InSAR技術在阿克蘇地區地質災害調查中的應用

遲瑤

摘 要：目前，InSAR技術在地質災害方面的應用范圍越來越廣。利用該技術對大區域的連續變形進行觀測，能對區域內的地質災害進行早期識別和探測。在配合高分辨率的光學遙感數據的情況下，可以對解譯成果進行地質災害的分類、分級。隨著科技的快速發展，InSAR技術也將獲得更大的進步，在地質災害預警以及調查方面將會彰顯出更大的應用潛力。

關鍵詞：InSAR技術;地質災害;滑坡;崩塌;泥石流

中圖分類號：P642文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0125-04

Application of InSAR Technology in Geological Hazard Survey in Aksu Area

CHI Yao

（China Geo-Engineering Corporation，Beijing 100089）

Abstract： At present， the application of InSAR technology in geological disasters was more and more widely. This technology can observe the continuous deformation of large areas and early identify and detect geological disasters in the region. With high-resolution optical remote sensing data， geological disasters can be classified and graded according to the interpretation results. With the rapid development of science and technology， InSAR technology will also make greater progress， showing greater application potential in geological disaster warning and investigation.

Keywords： InSAR technology;geological calamity;landslide;collapse;debris flow

1 區域地質環境

1.1 交通位置

調查區位于新疆維吾爾自治區中西部，天山山脈南部南坡，東西長約515 km、南北約280 km，地理坐標為東經78°01′46.23″～84°02′09.50″，北緯40°05′51.68″～42°30′10.14″，總面積約59 067.4 km2。調查區內分布有219國道、G217獨庫公路，區內各鄉、鎮、村及礦山有山路相通，其他交通條件較差。

1.2 氣象與水文

調查區處于歐亞大陸腹地，遠離海洋，屬于典型的大陸性干旱氣候。調查區大部分位于高山地區，氣候干燥，降雨稀少，蒸發強烈;多年平均氣溫為11.3 ℃，晝夜溫差達20 ℃，最高氣溫多在7月至8月，極端最高氣溫可達41 ℃，最低氣溫多在12月至來年1月，極端最低氣溫為-33.2 ℃。調查區的較大河流為阿克蘇河、渭干河、庫車河。

1.3 地質條件

調查區地處天山山脈中段南麓、塔里木盆地北緣[1]，地勢總的特征是西北高東南低，地形起伏較大，相對高差較大。調查區地處天山地槽褶皺帶和塔里木地臺，在大地構造上屬于塔里木地臺一級構造單元。根據本區沉積建造、巖漿巖活動、深大斷裂構造等綜合特征，將本區構造單元劃分為兩個Ⅰ級構造單元、四個Ⅱ級構造單元、六個Ⅲ級構造單元（見表1）。

2 InSAR技術的應用

2.1 InSAR技術手段

合成孔徑雷達干涉（Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR）技術是近年來發展起來的空間對地觀測技術，是傳統的SAR遙感技術與射電天文干涉技術相結合的產物。其具有全天時全天候探測、探測范圍廣、測量精度高、成本低等特點，是地質災害監測的有效工具，已成為國內外地質災害監測、預警的重要手段[2]。

根據研究區的特殊地理位置和災害發育特征，本次監測將使用的InSAR技術包括合成孔徑雷達差分干涉（Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry，D-InSAR）技術和合成孔徑雷達干涉測量小基線集（Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR）技術。

D-InSAR技術是指通過SAR傳感器獲取同一區域的多幅影像，通過干涉處理去除其他分量的干擾，最終提取出地表的形變信息，如圖1所示。

SBAS-InSAR技術的基本原理是：對長時間序列上的一組SAR復數圖像，根據一定的基線約束條件進行分組，通過控制空間基線的長度來提高干涉圖的相干性，對差分干涉圖進行多視處理，以降低噪聲，提取高相干性單元，然后使用奇異值分解法，求得影像序列間地表變速率的最小范數最小二乘解[3]，如圖2所示。

2.2 地質災害變形監測

通過對監測區進行地表變形動態監測，提取地表變形速率和時間序列變形數據，圈定具有較大變形速率不穩定斜坡，經野外實地考察，驗證其可靠性，分析活動斜坡類型和典型斜坡空間及時間變形特征[4]。

2.2.1 滑坡變形特征及監測內容。①目標為處于變形發展階段的滑坡，年變形量為毫米至米級;②滑坡變形是三維變形，以沿坡向的整體矢量位移為主，兼具滑體表面不同部位的升降變形和局部的側向、反向變形;③滑坡變形InSAR監測結果表現為高速率變形圖斑。由于雷達入射角和坡向坡度的組合關系，滑坡變形監測結果的矢量信息需要綜合判定。

滑坡監測分為區域滑坡識別和單體變形特征監測。區域滑坡識別的內容主要包括滑坡位置、規模、數量、與背景環境的速度差值、災害發育程度等。單體滑坡監測的內容主要包括滑坡范圍、滑坡變形量、滑坡不同部位的變形差異、滑坡變形發展過程和發展趨勢、基于變形特征和地質條件分析滑坡成因機制和穩定性[5]。

2.2.2 崩塌變形特征及監測內容。①監測對象主要為潛在崩塌體或者危巖體;②監測對象坡度陡，面積小，三維幾何特征明顯;③位移方向以整體下沉和傾向坡外為主;④變形范圍無明確形狀，SAR雷達波反射復雜。

崩塌監測分為區域崩塌識別和單體變形特征監測。區域崩塌識別的內容主要包括崩塌（危巖體）的位置、分布、災害發育程度。單體崩塌監測的內容主要包括崩塌（危巖體）的范圍、變形量、位移方向、崩塌變形發展過程和發展趨勢、基于變形特征分析崩塌穩定性。

2.2.3 泥石流變形特征及監測內容。①泥石流監測應主要通過物源區變形的監測完成，是多個斜坡變形體集合的反映，分布范圍廣，位置離散，變形量和位移方向差異大。②對于順溝道緩慢流動的泥石流，觀測到的流動方向為沿主溝的梯度方向。③物源區滑坡、崩塌多發，斜坡巖體破碎、物質松散，通常變形速率較大，一般在10 mm/a以上。

泥石流監測分為區域潛在泥石流溝的識別和單溝泥石流活動性監測。區域潛在泥石流溝的識別，應在流域劃分的基礎上，根據InSAR觀測流域內泥石流物源區或堆積區的變形特征和空間分布規律，結合泥石流的地質條件進行綜合分析。

2.3 形變區分析

2.3.1 形變區提取。根據持久散射體（Persistent Scatterers，PS）點形變數據，以“形變范圍、整體形變速率、最大形變量”為依據，在整體區域上，考慮InSAR技術不可避免存在干涉誤差以及區域地震活動影響等因素，以年平均形變速率絕對值大于10 mm/a且局部連續進行分析提取。在針對毗鄰有居民生產生活的“相對高差大、人員難以到達”的高位斜坡區，若PS點形變量與周邊區域形變存在明顯差異，也進行分析提取。同時，對多期D-InSAR監測數據進行對比分析，提取形變反應明顯且較獨立的區域。通過上述工作，在監測區域進行形變區提取。

2.3.2 形變區篩查。在上述提取的形變區基礎上，結合三維影像地圖，根據形變區所處的地貌部位、斜坡形態、地面坡度、相對高度以及“村鎮、學校、居民點、重要水利、交通干線、主要河流”等地質災害重點威脅對象，利用區域內已有的地理國情、基礎地理信息等成果數據進行形變區篩查。通過上述工作，從已提取的形變區中篩查出需要重點關注的形變區，確定為最終監測發現的形變區。

2.3.3 形變程度劃分。統計分析監測篩查形變區年平均形變速率，結合國內InSAR技術相關研究及區域InSAR形變特征，在專家指導下，根據其分布特點將形變程度分為5級（見表2）。

2.3.4 形變區編號規則。將監測篩查的形變區與區域內已排查發現的地質災害隱患點進行空間位置關聯分析，并按照“縣域名+監測期次+解譯編號+是否包含已知隱患點”進行編號命名，如和田縣朗如鄉（LRX）、第1期（01）、1號點（001）、包含已知隱患點（Y）/不包含已知隱患點（N），命名為LRX01001Y（N）。其中，包含已知隱患點（Y）表示InSAR形變區包含已知地災隱患點，空間位置有重疊;不包含已知隱患點（N）表示InSAR形變區不包含已知地災隱患點，空間位置不重疊。

3 野外驗證

野外驗證是地質災害InSAR技術應用中一個非常重要的環節。首先，它可以獲取形變影像中解譯不清的部分信息，檢查不明或多解地物類型;其次，它可以對解譯工作進行全面驗證，對影像中不確定的圖斑進行逐一核實，保證準確度。

4 資料整理

野外驗證結束后，應及時進行野外資料整理，根據查證后的解譯標志進行地質災害及孕災地質背景的詳細解譯，修改初步解譯成果，對遺漏的地質災害進行補充，使解譯成果客觀、全面、準確地反映監測區內的地質災害狀況。對調查中存在的不足，應及時安排野外補充調查工作。

5 結語

本次阿克蘇地區地質災害調查項目利用了InSAR技術，基于區域內InSAR監測結果，并配合使用高分辨率光學遙感解譯，圈定發生滑坡、崩塌等地質災害點。重點針對InSAR變形明顯、光學影像有明顯威脅對象的地質災害隱患和可能復活的地質災害進行精細解譯，圈定災害范圍和威脅對象，為下一步的地質災害調查提供精確信息。根據本文的研究分析可知，InSAR技術必將成為地質災害調查中更加高效、精準、快捷的技術手段。

參考文獻：

[1]朱郭勤.普通數碼相機在隧道變形監測中的應用研究[D].四川：西南交通大學，2012：42.

[2]黃潔慧，謝謨文.地質災害監測星載SAR衛星數據源參數選取研究[J].地球物理學進展，2019（6）：2169-2172.

[3]何勇.InSAR技術在地質災害調查中的運用研究[J].科學與信息化，2020（25）：23.

[4]張毅.基于InSAR技術的地表變形監測與滑坡早期識別研究—以白龍江流域中游為例[D].甘肅：蘭州大學，2018：21.

[5]楊文喜.星載InSAR技術在滑坡地質災害專業監測預警中的精度分析[J].資源導刊，2020（8）：26-28.