基于D-InSAR技術分析的地質災害與礦區周邊地表變形關系

管 威

（成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059）

自從2018年3月30日以來，四川省自貢市榮縣和內江市威遠縣地質災害頻發。經相關數據統計，截至2019年9月10日，兩地共發生的地質災害高達19次。對附近居民的生命財產安全造成威脅，地質災害發生后對礦區周邊地表形變探測及穩定性評估在今后預防地質災害方面具有重要意義。

地質災害的發生具有突發性和不確定性，基于雷達遙感數據的合成孔徑雷達干涉測量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技術為災害發生后地表形變探測提供了新的技術途徑。InSAR技術是監測地殼形變的有力手段，對于研究減災具有重要的意義[1]。InSAR技術具有全天時、全天候、空間分辨率高等特點，可以大范圍、高靈敏度、無接觸的觀測地表變形，反演發震斷層幾何參數和滑動參數[2]。InSAR通過對同一地區不同時刻獲取的SAR影像的相位信息進行干涉處理，并從干涉相位中提取地表形變信息，其中的地表形變信息可通過D-InSAR技術獲得，測量精度可達厘米甚至毫米級[3]。基于歐洲空間局哨兵一號（Sentinel-1）雷達衛星數據，反演了斷層滑動分布[4]。隨著雷達衛星數據硬件的不斷提升，雷達遙感在未來將會發揮更加重要的作用[5]。

本文將利用D-InSAR技術，基于降軌Sentinel-1雷達影像獲取礦區地表形變情況，對榮縣和威遠縣區域因地質災害造成的地表形變進行探測，為地質災害發生后穩定性評估提供有力支持，同時也為地質災害的防治工作提供思路與借鑒。

1 研究區域和數據

1.1 研究區域

本文研究區域位于我國四川省東南部（圖1），主要包含自貢市榮縣和內江市威遠縣（經緯度范圍：104.3°E～104.7°E，29.35°N～29.62°N）。研究區域地貌為盆地和丘陵，西北部地勢較高，區域平均海拔500m。

圖1 研究區位置

圖2 用D-InSAR技術分析范圍

1.2 數據

本文所采用的研究數據為Sentinel-1衛星數據。Sentinel-1衛星是ESA（European Space Agency，歐洲航天局）執行哥白尼全球觀測計劃所研制，由Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆衛星組成的衛星星座，可以進行全球全天候、全天時高分辨率監測，采用C波段成像，波長約5.6cm。本文采用的是Sentinel-1數據對地觀測默認成像模式為IW（干涉寬幅），幅寬為250km，地面分辨率為5m×20m。本文研究研究區域根據榮縣多次地質災害所發生的時間和范圍（圖2），采用25景Sentinel-1A降軌數據及對應精密軌道數據，軌道號為164。

2 數據處理

2.1 DInSAR原理

DInSAR技術的物理機制源自1801年Thomas Young設計的“楊氏雙縫干涉實驗”。基于此原理，利用衛星雷達沿重復軌道獲取同一地區兩幅影像，然后進行類似楊氏雙縫干涉實驗的相位干涉處理，得到干涉相位，進而從干涉相位中分離和提取出不同的相位分量。SAR影像記錄了地面目標雷達回波信號的散射強度信息和相位信息，DInSAR正是利用了兩幅影像斜距相位差。干涉相位Δφ由多個分量構成，主要包括參考橢球面相位Δφref，地形相位Δφtop，形變相位Δφdef，大氣相位Δφatm和噪聲相位Δφnoi，具體如下 ：

從干涉相位中提取Δφdef，得到地標形變ΔR，關系式如下：

2.2 處理結果

本文采用DInSAR技術，分別將2018年3月～2019年9月自貢榮縣和內江市威遠縣的多次地質災害發生前后的影像數據進行差分干涉處理，使用AW3D30M的30m分辨率的高程數據消除地形相位，采用自適應濾波的方法減少相位噪聲，并采用最小費用流法進行解纏。最后處理得到15幅相位干涉圖（圖3）是纏繞在一個相位周期（-π～π）內的觀測結果。

圖3 干涉圖

從干涉圖結果中，發現”20190216～20190228”干涉結果中有一處明顯形變，其他干涉圖中并未發現有明顯形變的地方。

3 分析

將”20190216～20190228”干涉結果解算為礦區周邊地表形變值（圖4），得到形變量值在-22.9mm～22.3mm之間，負值代表地表沉降，正值代表地表抬升。將形變圖與斷層（地質）數據結合（黑線代表斷層），紅色圓點代表3次地質災害所發生的位置。

圖4 20190216-20190228地表形變

如圖3，Ⅰ區域為礦區周邊地表形變抬升區域，面積約24km2，Ⅱ區域為地表形變沉降區域，面積約為8km2。Ⅰ區域和Ⅱ區域分別位于斷層兩側，地表形變呈現相反的結果。四川省內的地震具有西強東弱的特點，榮縣地處四川東部，從歷史記載和實際構造來看，榮縣沒有發生6級以上強烈地震的構造基礎。圖4中地表形變結果也表明，斷層東部抬升區域（Ⅰ區域）面積明顯大于斷層西部部沉降區域（Ⅱ區域）。

4 結語

本文利用降軌Sentinel-1雷達影像采用D-InSAR技術獲取了礦區周邊地表的形變。通過分析2019年02月24日、2019年02月25日的幾次地質災害：兩天之內發生，深度均為5km，結果發現這幾次地質災害引起較大范圍礦區周邊地表的形變。因此使用DInSAR技術和sentinel-1A數據，能探測到短時間、小范圍多次地質災害所造成礦區周邊區域地表形變。