斜坡InSAR變形監測效果野外判定方法研究

梁京濤 趙聰 王軍

摘要：InSAR技術憑借其在地表形變監測方面的優勢，已逐漸廣泛應用于地質災害領域。但由于氣候條件、茂密植被以及山區地形起伏過大等因素限制，地質災害InSAR變形監測的應用范圍及效果仍存在一定局限性。為有效評估InSAR變形監測在某區域應用效果優劣，亟需建立較為系統的野外調查判定標準，以便于批量快捷開展InSAR變形監測結果野外調查評估工作。從斜坡表部變形特征和孕災地質環境條件兩個方面總結了野外調查內容，建立了一套斜坡InSAR變形監測效果野外判定標準方法，并選取了滇西北地區典型實例，闡述了該套方法的具體應用流程。研究結果表明：① 野外判定內容包括斜坡表部變形特征和孕災地質環境條件兩個方面，其中斜坡表部變形特征是野外判定內容的核心，而孕災地質環境條件則是地質災害發育的基礎條件。② 該套方法依據肉眼以及簡易測量等手段，實現了滇西北地區斜坡表部變形特征的快速識別，應用效果較為理想，適宜于開展大批量斜坡InSAR變形監測效果快速評估。

關 鍵 詞：斜坡地表形變; 地質災害; InSAR監測; 野外調查; 滇西北地區

中圖法分類號： P642.22 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.019

0 引 言

InSAR是近年來逐步發展起來的一門對地觀測技術，最早應用于獲取高精度的地形數據[1]。Gabriel等[2]于1989年首次發現利用InSAR技術可以獲取厘米級精度的形變，但是并沒有引起足夠的重視。直到Massonnet等[3]通過ERS-1數據獲取了1992年Landers地震的形變場，引起了國際地震界的震驚，此后InSAR獲取形變技術才得到了廣泛的關注。隨著InSAR技術的不斷發展，該技術已逐步引入于地面沉降、滑坡等諸多地質災害形變監測中來[4-7]，現已成為地質災害早期識別領域主要技術手段之一。

目前，基于InSAR技術開展地質災害的應用研究主要集中在不同類型雷達衛星數據對比[8]、不同干涉處理方法對比[9-12]、典型區域應用[13-14]等。相比而言，在滑坡InSAR變形監測效果評價及野外判定方法方面的研究文獻較少。在野外調查中，由于肉眼對斜坡微變形（毫米級）觀測能力較弱甚至無法感知，此項工作一直很少涉及。雖然借助儀器可以現場測定，但是耗時耗力，效率低下且成本較高，不適用于大批量InSAR變形監測點快速復核。因此，如何進一步提高效率，方便快捷地開展InSAR變形監測結果批量驗證，是無法回避的技術問題，需要進一步研究。

對于地質災害隱患的InSAR監測而言，變形證據能否在野外有效獲取，直接關系到監測效果的優劣和該項技術的推廣應用。目前，對地質災害隱患InSAR變形監測結果的野外復核內容主要集中在變形有無、變形程度大小、變形出現時間與InSAR監測時間是否一致、斜坡表部變形現象之間關聯分析及斜坡穩定性判定等方面。查閱國內外文獻和現有InSAR行業規范可知[15]，該部分內容和方法未得到明確。基于上述原因，筆者結合近年InSAR監測效果野外工作實踐，將野外調查中存在的問題和解決方法進行了初步總結，供同行參考。

1 野外判定內容

InSAR變形監測結果以矢量化圖形信息為載體，其干涉圖借助DSM可以實現3D表達，包含了空間信息和時間信息兩個方面。其中空間信息包括變形區位置、位移方向、變形尺度等;因數據處理方法不同，時間信息包含內容略有差異，包括變形起止時間、持續時間、隨時間表現出的變形特征等。

1.1 野外判定內容分類

根據監測對象不同，InSAR變形監測內容主要包括兩部分。① 不考慮地質災害要素條件，僅針對斜坡變形特征與InSAR監測結果吻合程度進行復核，包括是否存在變形、變形程度大小和變形時間特征。② 考慮地質災害的要素條件，除了斜坡變形特征外，還包括斜坡臨空條件、物質組成及威脅對象等孕災地質環境條件。后者是形成地質災害的必要條件，直接影響地質災害識別的有效性。

為考慮地質災害InSAR監測識別的準確率和有效性，野外判定內容應包括變形特征和孕災地質環境條件兩個方面。其中變形特征是野外判定內容的核心，同時也是前提條件。一般來說，斜坡如果未見明顯變形特征，則可以不進行孕災地質環境條件驗證工作;如果只有變形特征卻不具備孕災地質環境條件的斜坡，則不屬于常規地質災害隱患范疇，變形特征沒有實際意義。

1.2 變形特征

斜坡變形特征包括空間變形信息和時間變形信息兩個方面。空間變形信息主要包含以下6個方面：① 斜坡表部裂縫的類型、數量、規模、組合、性質;② 斜坡表部固定建筑物如房屋墻面、院壩及地基開裂破壞情況;③ 斜坡表部線性工程如道路、水渠拉裂變形情況;④ 斜坡下坐程度、表部溜滑或局部滑動變形等;⑤ 斜坡表部植被樹木破壞情況;⑥ 斜坡已有工程如擋墻、抗滑樁、攔石墻、防護網運行及破壞情況等。時間變形信息包括斜坡變形出現時間、持續時間、結束時間及其與監測周期的吻合性等。

1.3 孕災地質環境條件

孕災地質環境條件主要指形成地質災害的臨空條件、物質組成及激發因素。臨空條件包括斜坡高度、坡度、走向、坡向、平面形態、剖面形態等微地貌特征;物質組成是地質災害形成的載體，斜坡出露的地層巖性、產狀及斜坡結構特征，是地質災害發生與否的內在條件;激發因素主要指周邊人類工程及經濟活動類型，包括農戶修建房屋、修建公路、水渠、土地整理、工程開礦、隧道開挖、開墾耕地等。

2 野外判定方法

2.1 野外調查驗證方式

通過野外實地調查、目視判定、簡易設備測量和訪問等形式開展。調查通過攜帶GPS定位加圖紙位置識別的方式，基于目視觀測進行，同時需要借助卷尺、羅盤等少量測量設備，以現場徒步穿插的形式沿路觀察、記錄描述，記錄方式包括相機拍攝、無人機航空攝影、現場文字記錄等。在尋找變形證據的同時，兼顧周邊地質環境調查。在野外調查工作開展之前，應盡量收集工作區已有地質災害資料，對于現場調查未見明顯變形特征的點，盡可能尋找當地群眾進行訪問復核，以保證調查精度。

2.2 斜坡變形程度量化及劃分類別

InSAR監測變形區斜坡變形類型多樣、變形程度大小不一。為了評價InSAR監測效果，便于理解和統計分析，本次研究在綜合考慮斜坡表部滑動特征、裂縫發育特征、固定建筑物、線性工程變形程度、植被發育特征及已有工程破壞程度因素的基礎上，將斜坡變形程度分為明顯變形、輕微變形、未見明顯變形三類，并根據每一個因素具體發展程度，進行指標量化、綜合分類（見表1）。

2.3 變形時間獲取

斜坡變形起止時間與監測周期吻合程度是滑坡早期識別的重要環節。在野外調查過程中，斜坡變形時間主要通過現場實地調查和訪問當地群眾兩種方法獲取。現場調查主要依據變形新鮮程度、發展趨勢、表部植被覆蓋情況等，來推斷斜坡變形時間。以拉張裂縫為例，可通過裂縫張開度、深度、植被和泥土填充情況進行判斷，如裂縫張開度良好，具有一定深度且裂縫內部無明顯填充物質，可判定為新鮮裂縫，為近期發生;如裂縫明顯閉合、裂縫內部被明顯填充，周邊植被恢復，僅留下坐臺坎，則該裂縫時間較長，為早期發生;如若進一步判定裂縫發育的具體時間，則需要借助多期光學影像或進一步走訪周邊當地村民。一般來說，調查訪問周期要涵蓋InSAR干涉像對起止時間，同時還要適當外延，進一步確定變形發生時間與監測周期吻合度。

2.4 InSAR變形監測效果評價

InSAR變形監測效果的優劣，需要通過斜坡有效變形率來進行量化。所謂有效變形指經過野外判定，斜坡在監測周期內發生變形，且具備發展成為滑坡的孕災地質背景條件。僅發生變形而不具備孕災地質環境條件或變形時間不在監測周期之內，均為無效InSAR變形。一般而言，人類工程活動是造成無效變形的主要影響因素，比如開挖坡腳、修建公路、平整地基、土地整理、人工堆積棄土棄渣等。

斜坡有效變形率可以用該區域InSAR監測的有效變形斜坡數量與InSAR解譯的斜坡總數量之比來確定，如式（1） 所示。若該區域InSAR監測的有效變形斜坡越多，則斜坡有效變形率越高，即該區域InSAR變形監測效果越理想。R=Ne（Ne+Nv）×100%

式中：R為有效變形率;Ne為有效變形斜坡的數量;Nv為無效變形靶區的數量。

3 典型實例驗證

3.1 典型明顯變形斜坡野外識別

以車邑坪滑坡InSAR形變監測點為例，該點位于云南省怒江傈僳族自治州蘭坪縣石登鄉車邑坪村，距離黃登水電站壩址沿江公路里程約39 km，地理坐標為N 26°18′31″，E 99°07′27″。采用Stacking-InSAR技術的Sentinel-1數據（監測周期為20170202～20191202）干涉結果提示該區域疑似存在變形（見圖1）。根據孕災地質背景條件分析，該區域屬于高山河谷地貌，斜坡坡度為20°～30°，地表第四系（Q）覆蓋層分布較廣，下伏基巖為侏羅系中統花開左組（J2h），巖性為砂泥巖加粉砂巖;臨江附近有區域性次級斷裂通過，具備滑坡發育的地質環境條件。

對該點室內InSAR解譯變形區展開現場調查，該斜坡位于瀾滄江黃登水電站庫區左側，斜坡中部發育兩條較大規模沖溝（1號沖溝和2號沖溝），斜坡前緣坡腳位于黃登水電站庫區蓄水位線以下，兩條沖溝之間坡體為主變形區，斜坡體表部公路下部發育多條拉張裂縫，多為2019年6月水庫蓄水位變化過程中產生，裂縫主要位于斜坡中前部，以拉張裂縫為主，裂縫的產生多伴隨斜坡地面沉降、淺表層溜滑等，裂縫形態多呈弧形或圈椅狀展布。斜坡中部公路兩側為車邑坪村農戶聚集區，多處房屋墻體及院壩可見拉裂破壞，裂縫寬度2～10 cm不等（見圖2）。

綜合分析可知，該斜坡表部多條裂縫成規模發育，坡體表部房屋多處拉裂變形，且斜坡發生形變時間正好處于InSAR監測周期內。根據表1斜坡變形程度量化及分類，該斜坡變形程度屬于明顯變形。該滑坡屬于水庫蓄水后形成的外動力地質作用引發的古滑坡復活，滑坡活動性高，InSAR變形區解譯正確。該滑坡現處于基本穩定狀態，在暴雨、水位驟降、地震等不利工況下發生進一步變形失穩可能性大。

3.2 典型輕微變形斜坡野外識別

以獨家村三組滑坡InSAR形變監測點為例，該點位于云南省怒江傈僳族自治州蘭坪縣中排鄉獨家村三組，地理坐標為N 26° 51′26″，E 99°10′25″。采用Stacking-InSAR技術的Sentinel-1數據（監測周期：20170202～20191202）干涉結果提示該區域疑似存在變形（見圖3）。該區域孕災地質背景條件與車邑坪滑坡相似，屬于高山河谷地貌，斜坡平均坡度25°，地表第四系（Q）覆蓋層分布較廣，下伏基巖為侏羅系中統花開左組（J2h），巖性為砂泥巖加粉砂巖，同樣具備滑坡發育的地質環境條件。

進一步對該點進行了現場調查。該斜坡位于瀾滄江黃登水電站庫區右側，整體平面形態呈圈椅狀，斜坡坡體后緣略微下凹，中前部外凸擠壓明顯，剖面形態呈階梯型，具備較為典型的滑坡地貌特征。該斜坡坡腳至坡體上部盤山公路水泥路面普遍開裂，最大拉伸寬度1～2 cm，長約20～100 m不等，局部路段路面橫向拉斷（水泥路面于2020年4月重新補修，原裂縫于2020年9月現場調查期間未見進一步開裂現象）。此外，斜坡體中后部房屋普遍存在小規模輕微開裂跡象，裂縫寬度多小于0.5 cm，長度5～20 m不等（見圖4）。訪問當地農戶可知，坡體表部公路及房屋裂縫集中出現于2018年黃登水電站庫區正式蓄水后，推測該處斜坡的變形與庫區水位變化緊密相關。

綜合分析可知，該斜坡表部公路路面出現多條小規模裂縫，居民房屋輕微開裂，且斜坡發生形變時間正好處于InSAR監測周期內。根據表1斜坡變形程度量化及分類，該斜坡變形程度屬于輕微變形。該處斜坡屬于庫區蓄水位變化引發的滑坡，滑坡活動性中等，現處于基本穩定狀態，威脅黃登水電站庫區以及滑坡體表部的農戶、鄉村公路，潛在風險較高。

3.3 典型未見明顯變形斜坡野外識別

以福坪村斜坡InSAR形變監測點為例，該點位于云南省怒江傈僳族自治州蘭坪縣金頂鎮福坪村，地理坐標為N 26°27′16″，E 99°26′58″。采用Stacking-InSAR技術的Sentinel-1數據（監測周期：20170202～20191202）干涉結果提示該區域疑似存在變形（見圖5）。根據孕災地質背景條件分析，該區域屬于中山地貌，斜坡平均坡度約15°，斜坡兩側發育沖溝，坡體表部廣泛分布第四系（Q）覆蓋層，下伏基巖為三疊系上統三合洞組（T3s），巖性為灰巖夾泥灰巖、砂巖，斜坡前緣處有區域性次級斷裂通過，斷裂走向近南北向，該點具備滑坡發育的地質環境條件。

進一步對該點進行現場調查，該斜坡位于蘭坪縣城東側，距離約2 300 m，整體平面形態呈舌形，斜坡坡體后緣略微下凹，坡體中部為福坪村農戶聚集區，前部及后部可見大量光伏發電板分布。根據現場調查，該斜坡區域內水泥公路、房屋、空心磚墻體以及田間小路均未見明顯裂縫以及局部溜滑、垮塌等變形跡象發育，訪問當地村民得知，近5 a來斜坡區域內均未見明顯變形現象（見圖6）。該斜坡現整體處于穩定狀態，由于該電站于2019年12月建成完工，大規模人類工程活動時間正好處于InSAR監測周期內，因此，InSAR形變解譯異常推測與修建光伏發電站的人類工程活動相關。

綜合分析可知，該斜坡表部未見局部滑動跡象，建筑物、公路等均完好，未見明顯裂縫發育，根據表1斜坡變形程度量化及分類，該斜坡變形程度屬于未見明顯變形。

4 討 論

（1） InSAR技術已逐漸廣泛應用于地質災害隱患識別調查領域，國家、省部級等相關部門也大力推行各種不同方式類型、不同精度的地質災害隱患InSAR監測識別項目，取得了較為理想的應用效果。同時也認識到由于受氣候條件、茂密植被以及山區地形起伏過大等因素限制，地質災害InSAR變形監測應用范圍及效果仍存在一定局限性[16]。評估某種技術手段或處理方法在地質災害隱患識別調查中應用效果的優劣，需要結合野外調查工作來進行驗證。此外，由于InSAR處理過程中不可避免地會存在一些誤差，InSAR監測變形數據不能等同于斜坡變形的直接證據，同樣需要野外調查工作進行輔助評估。因此，對于地質災害隱患識別而言，基于“變形靶區”的微變形InSAR監測和斜坡宏觀變形特征野外調查獲取相結合，或許能得到更好的識別效果。

（2） 本文所論述的斜坡InSAR變形監測效果野外驗證方法，主要是基于簡易測量手段以及肉眼對斜坡變形特征可以識別判定的前提下開展的。在野外調查驗證工作中，必然也存在著少量簡易測量手段和肉眼無法識別的斜坡微變形，一定程度上影響了驗證精度和監測效果評估。

5 結 論

（1） InSAR變形監測信息包含了空間信息和時間信息兩個方面，對室內監測結果的野外復核應圍繞這兩個方面信息展開。考慮到地質災害InSAR監測的準確率和早期識別效果，野外判定內容應包括斜坡表部變形特征和孕災地質環境條件兩個方面，其中斜坡表部變形特征是野外判定內容的核心，孕災地質環境條件是地質災害早期識別的必要條件。

（2） 斜坡InSAR變形程度可以分為明顯變形、輕微變形、未見明顯變形三類，劃分標準可在參照斜坡表部滑動特征、裂縫發育特征、固定建筑物、線性工程變形特征、表部植被發育特征及已有治理工程破壞程度因素的基礎上，量化指標，定性分類。

（3） InSAR變形監測效果的優劣，可通過斜坡有效變形率來進行量化。斜坡在監測周期內發生變形，且具備滑坡的孕災地質背景條件的為有效變形;僅發生變形而不具備孕災地質環境條件或變形時間不在監測周期之內，均為無效InSAR變形。

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（編輯：劉 媛）