地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的SAR變形觀測、解譯與數(shù)據(jù)同化研究

蔣亞楠

成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059

以時間序列InSAR技術(shù)為代表的雷達對地觀測技術(shù)可實現(xiàn)高精度的變形提取，為成災(zāi)前巖土體的變形監(jiān)測提供了更先進的技術(shù)手段。而在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的城郊低相干地區(qū)，通常缺少易于識別的人工地物，且受植被去相干的影響，難以開展時間序列InSAR分析。因此，如何實現(xiàn)時間序列InSAR技術(shù)在低相干地區(qū)的變形監(jiān)測，仍是該技術(shù)的研究熱點之一。同時，在地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害引起的劇烈變形區(qū)，受InSAR技術(shù)形變監(jiān)測梯度的限制，時間序列InSAR技術(shù)無法準確獲取此類形變，此時必須采用其他的SAR變形監(jiān)測方法才能準確獲取此類劇烈變形。

當前利用時序SAR/InSAR技術(shù)探測滑坡變形的研究主要集中在技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新層面，少有結(jié)合地質(zhì)條件對結(jié)果進行深度解譯，在耦合SAR變形觀測與外在誘發(fā)因子的關(guān)聯(lián)響應(yīng)方面更是少之甚少。同時，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報研究中，變形觀測與模型模擬也通常獨立使用，無法同時發(fā)揮二者的優(yōu)勢。源于大氣領(lǐng)域的數(shù)據(jù)同化為實現(xiàn)科學觀測和模型模擬的有機集成提供了重要方法論。數(shù)據(jù)同化已成為當前地球科學研究的新方向。然而，在地質(zhì)災(zāi)害研究中，數(shù)據(jù)同化的研究工作尚處于起步階段。因此，如何拓展數(shù)據(jù)同化在地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域中的應(yīng)用是一個亟待探索的領(lǐng)域。本文立足于地質(zhì)災(zāi)害的研究現(xiàn)狀和需求，為實現(xiàn)上述學科間綜合交叉，開展的研究工作主要如下：

(1) 針對緩慢型地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的城郊低相干區(qū)，研究了地面沉降對大型基礎(chǔ)設(shè)施變形的影響。填海造陸地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，因此其上建筑物變形格局的復(fù)雜多變，致使InSAR變形觀測與變形解譯面臨雙重困難。本文將適用于低相干區(qū)的點目標提取策略嵌入到常規(guī)的PSI處理中，提高了點目標在低相干區(qū)的密度，實現(xiàn)了機場典型場區(qū)內(nèi)的形變提取。變形結(jié)果的可靠性分析證實了該方法用于低相干復(fù)雜場區(qū)形變監(jiān)測的有效性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合場區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境對機場形變的空間分布和時序變化特征進行了分析和解譯，最后總結(jié)了造成機場變形差異的主要原因。

(2) 針對劇烈型地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的山地地區(qū)，研究了庫水聯(lián)合降雨作用下滑坡的變形響應(yīng)機制。三峽地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)。針對時間序列InSAR技術(shù)無法監(jiān)測此類地質(zhì)災(zāi)害引起的劇烈變形問題，本文采用基于點目標的時序偏移量估計方法，獲取了庫水聯(lián)合降雨條件下樹坪滑坡的變形演化特征。利用數(shù)據(jù)同化的方法論，開展了滑坡變形觀測與潛在誘發(fā)因子間的耦合分析，實現(xiàn)了滑坡位移觀測與水文因子變動的響應(yīng)機制研究。初步結(jié)果證實了數(shù)據(jù)同化在研究滑坡變形響應(yīng)機制及理解滑坡變形發(fā)展過程中的有效性。

(3) 利用巖土體位移反分析的思想，實現(xiàn)時序變形觀測數(shù)據(jù)耦合巖土數(shù)值分析模型的數(shù)據(jù)同化研究。位移反分析為巖土體變形觀測和數(shù)值模擬的耦合分析提供了重要的研究基礎(chǔ)。本文利用數(shù)據(jù)同化的方法論，建立了適用于巖土體變形演化特性的隨機動態(tài)反分析方法。該方法以數(shù)據(jù)同化為橋梁，實現(xiàn)了巖土體時序變形觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析模型的耦合，建立了綜合利用隨機場理論、地質(zhì)統(tǒng)計學方法及數(shù)值分析軟件的時序位移協(xié)同分析方法。通過在數(shù)值模型的動態(tài)運行過程中不斷地融合新的變形觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了巖土體關(guān)鍵物理力學參數(shù)的空間變異性估計，并對同化系統(tǒng)的敏感性進行了深入分析與研究。