InSAR技術在山口水電站滑坡體監測中的應用

郭 勇

（新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院，新疆 昌吉 831100）

針對地質災害的監測，需要既能滿足實現研究區域內大范圍監測的基本要求，又能回溯性地實現滑坡體歷史演變分析，同時還要具有足夠的精度和較高的時效性來準確及時地發現可能出現災害的重點區域，因此，我們在山口水電站滑坡體監測中采用了合成孔徑雷達干涉技術（InSAR）。InSAR 技術是公認的進行地表變形調查和監測的高效手段，它可以大范圍、可回溯、非接觸地觀測地表變形，可以克服地質災害調查中光學遙感易受云霧遮蔽、GPS點位稀疏、地面調查通達不易等困難，極大地拓展了地質災害信息獲取的手段，在地面沉降、滑坡、地震、火山、冰川等方面的研究和地質調查領域取得了顯著效果。

1 項目背景

山口水電站在運行過程中，發現庫區有兩處古滑坡體開始出現明顯位移變化，為保證水庫及流域下游的經濟財產安全，地質工作人員對該滑坡體進行了細致的勘探工作，并通過現有地質資料和物探成果推測出了滑坡發生的時間及目前滑坡的狀態，但是缺少更加可靠的技術手段進行驗證，因此采用合成孔徑雷達干涉技術（InSAR）從2014 年開始對山口水電站滑坡體變形進行監測。

2 滑坡體監測區概況及數據來源

2.1 測區概況

滑坡位于山口水電站庫區。圖1所示為該滑坡的監測范圍。

圖1 滑坡體范圍

2.2 SAR數據來源

InSAR 雷達衛星數據較多，常選用C 波段和L波段的衛星數據。在密林地區L波段的效果好于C波段。Sentinel-1（哨兵1 號）雷達衛星是歐洲航天局哥白尼計劃（GMES）中的地球觀測衛星，由兩顆衛星組成，C 波段合成孔徑雷達（頻率5.4 GHz），重訪周期12 d。其中，IW 拍攝模式可獲取分辨率5 m×20 m幅寬250 km的SAR影像數據（見表1）。

表1 Sentinel-1衛星SAR傳感器主要參數表

Sentinel-1 雷達衛星影像數據作為開展InSAR監測分析的原始數據之一。分別利用差分干涉測量、小基線集干涉測量和永久散射體干涉測量等技術進行數據處理后，得到地表形變監測成果。

監測區域為避免SAR影像幾何畸變的影響，所用SAR 數據為升軌Sentinel-1 數據，共計153 景，覆蓋時間段為2014年10月～2021年2月。

3 技術路線及工作方法

3.1 技術路線

根據項目的總體目標，開展高精度InSAR 監測新技術，特別是新型衛星的SAR 數據、多平臺和多分辨率數據處理技術，以堆疊技術和增強型SBAS InSAR 集成時序分析為主要技術手段，應用雷達數據對布爾津滑坡區域進行監測。查明并掌握山口水電站滑坡區域地質災害變形量級和特征，建立山口水電站滑坡區域災害變形場，為下一步的災害防治和預警提供基礎信息。本項目采用的主要技術路線如圖2所示。

圖2 SBAS-InSAR時序分析提取地表形變技術路線圖

3.2 工作方法

根據研究區范圍，制定SAR 衛星數據獲取計劃，以干涉圖堆疊技術和增強型SBAS InSAR 集成時序分析為主要技術手段，利用干涉圖堆疊方法實現大變形區快速定位，通過增強型InSAR 時序分析方法獲取的地表形變時間序列結果，通過實地觀測資料驗證，結合地質資料，對工作區域內沉降區進行綜合分析，具體方法及步驟如下：

（1）以山口水電站滑坡區域為工作區對象，制定合理的SAR 數據獲取計劃，同時收集工作區DEM，作為遙感形變監測的主要數據源。

（2）遙感形變監測前的預踏勘與形變監測后實地踏勘驗證相結合。

（3）組織專業技術人員，根據本項目收集的地質、水文資料及衛星遙感監測成果撰寫項目成果報告，參考相關的測量規范、遙感數據處理規范、地質勘察規范評定所獲取的監測成果，給出相應的監測精度及相關指標參數，為進一步的規范制定和大范圍勘察作技術儲備。

（4）注意跟蹤國內外同類工作的最新發展，學習國內外先進技術。對于國內外已發展的并在應用中已被證明是有效的方法，盡可能地加以利用。注重與國內外同行的技術交流與協作，引進和利用國際先進技術和經驗，以保證工作成果的完整性和先進性。

（5）加強項目工作的組織和協調，保證在數據詳實、主要技術問題明確的基礎上開展調查與監測工作。工作中需取得各級自然資源職能部門，有關環境部門、城市發展與建設部門及礦山開發部門支援配合工作，共同取得真實、可靠的認識、調查成果和評價。

4 形變監測結果及驗證

圖3為山口水電站滑坡153景SAR數據計算獲得的2014 年10 月～2021 年2 月地表形變速率圖。從圖3 可以看出，山口水電站滑坡區域這段時期內最大形變速率在雷達視線方向達到-78.4 mm/a。期間共有6 個變形體被探測到，對這6 個變形體進行了剖面分析，發現變形體3和4形變量最大，在這段時期內最大累計形變量達-614.7 mm。

圖3 地表形變速率圖

為了對合成孔徑雷達干涉技術（InSAR）的監測成果進行驗證，使用傳統監測方法，在滑坡體上布設6條監測斷面共埋設20個監測點，使用TS60測量機器人采用極坐標差分法定期對滑坡體進行監測分析，經對比，其監測結果與InSAR 技術成果相比具有一致性（見圖4）。

圖4 InSAR技術監測與傳統監測結果對比分析圖

5 結語

山口水電站滑坡2014年10月至2021年2月一直呈周期性緩慢形變，最大累計形變量達-614.7 mm，最大形變速率達-78.4 mm/a，可見最大形變體一直處于持續的形變狀態。因此必須基于監測結果開展實地調查，收集水電站數據、地面測量數據及地質構造背景等資料，開展InSAR 監測結果的解譯工作，及時發現隱患，及時規避風險。

針對山口水電站滑坡區域地質災害現狀，應加快構建山口水電站滑坡區域基于多種技術的主動應急災害風險評價體系，建議：

（1）基于歷史存檔數據，開展重點區域的歷史形變特征分析，獲取重點形變區形變演變歷史過程，充分利用已獲取的數據，進行信息挖掘。

（2）InSAR技術對地面形變的監測在空間上是外部，在時間上處于形變階段的后期，屬于形變表現特征的監測；地面以下的地質體形變在空間上是內部，在時間上處于形變階段的前期，屬于形變本質。因此對誘發滑坡的要素進行關聯分析非常必要，InSAR 結果與庫區水位、降雨、溫度等進行相關性分析，查明滑坡形變的主要外部誘發因素。將In-SAR監測技術與傳統監測技術相結合，可形成優勢互補，實現滑坡形變監測覆蓋范圍最大化和災害孕育-發展-至災的全過程監測、預警。