廣域巖土體變化監測研究

謝謨文，黃潔慧，王增幅，劉翔宇

(北京科技大學土木與環境工程學院，100083，北京)

公共安全是國家安全和社會穩定的基石，重大工程及生命線等基礎設施的開發及安全運營是經濟社會發展的保障;因此，為了確保大型國家重點工程的安全運營及公共安全，對可能因惡劣天氣及人為活動引起的地質災害實施高效的廣域實時監測是確保災害預警成功和降低災害損失的必然選擇。傳統監測預警方法依靠人力對單個災害點進行地質測繪、野外勘探和長期觀測，需要耗費大量人力物力，花費巨大，耗時較長，同時不能完整地反映區域內滑坡變形的整體面狀狀況，而且不能應用于人員難以進入的區域、處于高風險和尚未發生位移的滑坡地段，尤其是對于大型庫區及周邊的地表變形，采用常規監測方法來實施大面積持續監測非常困難。綜合上述原因，傳統監測方法難以滿足廣域巖土體變化監測的時效性要求。隨著遙感技術的發展，利用雷達遙感數據進行災害的風險預警和災情評估成為可能，并已經顯示出巨大的潛力。

隨著合成孔徑雷達(SAR)遙感技術的發展，A.K.Grabriel［1］等在1989 年首次論證了D－InSAR 技術可用于監測厘米量級的地表形變。我國利用D－In－SAR 技術來監測巖土體變化的研究起步較晚，2002年Xia Y 等［2］利用D－InSAR 技術與PS 技術相結合對三峽庫區新灘滑坡和鏈子崖滑坡進行了監測研究。另外，2006 年，霍志濤等［3］在《三峽庫區新技術新方法》中提到美國阿拉斯加大學地球物理研究所與中國地震局地震研究所利用D－InSAR 技術對三峽庫區的地面運動包括地震形變、大型滑坡及庫盆沉降進行了研究。總之，D－InSAR 技術在廣域巖土體變化監測方面的實際應用研究仍相對較少，且采用D－InSAR 技術在巖土體變化監測方面的成功實例都僅局限于地表形變幅度較大、植被稀少，地勢平坦區域的監測。

筆者選取金沙江流域高山峽谷區烏東德壩址20 km×20 km 的范圍為研究區域，分別采用合成孔徑雷達差分干涉測量技術(D－InSAR)和假彩色合成技術來監測庫區巖土體的變化。D－InSAR 技術采用Radarsat－2 編程SLC 數據為數據源，在時間序列上采用三軌差分干涉測量技術對數據進行處理。同時考慮到利用D－InSAR 技術進行監測的過程中多方誤差和地形起伏給分析結果帶來的影響，進行可信區域分析，并針對位移誤差值的大小、變化區的位移方向是否與坡向一致等因素設定對應的閾值進行過濾處理。采用編程數據、可信區域分析、過濾處理與D－InSAR 技術相結合的方法與常規D－InSAR 技術相比，該方法盡可能地減少了地形引起的疊掩和陰影，并過濾掉無效值，大大減少了誤差值對監測結果的影響，最終有效提取出變化區域。同時采用假彩色合成技術對購買的SLC 數據進行時序分析，提取出較大變化區域。最后通過2 種遙感監測結果與地面驗證結果的比較，驗證變化地點和巖土變動類型與分析結果的一致性，以期實現發現變動、監視趨勢的遙感監測目的。

1 監測方法

就巖土體變化速度而言，可分為突發型巖土體變化與緩慢型巖土體變化2 大類。突發型巖土體變化指突然發生的、并在較短時間內完成的變化。由于突發型巖土體變化發生突然，前兆現象一般不明顯，且多數突發型巖土體變化活動強烈，發生的形變都較大。緩慢型巖土體變化發生緩慢，持續時間長，短時間內的形變值大多小于影像圖的分辨率。庫區地質條件一般較復雜，水庫蓄水對原有地質環境條件改變甚大，水庫蓄水過程中對庫岸的穩定性影響很大，可能同時引起突發型和緩慢型的巖土體變化。

合成孔徑雷達差分干涉測量技術和假彩色合成技術各有優缺點，合成孔徑雷達所獲得的SAR 數據既含有反射強度信息又包含與地形和形變有關的相位信息，對緩慢型巖土體變化的早期辨識及趨勢判斷來說具有其他方法無可比擬的優勢。采用D－In－SAR 技術測量形變值主要是依據不同時間拍攝時的相位信息，若該研究區域發生的變化過大，2 次數據的相位信息會造成失相干，則不能選用D－InSAR技術來監測;因此D－InSAR 技術一般適用于監測緩慢型巖土體變化。假彩色合成法是一種常用的變化檢測方法，是基于影像圖的像元進行分析的，受到影像數據分辨率的限制，只能分辨變化較大的巖土體變化區域。以河流塌岸為例，河流塌岸災害最直接的表現形式是引起河道平面形態的改變，發生范圍較大，可以利用多時相遙感數據，采用假彩色合成變化檢測法圈定影響范圍，預測未來發展趨勢;因此應針對巖土體變化的不同形變特征來選取相應的變化監測方法，其技術路線如圖1。

圖1 廣域巖土體變化監測技術路線圖Fig.1 Technology roadmap of monitoring wide－area change in rock and soil

1.1 D-InSAR 技術

D－InSAR 技術是一種新的空間對地觀測技術，它利用SAR 數據的相位信息來提取高程變化信息和地表三維信息，可用于監測地球表面的微小變化。D－InSAR 技術是在主動式SAR 相干成像即InSAR基礎上發展起來的，其原理是利用至少3 次拍攝影像構成2 個像對，其中一個像對時相差盡可能小，以保證2 次成像期間地表幾乎沒有變化，另一個像對具有較長的時相差，2 次成像之間地表發生了位移。對2 個像對做干涉處理形成2 幅干涉圖，長時相的干涉圖中包含反映地形起伏形狀的干涉相位和由于成像期間地面位移引起的干涉相位，短時相的干涉圖可近似地認為只含反映地形起伏形狀的干涉相位。對干涉圖做二次差分處理，消除地形起伏和雷達成像幾何形成的相位差，剩余的相位差即為成像期間地面發生變化所引起的［4－6］。

與高度相比，相位對地表形變更敏感，1/2 個波長的地表形變量就會引起1 個2π 的相位變化，例如，對于Envisat ASAR 傳感器，當B⊥=400 時，B⊥為2 次成像時的空間基線距，21.9 m 的高度引起1個2π 的相位變化，而2.8 cm 的地表形變就可以引起1 個2π 的相位變化。

1.2 假彩色合成技術

假彩色合成是根據加色法或減色法，將多波段單色影像合成為假彩色影像的一種彩色增強技術，是圖像信息增強的關鍵技術之一。合成彩色影像與天然色彩不同，且可任意變換，故稱假彩色影像。彩色合成增強法將多波段黑白圖像變換為彩色圖像，通過彩色合成增強，可以從圖像背景中突出目標地物，增強目標與背景或是不同地物之間的對比，便于遙感圖像判讀［7－8］。由于地物的差異更多地表現在不同波段上，如何將反映在不同波段上的差異綜合地反映出來，擴大地物間的差異，提高地物判譯效果，是假彩色合成的最終目的。假彩色合成技術用于變化檢測的圖像序列集一般要求滿足同傳感器、相同軌道(升軌或降軌)、相同或相近入射角3 個條件。筆者以相同軌道，相同入射角的Radarsat－2 數據為數據源，采用假彩色合成技術對研究區域內突發較大巖土體變化區域進行識別。采用假彩色合成法對地表的變化進行檢測時先將前、后2 時相的SAR 影像數據精確配準，變化前的影像圖賦予給紅波段，變化后的影像圖賦予給綠波段和藍波段，合成出一幅假彩色合成圖。若強度發生變化，在假彩色合成影像圖中能很明顯地顯示變化區域。

2 研究區域概況

研究區域中心坐標為E 26°22'、N 102°36'，位于烏東德水電站庫區壩址附近。烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會東縣交界的金沙江干流上，以發電為主，兼顧防洪和攔沙，是金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4 個水電梯級的最上游梯級，是國家西電東送的骨干工程之一［9］。金坪子滑坡位于烏東德梯級河段下游右岸，上距烏東德壩址約900 m，因金坪子滑坡里壩址很近，且有一區域一直在滑動，所以金坪子滑坡的穩定現狀、變形趨勢及可能失穩方式及規模關系到烏東德水電站的安全，因而歸為重點監測區域。

3 數據來源

采用存檔數據不能根據需要來選取拍攝模式和入射角度，而研究區域地處我國西南高山峽谷區，地勢險峻，交通不便，存檔數據會有大量的陰影和疊掩。為了達到可靠的監測效果，以研究區域的Radarsat－2 編程數據為數據源，來進行巖土體的變化監測。Radarsat－2 于2007 年12 月14 日成功發射，是Radarsat－1 的后續衛星，它除延續了Radarsat－1 的拍攝能力外，在新的圖像獲取能力及性能方面，又有了很大的進展;同時，它具備成熟的商業運作模式和實力雄厚的技術支撐團隊:因此，可以可靠地、保密地、及時地向商業用戶提供高質量的SAR 圖像。

Radarsat－2 衛星支持編程，因此可以根據需要來訂購。綜合考慮金坪子滑坡的朝向，重點研究區域的坡度，雨季時間段，分辨率等因素，最終訂購了2010－10－21、2010－11－14、2011－07－12 和2011－08－21 4景超精細HH 極化產品模式，分辨率為3 m，幅寬為20 km×20 km 的降軌數據，入射角為39.57°。拍攝范圍如圖2 所示。

圖2 研究區域圖Fig.2 Study area

4 監測結果分析與現場驗證

4.1 監測結果分析

4.1.1 D－InSAR 監測結果 對訂購的數據進行DInSAR 處理，在整個處理過程中假設相隔一重訪周期的第1 景和第2 景拍攝時研究區域未發生形變，以第1 景和第2 景為基準分別與第3、4 景進行三軌差分處理，獲得研究區域內的垂直位移值。由于研究區域地形起伏較大，會產生大量的陰影和疊掩，這些區域內的監測值誤差較大甚至不可采用，因此需先提取出拍攝范圍內的可信區域。同時在利用DInSAR 技術進行監測的過程中，很多因素都有可能產生誤差，從而影響分析結果，例如:地形起伏、相位解纏誤差、大氣延遲等。為了克服這些錯誤值，對D－InSAR 技術的監測結果再進行過濾處理，最終提取出8 處變化區域，如圖3 所示。

1 號區域為金坪子滑坡上一小區域，從DInSAR的監測結果中可看出空間上呈面狀分布，說明該處處于連續滑動狀態。2 號區域為壩址右壩肩，同樣是呈面狀分布，且該處位于壩肩附近，需重點監測。第3 處區域位移較大，結合影像數據和地形數據，判斷該處為崩塌。第4 處區域有待現場確認，第5 處區域空間上表現出來的是零散的斑點變化，且變化面積較大，結合地形數據，該處地勢陡峭，推測為崩塌。第6 處區域在空間上具有一定的連續性，有待現場進一步驗證。第7 處區域分布較零散，推測為崩塌引起的變化，第8 處區域有待現場進一步驗證。

圖3 D－InSAR 監測結果Fig.3 Results of D－InSAR

4.1.2 假彩色合成結果 把訂購的SLC 數據先進行精確配準，時序上對配準后的數據進行假彩色合成處理，圈出紅色和藏青色突出顯示區域，共提出7處較大變化區域，其分布圖和7 處變化詳見圖4。

假彩色合成結果圖中，若以紅色突出顯示，說明該處強度變強，若是藏青色突出顯示，說明該處強度變弱。從上述7 處結果圖中可看出，大部分變化區域都是強度變強，且形狀規則，點狀分布，推測為房屋修建或是施工引起的變化。

4.2 現場驗證

圖4 彩色合成監測結果Fig.4 Results of false color composite

4.2.1 D－InSAR 監測結果現場驗證 因研究區域地處山區，交通不便，對所有監測結果進行調查既費時又費力，因此選取8 處中的3 處作為現場調查對象，3 處區域分別為1 號、2 號和4 號區域。1 號區域現場調查確認該處為一堆積體，堆積體上散落較多大石塊，如圖5，并處于不斷滑動狀態。2 號區域也為一堆積體，如圖6，現場測得堆積厚度為70 m左右。此處區域對壩址安全起到決定性的作用，需加以重視，持續監測。4 號區域現場驗證為石灰巖巖質滑坡，有明顯多級臺階式錯滑，錯滑總寬度約700 m，滑坡臺階的新近變形跡象明顯，如圖7 所示。

圖5 1 號區域現場調查照片Fig.5 Investigation photo of No.1 region

圖6 2 號區域現場調查照片Fig.6 Investigation photo of No.2 region

1 號區域金坪子滑坡為已知滑坡，其在監測結果中能很好地體現出來，證明了監測方法的有效性。2 號和4 號區域為新發現的巖土體變化區域，2 號區域位于壩肩，監測結果對大壩的現場施工安全有很好的參考作用。2 號和4 號區域的發現，證明了所采用方法完全可以達到發現變化區域的目的。

圖7 4 號區域現場調查照片Fig.7 Investigation photos of No.4 region

圖8 假彩色合成第1 處現場調查照片Fig.8 Investigation photo of false color composite No.1 region

圖9 假彩色合成第2 處現場調查照片Fig.9 Investigation photo of false color composite No.2 region

4.2.2 假彩色合成監測結果現場驗證 對假彩色合成的監測結果分別進行現場調查。第1 處變化是由上面基地的房屋建設引起的，如圖8。第2 處變化區域位于上下2 基地之間，處于通往烏東德壩址的公路兩旁，引起變化的原因是2011 年當地居民在公路兩旁建了大量店面，很多還在施工中(圖9)。第3 處變化區域是下面基地，該基地位于金沙江邊一較寬闊平坦區域;因此，中國水利水電十四局和三峽勘察設計院在該處都設有基地。基地內堆積有一些建筑材料，并且有一碎石場，場內堆有大量碎石，這些堆積物都會隨時間有所改變，現場圖片如圖10。第4 處經現場調查驗證該處正在修建自來水廠(圖11)。第5 處區域位于一村莊，為村民新建房屋引起(圖12)。第6 處區域是由于金沙江左側修建隧道引起的(圖13)。第7 處區域位于金坪子滑坡對岸，該處地勢平坦，且附近在修路，為了方便施工人員的住宿，新建了幾棟臨時房屋(圖14)。

圖10 假彩色合成第3 處現場調查照片Fig.10 Investigation photo of false color composite No.3 region

圖11 假彩色合成第4 處現場調查照片Fig.11 Investigation photo of false color composite No.4 region

圖12 第5 處現場調查照片Fig.12 Investigation photo of No.5 region

圖13 第6 處現場調查照片Fig.13 Investigation photo of No.6 region

圖14 第7 處現場調查照片Fig.14 Investigation photo of No.7 region

5 小結

根據巖土體變化類型選取不同的監測方法進行監測，共提取出15 處變化區域。監測結果與后期的實地調查結果對比，發現用D－InSAR 技術和假彩色合成監測得到的變化趨勢和位置與實際變化情況是一致的，實現了發現變動和監視趨勢2 目的，證明將假彩色合成技術與D－InSAR 技術相結合的方法應用到廣域巖土體變化監測是可行的。

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