)出變化的,稱作該區(qū)域變形的時(shí)間連續(xù)性[2]。

在滿足以上時(shí)空連續(xù)性的變形區(qū)域內(nèi),結(jié)合各種因素產(chǎn)生變形的特征,在時(shí)空連續(xù)的區(qū)域內(nèi)逐步剔除如植被生長、水位變動(dòng)、工程建設(shè)等地表變形區(qū)域,最終可初步認(rèn)為地表巖土體變形區(qū)域。要從地表巖土體變形區(qū)域中識(shí)別出滑坡變形,還應(yīng)結(jié)合以下滑坡變形基本特征進(jìn)行綜合分析。

(1) 變形量:滑坡緩慢變形其量值一般較小,而崩塌的變形值比較大。

(2) 變形范圍的大小:滑坡發(fā)生變形的范圍一般是連續(xù)的面狀體,崩塌是零星的點(diǎn)狀變化范圍。

(3) 發(fā)生的頻率:滑坡變形在時(shí)間上具有連續(xù)的變形過程。而崩塌和塌岸屬于突發(fā)性巖土體移動(dòng),在時(shí)間上不連續(xù)。

(4) 變形區(qū)域的地貌特征:崩塌發(fā)生在地形高陡位置,滑坡地形則相對(duì)平緩,具有較典型滑坡地形地貌特征。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核

從變形區(qū)域的時(shí)間和空間連續(xù)性進(jìn)行分析,把分析后的結(jié)果作為滑坡變形識(shí)別的初步成果,但產(chǎn)生地表變形的因素多種多樣,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果,最終完成廣域滑坡變形的識(shí)別。

3 應(yīng)用成果分析——以烏東德近壩庫段為例

3.1 地質(zhì)背景及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

烏東德水電站是金沙江下游河段規(guī)劃建設(shè)的四個(gè)水電梯級(jí)中的最上游梯級(jí)。壩址河段右岸屬云南省昆明市祿勸縣,左岸屬四川省會(huì)東縣。本次研究范圍大致以壩址為中心,包括壩址上、下游各約10 km的河段兩岸,研究中心的坐標(biāo)為北緯102°36′,東經(jīng)26°22′[3]。

研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),干、濕季明顯,金沙江河谷兩岸從高程830～1 600 m的植被以雜草、灌木為主;高程1 600 m以上植被主要為喬木和灌木。研究范圍內(nèi)山高坡陡,金沙江及其支流分布較多的滑坡體,其中以壩址下游金坪子滑坡Ⅱ區(qū)變形較為明顯,干流上其它滑坡體變形不明顯,區(qū)域范圍內(nèi)人類工程改造現(xiàn)象明顯。

在研究范圍內(nèi),分別購買2008年的Envisat數(shù)據(jù),2009年的ALOS-palsar數(shù)據(jù),2010年的Radarsat-2數(shù)據(jù)來進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)干涉和差分干涉處理,通過對(duì)比分析購買的三種數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)采用2010年訂購的8景降軌Radarsat-2編程數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)效果最優(yōu),能達(dá)到廣域滑坡早期識(shí)別的目的,因此2011年續(xù)訂了8景Radarsat-2編程數(shù)據(jù),并采用升、降軌拍攝的模式。Radarsat-2各景訂購數(shù)據(jù)為HH極化方式,入射角為39.57°,其它信息見表1。

表1 Radarsat-2訂購數(shù)據(jù)信息表

3.2 滑坡變形識(shí)別

3.2.1 變形點(diǎn)1——金坪子滑坡變形識(shí)別

金坪子滑坡位于研究區(qū)東部,金沙江右岸,滑坡區(qū)面積約4.5 km2,體積約1.96億m3,共分五個(gè)區(qū)。根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,分布于滑坡中后緣的Ⅰ區(qū)及Ⅱ區(qū)為滑坡變形區(qū)。

以降軌數(shù)據(jù)為例,通過使用永久反射點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)角反射點(diǎn),對(duì)2010年及2011年的Radarsat-2數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理,并進(jìn)一步進(jìn)行可信區(qū)域分析和過濾處理,獲取變形點(diǎn)1——金坪子滑坡的坡向及垂直變形區(qū)域分布(圖3、圖4),圖中(a)-(f)為2010年的假彩色合成圖,(g)-(h)為2011年的假彩色合成圖。

從上圖可以看出,滑坡中后緣(虛線及實(shí)線部分)在2010年8月—11月出現(xiàn)成片的連續(xù)變形。采用D-InSAR技術(shù)獲得的變形區(qū)域與滑坡實(shí)際變形部位基本一致。

3.2.2 區(qū)域變形點(diǎn)識(shí)別及分布

在烏東德近壩區(qū)域,采用D-InSAR技術(shù)共提取出14處地表巖土體變形區(qū)域,各區(qū)域分布如圖3,通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,對(duì)14處地表變形點(diǎn)調(diào)查分析結(jié)果見表2。

圖3 變形點(diǎn)1坡向變形識(shí)別圖Fig.3 Maps to identify slope deformation in the No.1 ground deformation area

表2 烏東德近壩區(qū)域D-InSAR變形識(shí)別成果表

Table 2 Results of D-InSAR deformation recognition points in the Wudongde dam-reservoir

編號(hào)及位置變化特征現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果識(shí)別結(jié)果變形點(diǎn)1金坪子多次處理結(jié)果均呈區(qū)域變化，垂直位移約100cm，坡向位移約400cm滑坡地貌，地表開裂明顯，滑坡體Ⅱ區(qū)整體變形滑坡變形變形點(diǎn)2大石城5次處理結(jié)果呈區(qū)域變化，其它分散，垂直位移約100cm，坡向位移約200cm滑坡地貌，地表局部裂縫，可零星崩塌滾石滑坡局部變形及崩塌變形點(diǎn)3托支作雨季兩景影像處理結(jié)果出現(xiàn)區(qū)域變化，垂直位移約30cm，坡向約200cm滑坡地貌，陡坡邊緣變形拉裂滑坡局部變形變形點(diǎn)4魯基2011年影像處理結(jié)果有兩次呈區(qū)域變化，垂直位移約30cm，坡向約100cm陡坡表層土體，變形不明顯淺層堆積體變形點(diǎn)5碉房梁子多次處理結(jié)果均有變化，局部呈面狀，垂直位移約30cm，坡向約100cm陡坡邊緣，雨季崩塌，局部變形基巖崩塌變形點(diǎn)6小箐兩景影像處理結(jié)果出現(xiàn)區(qū)域變化，垂直位移約30cm，坡向約100cm陡坡邊緣，局部變形局部崩滑變形點(diǎn)7梅子坪2011年兩景影像出現(xiàn)變化，垂直位移約30cm，水平約100cm斜坡堆積體，變形不明顯堆積體局部變形變形點(diǎn)8花山村2011年兩景影像出現(xiàn)變化，區(qū)域變化較連續(xù)，垂直位移約30cm，水平約100cm堆積層斜坡，變形不明顯堆積層滑坡變形點(diǎn)9白泥塘2011年影像有三次變化，區(qū)域變化較連續(xù)，垂直位移約30cm，水平約400cm較陡斜坡，局部滑塌斜坡局部崩滑變形點(diǎn)10大坪子2011年影像有三次變化，區(qū)域變化較分散，垂直位移約100cm，水平約200cm陡坡邊緣，局部崩塌崩塌變形點(diǎn)11湯得2011年影像有三次變化，區(qū)域變化較分散，垂直位移約30cm，水平約100cm陡坡邊緣，局部崩塌小范圍崩塌變形點(diǎn)12山草坪影像多次出現(xiàn)變化，空間上呈斑點(diǎn)變化，垂直位移約100cm，水平約800cm陡坡邊緣，局部崩塌崩塌變形點(diǎn)13大凹子2011年影像有兩次變化，區(qū)域變化較連續(xù)，垂直位移約100cm，水平約100cm陡坡邊緣，局部崩塌小范圍崩塌變形點(diǎn)14向家村2011年影像有三次變化，區(qū)域變化較分散，垂直位移約100cm，水平約200cm較陡斜坡，局部崩塌崩塌

3.3 現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核結(jié)果比對(duì)

3.3.1 變形點(diǎn)與滑坡變形

自2004年以來,烏東德近壩范圍內(nèi)大部分區(qū)域開展過工程地質(zhì)測(cè)繪,根據(jù)測(cè)繪成果,近壩范圍內(nèi)分布有滑坡17處(圖5)。從D-InSAR識(shí)別結(jié)果來看,有4處識(shí)別為滑坡變形點(diǎn),其它識(shí)別為高陡斜坡邊緣的局部崩塌變形點(diǎn),4處滑坡變形點(diǎn)均位于早期地質(zhì)調(diào)查的滑坡范圍內(nèi),且前期測(cè)繪及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核均表明這4處滑坡存在變形破壞現(xiàn)象,另外崩塌變形點(diǎn)分布與實(shí)際崩塌變形破壞現(xiàn)象分布也基本一致。但是測(cè)繪成果表明,在支流鲹魚河兩岸滑坡分布較多,且滑坡局部在雨季均有少量變形,而采用D-InSAR技術(shù)均未識(shí)別出,其原因可能為鲹魚河兩岸的滑坡均為耕田,植被好,相對(duì)于植被生長及耕地地面人工改造等地面改變,滑坡變形量相對(duì)較小而無法進(jìn)行識(shí)別。

圖5 烏東德近壩區(qū)域D-InSAR變形識(shí)別點(diǎn)分布圖Fig.5 Distribution map of D-InSAR deformation recognition points in the Wudongde dam-reservoir

對(duì)比以上分析,認(rèn)為目前D-InSAR技術(shù)可以對(duì)部分滑坡變形進(jìn)行識(shí)別,但不能全部識(shí)別,尤其是不能對(duì)植被覆蓋較多的滑坡變形進(jìn)行識(shí)別。

3.3.2 變形量與滑坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

自2005年開始,變形點(diǎn)1——金坪子滑坡Ⅱ區(qū)(圖3、4中實(shí)線區(qū)域)進(jìn)行了長期的變形監(jiān)測(cè)工作,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:從后緣至前緣,各點(diǎn)平面位移速率逐漸增,前緣位移速率一般在1.0～1.1 mm/d,后緣一般在0.26～0.80 mm/d,年累計(jì)變形量為95～400 mm。

選擇圖3-(f)進(jìn)行對(duì)比,圖3-(f)中實(shí)線范圍為金坪子滑坡Ⅱ區(qū),該影像監(jiān)測(cè)時(shí)段為2010年5月30日—2010年11月14日,共164天,采用D-InSAR技術(shù)獲得該段時(shí)間內(nèi)金坪子Ⅱ區(qū)大部分區(qū)域的變形量為600～800 mm及小部分區(qū)域>800 mm。對(duì)比兩者變形數(shù)值明顯相差較大,因此采用D-InSAR技術(shù)目前還不能進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),但其變形區(qū)域是與監(jiān)測(cè)部位基本一致的。

4 結(jié)語

從烏東德近壩區(qū)域D-InSAR變形識(shí)別結(jié)果來看,由于引起地表變形因素多樣,采用D-InSAR技術(shù)對(duì)廣域滑坡變形進(jìn)行全面識(shí)別仍然存在較大困難,但是在植被較少的區(qū)域,目前D-InSAR技術(shù)識(shí)別的滑坡變形位置與地面調(diào)查結(jié)果有較好的一致性;通過與監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì),D-InSAR技術(shù)識(shí)別的滑坡變形量不能作為監(jiān)測(cè)結(jié)果。因此在植被較少的區(qū)域采用D-InSAR技術(shù)對(duì)廣域滑坡變形的識(shí)別具有重要的指導(dǎo)作用,可為快速、有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)滑坡變形地質(zhì)調(diào)查及滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供重要參考。

[1] 石菊松,吳樹仁,石玲.遙感在滑坡災(zāi)害研究中的應(yīng)用進(jìn)展 [J].地質(zhì)論評(píng),2008(4):505-514.

[2] 王桂杰,謝謨文,邱騁,等.D-INSAR 技術(shù)在大范圍滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010,31(4):1337-1344.

[3] 陳又華,謝謨文,葉圣生,等.滑坡勘測(cè)與防治技術(shù)研究報(bào)告[R].武漢:長江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢),2012.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Research on Deformation Recognition Application Technology ofWide-area Landslide with D-InSAR

YE Shengsheng1, XIE Mowen2, CHEN Youhua1

(1.ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearchCo.，Ltd，Wuhan，Hubei430074； 2.BeijingUniversityofScienceandTechnology，Beijing100083)

The authors introduce principle of surface deformation measurement technique and the data processing flow of three-pass D-InSAR technology，and put forward a wide-area landslide deformation recognition technology based on the feature of spatial and temporal continuity of landslide deformation.Taking the Wudongde dam-reservoir as an example，it had compared and analyzed the landslide deformation distribution area and the site geological survey results acquired from the D-InSAR technique，the deformation of landslide and the actual monitoring results of deformation. The analysis results indicate that in the area of sparse vegetation，the landslide deformation range acquired from D-InSAR is agreed to the actual survey，but the deformation varies considerably. So that the D-InSAR technology can be used to identify the wide-area landslide deformation within a certain range，which can provide an important reference on rapid and targeted field geology survey and the stability evaluation of landslide.

D-InSAR； three-pass method； landslide deformation； spatial and temporal continuity； wide-area landslide； recognition of deformation； site review

2016-04-01;改回日期:2016-06-21

葉圣生(1970-),男,高級(jí)工程師,工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電、地質(zhì)災(zāi)害等工程勘察設(shè)計(jì)研究工作。E-mail:shenthy@163.com

P642.22

A

1671-1211(2016)05-0776-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.024

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1532.024.html 數(shù)字出版日期:2016-08-10 15:32