InSAR技術(shù)在阿克蘇地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

遲瑤

摘 要：目前，InSAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害方面的應(yīng)用范圍越來越廣。利用該技術(shù)對(duì)大區(qū)域的連續(xù)變形進(jìn)行觀測(cè)，能對(duì)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行早期識(shí)別和探測(cè)。在配合高分辨率的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的情況下，可以對(duì)解譯成果進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的分類、分級(jí)。隨著科技的快速發(fā)展，InSAR技術(shù)也將獲得更大的進(jìn)步，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警以及調(diào)查方面將會(huì)彰顯出更大的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：InSAR技術(shù);地質(zhì)災(zāi)害;滑坡;崩塌;泥石流

中圖分類號(hào)：P642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(qū)域地質(zhì)環(huán)境

1.1 交通位置

調(diào)查區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)中西部，天山山脈南部南坡，東西長(zhǎng)約515 km、南北約280 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)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(diào)查區(qū)內(nèi)分布有219國(guó)道、G217獨(dú)庫(kù)公路，區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、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(diào)查區(qū)處于歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性干旱氣候。調(diào)查區(qū)大部分位于高山地區(qū)，氣候干燥，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈;多年平均氣溫為11.3 ℃，晝夜溫差達(dá)20 ℃，最高氣溫多在7月至8月，極端最高氣溫可達(dá)41 ℃，最低氣溫多在12月至來年1月，極端最低氣溫為-33.2 ℃。調(diào)查區(qū)的較大河流為阿克蘇河、渭干河、庫(kù)車河。

1.3 地質(zhì)條件

調(diào)查區(qū)地處天山山脈中段南麓、塔里木盆地北緣[1]，地勢(shì)總的特征是西北高東南低，地形起伏較大，相對(duì)高差較大。調(diào)查區(qū)地處天山地槽褶皺帶和塔里木地臺(tái)，在大地構(gòu)造上屬于塔里木地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元。根據(jù)本區(qū)沉積建造、巖漿巖活動(dòng)、深大斷裂構(gòu)造等綜合特征，將本區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元、四個(gè)Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元、六個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元（見表1）。

2 InSAR技術(shù)的應(yīng)用

2.1 InSAR技術(shù)手段

合成孔徑雷達(dá)干涉（Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR）技術(shù)是近年來發(fā)展起來的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，是傳統(tǒng)的SAR遙感技術(shù)與射電天文干涉技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其具有全天時(shí)全天候探測(cè)、探測(cè)范圍廣、測(cè)量精度高、成本低等特點(diǎn)，是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的有效工具，已成為國(guó)內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警的重要手段[2]。

根據(jù)研究區(qū)的特殊地理位置和災(zāi)害發(fā)育特征，本次監(jiān)測(cè)將使用的InSAR技術(shù)包括合成孔徑雷達(dá)差分干涉（Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry，D-InSAR）技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量小基線集（Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR）技術(shù)。

D-InSAR技術(shù)是指通過SAR傳感器獲取同一區(qū)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(shù)的基本原理是：對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列上的一組SAR復(fù)數(shù)圖像，根據(jù)一定的基線約束條件進(jìn)行分組，通過控制空間基線的長(zhǎng)度來提高干涉圖的相干性，對(duì)差分干涉圖進(jìn)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(shù)最小二乘解[3]，如圖2所示。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)

通過對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行地表變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提取地表變形速率和時(shí)間序列變形數(shù)據(jù)，圈定具有較大變形速率不穩(wěn)定斜坡，經(jīng)野外實(shí)地考察，驗(yàn)證其可靠性，分析活動(dòng)斜坡類型和典型斜坡空間及時(shí)間變形特征[4]。

2.2.1 滑坡變形特征及監(jiān)測(cè)內(nèi)容。①目標(biāo)為處于變形發(fā)展階段的滑坡，年變形量為毫米至米級(jí);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(cè)向、反向變形;③滑坡變形InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果表現(xiàn)為高速率變形圖斑。由于雷達(dá)入射角和坡向坡度的組合關(guān)系，滑坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的矢量信息需要綜合判定。

滑坡監(jiān)測(cè)分為區(qū)域滑坡識(shí)別和單體變形特征監(jiān)測(cè)。區(qū)域滑坡識(shí)別的內(nèi)容主要包括滑坡位置、規(guī)模、數(shù)量、與背景環(huán)境的速度差值、災(zāi)害發(fā)育程度等。單體滑坡監(jiān)測(cè)的內(nèi)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(fā)展過程和發(fā)展趨勢(shì)、基于變形特征和地質(zhì)條件分析滑坡成因機(jī)制和穩(wěn)定性[5]。

2.2.2 崩塌變形特征及監(jiān)測(cè)內(nèi)容。①監(jiān)測(cè)對(duì)象主要為潛在崩塌體或者危巖體;②監(jiān)測(cè)對(duì)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(dá)波反射復(fù)雜。

崩塌監(jiān)測(cè)分為區(qū)域崩塌識(shí)別和單體變形特征監(jiān)測(cè)。區(qū)域崩塌識(shí)別的內(nèi)容主要包括崩塌（危巖體）的位置、分布、災(zāi)害發(fā)育程度。單體崩塌監(jiān)測(cè)的內(nèi)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(fā)展過程和發(fā)展趨勢(shì)、基于變形特征分析崩塌穩(wěn)定性。

2.2.3 泥石流變形特征及監(jiān)測(cè)內(nèi)容。①泥石流監(jiān)測(cè)應(yīng)主要通過物源區(qū)變形的監(jiān)測(cè)完成，是多個(gè)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(duì)于順溝道緩慢流動(dòng)的泥石流，觀測(cè)到的流動(dòng)方向?yàn)檠刂鳒系奶荻确较颉＂畚镌磪^(qū)滑坡、崩塌多發(fā)，斜坡巖體破碎、物質(zhì)松散，通常變形速率較大，一般在10 mm/a以上。

泥石流監(jiān)測(cè)分為區(qū)域潛在泥石流溝的識(shí)別和單溝泥石流活動(dòng)性監(jiān)測(cè)。區(qū)域潛在泥石流溝的識(shí)別，應(yīng)在流域劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)InSAR觀測(cè)流域內(nèi)泥石流物源區(qū)或堆積區(qū)的變形特征和空間分布規(guī)律，結(jié)合泥石流的地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析。

2.3 形變區(qū)分析

2.3.1 形變區(qū)提取。根據(jù)持久散射體（Persistent Scatterers，PS）點(diǎn)形變數(shù)據(jù)，以“形變范圍、整體形變速率、最大形變量”為依據(jù)，在整體區(qū)域上，考慮InSAR技術(shù)不可避免存在干涉誤差以及區(qū)域地震活動(dòng)影響等因素，以年平均形變速率絕對(duì)值大于10 mm/a且局部連續(xù)進(jìn)行分析提取。在針對(duì)毗鄰有居民生產(chǎn)生活的“相對(duì)高差大、人員難以到達(dá)”的高位斜坡區(qū)，若PS點(diǎn)形變量與周邊區(qū)域形變存在明顯差異，也進(jìn)行分析提取。同時(shí)，對(duì)多期D-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提取形變反應(yīng)明顯且較獨(dú)立的區(qū)域。通過上述工作，在監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行形變區(qū)提取。

2.3.2 形變區(qū)篩查。在上述提取的形變區(qū)基礎(chǔ)上，結(jié)合三維影像地圖，根據(jù)形變區(qū)所處的地貌部位、斜坡形態(tài)、地面坡度、相對(duì)高度以及“村鎮(zhèn)、學(xué)校、居民點(diǎn)、重要水利、交通干線、主要河流”等地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)威脅對(duì)象，利用區(qū)域內(nèi)已有的地理國(guó)情、基礎(chǔ)地理信息等成果數(shù)據(jù)進(jìn)行形變區(qū)篩查。通過上述工作，從已提取的形變區(qū)中篩查出需要重點(diǎn)關(guān)注的形變區(qū)，確定為最終監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的形變區(qū)。

2.3.3 形變程度劃分。統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)篩查形變區(qū)年平均形變速率，結(jié)合國(guó)內(nèi)InSAR技術(shù)相關(guān)研究及區(qū)域InSAR形變特征，在專家指導(dǎo)下，根據(jù)其分布特點(diǎn)將形變程度分為5級(jí)（見表2）。

2.3.4 形變區(qū)編號(hào)規(guī)則。將監(jiān)測(cè)篩查的形變區(qū)與區(qū)域內(nèi)已排查發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行空間位置關(guān)聯(lián)分析，并按照“縣域名+監(jiān)測(cè)期次+解譯編號(hào)+是否包含已知隱患點(diǎn)”進(jìn)行編號(hào)命名，如和田縣朗如鄉(xiāng)（LRX）、第1期（01）、1號(hào)點(diǎn)（001）、包含已知隱患點(diǎn)（Y）/不包含已知隱患點(diǎn)（N），命名為L(zhǎng)RX01001Y（N）。其中，包含已知隱患點(diǎn)（Y）表示InSAR形變區(qū)包含已知地災(zāi)隱患點(diǎn)，空間位置有重疊;不包含已知隱患點(diǎn)（N）表示InSAR形變區(qū)不包含已知地災(zāi)隱患點(diǎn)，空間位置不重疊。

3 野外驗(yàn)證

野外驗(yàn)證是地質(zhì)災(zāi)害InSAR技術(shù)應(yīng)用中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。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(duì)解譯工作進(jìn)行全面驗(yàn)證，對(duì)影像中不確定的圖斑進(jìn)行逐一核實(shí)，保證準(zhǔn)確度。

4 資料整理

野外驗(yàn)證結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行野外資料整理，根據(jù)查證后的解譯標(biāo)志進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害及孕災(zāi)地質(zhì)背景的詳細(xì)解譯，修改初步解譯成果，對(duì)遺漏的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行補(bǔ)充，使解譯成果客觀、全面、準(zhǔn)確地反映監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害狀況。對(duì)調(diào)查中存在的不足，應(yīng)及時(shí)安排野外補(bǔ)充調(diào)查工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本次阿克蘇地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目利用了InSAR技術(shù)，基于區(qū)域內(nèi)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果，并配合使用高分辨率光學(xué)遙感解譯，圈定發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)。重點(diǎn)針對(duì)InSAR變形明顯、光學(xué)影像有明顯威脅對(duì)象的地質(zhì)災(zāi)害隱患和可能復(fù)活的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行精細(xì)解譯，圈定災(zāi)害范圍和威脅對(duì)象，為下一步的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查提供精確信息。根據(jù)本文的研究分析可知，InSAR技術(shù)必將成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中更加高效、精準(zhǔn)、快捷的技術(shù)手段。

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