基于INSAR的地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別技術(shù)研究

崔 陽，魏瑩瑩，魏國振，韓鵬飛

（1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050000；2.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050000）

1 INSAR技術(shù)

1.1 INSAR技術(shù)的定義

INSAR一般指的是干涉測量技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)，又可以稱為雙天線SAR或者是相干SAR，屬于一種新型借助空間相關(guān)技術(shù)對地面進(jìn)行觀測的技術(shù)。INSAR是由傳統(tǒng)的遙感技術(shù)和射電天文干涉對應(yīng)技術(shù)融合的產(chǎn)物。INSAR借助兩條側(cè)視的天線對所選中的地面目標(biāo)進(jìn)行對應(yīng)的觀察（單軌道雙天線模式），也可以是間隔一定時間的兩次平行觀察（單天線重復(fù)軌道模式），接著經(jīng)過一定時間的反應(yīng)，由地面對雷達(dá)做出反射回波的回應(yīng)，進(jìn)而來獲得選中目標(biāo)區(qū)的SAR復(fù)像成像圖，其中獲得的復(fù)像成像圖包括了選中地面的強(qiáng)度信息、相位的具體信息。但是由于地面的目標(biāo)跟兩條天線之間具有獨(dú)特的幾何位置，以及選中地面目標(biāo)發(fā)射回來的回波的原因，使得獲得的成像圖之間形成了對應(yīng)相位差的信號。由于目標(biāo)與兩天線位置間的幾何關(guān)系，地面目標(biāo)回波形成相位差信號，經(jīng)兩個復(fù)圖像的復(fù)相關(guān)就形成了干涉紋圖。其中，干涉紋圖中包括了斜距方向上的圖像點(diǎn)跟兩個天線位置的不同帶來的位置差的精確的信息。因而利用遙感器的高度、雷達(dá)的波長以及波速的視向和天線與基線距之間具有的幾何關(guān)系可以獲得距離的精確信息，從而能夠精確的測量出圖像上每一點(diǎn)的高程信息，來得到具有高分辨率的地表的三維圖像。

1.2 INSAR技術(shù)具有的特點(diǎn)

（1）不需要地面的測量站。因?yàn)槔走_(dá)衛(wèi)星進(jìn)行干涉測量時不需要地面設(shè)置對應(yīng)的測量站，使得干涉雷達(dá)在進(jìn)行對應(yīng)的檢測時能夠更加方便，快捷。對于一些因?yàn)榈孛娴哪承┑匦蜗拗七M(jìn)而不能夠設(shè)置地面監(jiān)測站的情形，干涉雷達(dá)解決了這個問題。不管是陡峭的地區(qū)還是貧瘠的地區(qū)都可以利用干涉雷達(dá)進(jìn)行相應(yīng)地面的監(jiān)測，同時還節(jié)省了建地面監(jiān)測站所消耗的人力、物力以及財(cái)力，加快了地面監(jiān)測的速率。

（2）自動化地發(fā)射微波。當(dāng)干涉雷達(dá)進(jìn)行對地面的監(jiān)測任務(wù)時，只需要制定相應(yīng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取計(jì)劃，進(jìn)而制定對應(yīng)的行動編程指令，雷達(dá)衛(wèi)星與接收站用戶之間借助數(shù)據(jù)就能夠進(jìn)行對應(yīng)的聯(lián)系，自動向地面發(fā)射微波，之后再接受來自地面反射回來的回波來進(jìn)一步完成對地面的測量。

（3）全天候的干涉雷達(dá)監(jiān)測。新興的干涉雷達(dá)克服了傳統(tǒng)雷達(dá)的弊端，其不會受到周邊環(huán)境的影響，不論是寒冷冬季還是炎熱夏季，抑或是刮大風(fēng)、下雪、下雨以及有大霧的情況。干涉雷達(dá)的這一特點(diǎn)滿足了一些偏遠(yuǎn)且容易發(fā)生泥石流、山體滑坡、房屋坍塌等地區(qū)地面監(jiān)測的需求。只要有干涉雷達(dá)，就可以對所有地區(qū)的地面進(jìn)行對應(yīng)的檢測，進(jìn)而能夠較早發(fā)現(xiàn)特殊情況，及早做出應(yīng)對措施。

1.3 INSAR技術(shù)的工作原理

機(jī)載或者是衛(wèi)星載INSAR系統(tǒng)所得到的影像之中每一個像素點(diǎn)既包括了所選地面的分辨元的雷達(dá)后向散射之后具有的強(qiáng)度信息，同時也包含了跟斜距之間有關(guān)相位的相關(guān)信息。在獲得影像之后，將覆蓋到同一片地方的兩幅雷達(dá)圖像對應(yīng)像素的相位進(jìn)行相減就可以獲得一副相位的差圖，也就是干涉的相位圖像（Interferogram）。而得到的相位差的信息就是地表上的地形起伏，一般是以地表的形變表現(xiàn)出來。總的來說，INSAR就是結(jié)合了合成孔徑雷達(dá)的成像技術(shù)以及干涉的測量技術(shù)來將那些具有高度敏感性質(zhì)的干涉相位信號來進(jìn)行進(jìn)一步的提取并分析出關(guān)鍵性的具有價值的信息，再利用傳感器的系統(tǒng)系數(shù)以及成像之間的幾何關(guān)系等來精確地測量出地表上某一點(diǎn)的三維空間具體位置信息及微小的變化。同時，利用INSAR技術(shù)來獲得關(guān)鍵的信息技術(shù)與傳統(tǒng)的方法不同。一般傳統(tǒng)的攝影測量，可見光，近紅外遙感是利用影像灰度的信息來建設(shè)三維或者是提取出關(guān)鍵的信息。

2 地質(zhì)災(zāi)害隱患

2.1 地質(zhì)災(zāi)害的定義及等級分類

地質(zhì)災(zāi)害主要指的是在自然地質(zhì)以及人類的各項(xiàng)活動作用下形成的，直接或者間接威脅到人們的生命安全，并給社會及國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了一定的損失。

地質(zhì)災(zāi)害的等級可以劃分為4個等級：（1）小型地質(zhì)災(zāi)害。受到災(zāi)害的威脅，人們必須搬遷并轉(zhuǎn)移的人數(shù)在100人以下，同時造成了500萬元以下的經(jīng)濟(jì)損失的地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情，造成了3人以下的死亡。（2）中型地質(zhì)災(zāi)害。人們需要搬遷轉(zhuǎn)移的數(shù)量在100人以上、500人以下，造成3人以上、10人以下的死亡，同時造成了大概500萬元以上、5000萬元以下的經(jīng)濟(jì)損失。（3）大型地質(zhì)災(zāi)害。受到災(zāi)害的威脅，需要搬遷轉(zhuǎn)移的數(shù)量在500人以上、1000人以下，死亡人數(shù)在10人以上、30人以下，同時造成了5000萬以上、1億元以下的經(jīng)濟(jì)損失。（4）特大型地質(zhì)災(zāi)害。受到災(zāi)害威脅，必須搬遷轉(zhuǎn)移的人數(shù)在1000人以上，死亡的人數(shù)在30人以上，同時造成了1億元以上的經(jīng)濟(jì)損失的地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測的必要性

實(shí)行地質(zhì)災(zāi)害隱患的監(jiān)測，可以提前了解并知道在災(zāi)害發(fā)生的前夕應(yīng)該怎樣應(yīng)對接下來發(fā)生的災(zāi)害，做出應(yīng)對的預(yù)防措施，可以躲避一些災(zāi)害，同時及早地撤離人群、牲畜以及其他，來進(jìn)一步保護(hù)人們的生命安全以及避免一些不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時治理好環(huán)境。

2.3 實(shí)行地質(zhì)災(zāi)害隱患的提早監(jiān)測的需求

實(shí)行地質(zhì)災(zāi)害隱患的早期監(jiān)測，首先需要清楚地認(rèn)識到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的工作重點(diǎn)及工作的難點(diǎn)，同時要對偏遠(yuǎn)的地區(qū)實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程操控”，來進(jìn)一步了解偏遠(yuǎn)地區(qū)的地質(zhì)情況；同時，需要監(jiān)測人員能夠清楚地認(rèn)識到所監(jiān)測地區(qū)的重點(diǎn)災(zāi)害的活動范圍、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率，以及地質(zhì)災(zāi)害潛伏的時間等關(guān)鍵性的內(nèi)容。可以說，監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害的目的就是要清楚地知道地質(zhì)災(zāi)害的隱患在哪里，將造成的原因進(jìn)行深度剖析，對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時間、地點(diǎn)以及擴(kuò)散的范圍進(jìn)行分析與研究，從而做出最佳的應(yīng)對方案，更好地降低損失。

3 INSAR在滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別中的應(yīng)用與研究

2011年3月4日，利用INSAR技術(shù)的衛(wèi)星影像可見，金沙江白格滑坡區(qū)早在2011年之前便存在顯著形變，而且滑坡后壁已經(jīng)基本連通，同時滑坡中后部發(fā)育多處中小型滑塌。在2015年2月22日的影像發(fā)現(xiàn)，2011—2015年滑坡體上變形整體呈加劇趨勢，但未發(fā)生劇烈的位移變化。然而，從2018年8月29日Planet衛(wèi)星影像可見，此時滑源區(qū)整體變形非常顯著，滑坡后壁發(fā)生了較明顯的整體下錯，滑源區(qū)中部發(fā)生了較大規(guī)模的滑塌。綜上，認(rèn)為該滑坡為長期處于蠕滑變形中的巖質(zhì)滑坡，2011年以來滑坡變形呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，最終在降雨誘發(fā)下發(fā)生大規(guī)模的滑坡，從而形成了2018年10月11日的金沙江白格滑坡。利用4期災(zāi)前（2018年9月4日—10月10日，每間隔12d一期）Sentinel-1衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，開展了D-InSAR技術(shù)處理，觀察發(fā)現(xiàn)該滑坡一直在持續(xù)發(fā)生形變。9月4日—9月16日，該山體斜坡中上部形變特征較為明顯；至9月28日，斜坡上部持續(xù)保持變形；至10月10日，整個斜坡體形變特征更為明顯，形變量級及范圍均有顯著增加，對岸亦有形變特征出現(xiàn)；直至11日凌晨發(fā)生山體滑坡。而且根據(jù)滑前ALOS-1DEM量測，2018年8月29日滑坡區(qū)段金沙江水位約2855m，而在2018年10月12日滑坡后，堰塞湖水位壅高至2900m，水位升高約45m，堰塞湖面積約6.0km2，庫水量約2.7億m3，而在滑坡發(fā)生后，利用Planet衛(wèi)星影像（3.0m）對滑坡進(jìn)行遙感解譯中，發(fā)現(xiàn)滑坡體總面積達(dá)1.62km2，其中滑源區(qū)面積0.77km2，堰塞壩面積0.85km2。滑源區(qū)長約1350m，平均寬約600m，頂部高程約3680m，底部高程約2980m，高差達(dá)700m（高程測自ALOS-1DEM）；堰塞體順河長約1600m，平均寬約490m，最大沖高達(dá)150m，堰塞體平均厚度估算約40m，體積約3400萬m3。滑坡區(qū)地層為元古界二長花崗巖，滑坡區(qū)主要發(fā)生NW向斷裂。正是因?yàn)槔肐NAR技術(shù)在滑坡發(fā)生之前進(jìn)行對應(yīng)的監(jiān)測所以及時地制止滑坡對人們造成的影響，也避免了一些不必要的損失發(fā)生。由此可見，利用INSAR技術(shù)在容易發(fā)生滑坡的地方進(jìn)行預(yù)測，可以在很大程度上減少損失。

利用高精度遙感和星載InSAR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域尺度、大范圍內(nèi)的重大地質(zhì)災(zāi)害隱患的早期識別。近年來世界各國先后發(fā)射了不少光學(xué)遙感衛(wèi)星，其分辨率越來越高（可達(dá)到0.2m左右），重復(fù)覆蓋某個區(qū)域的時間越來越短（幾年后便可達(dá)到任何地點(diǎn)每天覆蓋一次），地面的變形跡象可從遙感影像上清楚地發(fā)現(xiàn)，高精度遙感可作為地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別的重要技術(shù)手段。InSAR對地面大范圍變形區(qū)域也具有很好的探測識別能力，其監(jiān)測變形的精度已接近毫米級。將高精度遙感與InSAR有機(jī)結(jié)合，便可對某些地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)、多發(fā)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行掃面性的排查，圈定出地質(zhì)災(zāi)害隱患集中分布區(qū)和重大隱患點(diǎn)。利用INSAR技術(shù)的監(jiān)測就相當(dāng)于通過全面體檢，篩查和排查出具有潛在重大疾病的人群，來進(jìn)一步地分析出原因，減少了損失。

4 結(jié)語

利用INSAR技術(shù)不僅能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害中的隱患進(jìn)行對應(yīng)的監(jiān)測，而且能推算出哪些地區(qū)屬于安全區(qū)域，從而能夠避免人力、財(cái)力的損失，同時減少一些其他的不必要的損失。INSAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害隱患中的應(yīng)用中起著關(guān)鍵的作用，但是目前INSAR的適用范圍較小，要推動設(shè)立相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害隱患處理的技術(shù)部門，進(jìn)一步促進(jìn)INSAR技術(shù)的快速、全方面的發(fā)展，同時加快INSAR技術(shù)人員的隊(duì)伍建設(shè)，為前線的INSAR的研究隊(duì)伍提供新型的技術(shù)型人才，以此促進(jìn)干涉雷達(dá)的發(fā)展，進(jìn)一步推動社會的進(jìn)步、國家的穩(wěn)定發(fā)展。