基于SBAS-InSAR技術的廣安村滑坡形變監測分析

牛敏杰，師 蕓，呂 杰，趙 侃，石龍龍

（1.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘察與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021）

滑坡是我國發生最頻繁的地質災害之一，2020年我國共發生地質災害7 840起，其中滑坡4 810起，占比為61.35%，直接經濟損失為50.2億元[1]。滑坡是指斜坡體上覆巖土在自然或人為因素誘發下受自身重力影響沿著滑動面做剪切運動[2-3]。2017-10-21凌晨，重慶市巫溪縣大河鄉廣安村發生大型滑坡，造成9人遇難，滑坡前緣S301省道中斷，西溪河被堵塞形成堰塞湖，嚴重威脅了當地群眾的生命和財產安全[4-5]。廣安村滑坡為巖質滑坡，剪切口位置高，具有隱蔽性強、危險性大、突發性強的特點，在有利地形和持續降雨的條件下易發生滑動[4-5]，時刻威脅居民生命和財產安全，因此加強對滑坡的監測與分析具有重要意義。

小基線集技術[6]（SBAS）設置了時空基線閾值，將已有SAR影像組合成若干差分干涉序列子集，改進了長基線導致的失相干問題，提高了時間采樣率，增加了數據利用效率，并通過SVD分解得到真實LOS向時序形變信息，在復雜山區地質災害識別與監測方面具有很大優勢[7-10]。2017-06-24四川省茂縣新磨村突發高位山體滑坡，造成83人死亡，新磨村被掩蓋，殷躍平[11]、許強[12]等通過現場調查，綜合光學遙感、In-SAR、無人機等多手段對滑坡成因進行了分析，認為地形地貌條件和持續降雨是誘發高位山體滑坡的重要因素，應聯合多技術手段，實現滑坡隱患的早期排查和監測。2018-10-11和2018-11-03金沙江白格村發生兩次大規模山體滑坡，造成嚴重堵江事件，對金沙江下游沿岸居民生活造成嚴重影響，很多學者結合SBAS-InSAR、PS-InSAR、光學遙感等多種技術對白格滑坡運動特征以及金沙江流域滑坡隱患進行了識別與分析，為該流域滑坡防治提供了重要的參考資料[8,13-15]。近年來，SBAS-InSAR技術已被廣泛應用于震后滑坡識別、黃土地區滑坡監測以及蠕滑狀態單體滑監測等方面，取得了豐富成果，為滑坡識別和監測預警提供了重要的數據和技術支撐，在滑坡監測中的優勢已得到廣泛肯定[16-19]。

廣安村滑坡對周邊坡體的影響較大，目前利用In-SAR技術對廣安村滑坡進行監測的研究較少，本文采用SBAS-InSAR技術獲取廣安村滑坡后的形變信息，綜合SAR影像、Sentinel光學影像分析了滑坡形變特征，更全面地反映了滑坡特征和滑坡后的穩定情況，為當地滑坡防治與監測預警提供了數據參考。

1 研究區概況與實驗數據

1.1 研究區概況

廣安村滑坡位于重慶市巫溪縣大河鄉廣安村，西溪河北岸，距離大寧河約1 km。滑坡中心位于109°36′40.35″E、31°32′28.06″N，概況如圖1所示。廣安村滑坡范圍廣、高差大，滑移方量達到6×106m3，最大滑動距離為1 200 m[5]，所在斜坡高程介于275～1 800 m之間（圖2）。研究區屬亞熱帶季風性暖溫氣候，受東南季風影響，區域內氣候溫和、雨量豐富，多年平均年降雨量為1 333 mm，平均溫度為14.7℃[4,20]。

圖1 研究區位置概況圖

滑坡區域由上至下的主要地層為第四系、三疊系、二疊系和志留系；巖性以強溶蝕性灰巖和頁巖為主[4-5]。滑坡表面土質主要由第四系崩坡積層塊石土、黃褐色粉質粘土、灰巖碎石和頁巖碎石組成；上部灰巖溶蝕現象明顯，裂隙發育，巖體破碎，力學性質低；下部層狀頁巖巖體破碎。受地下孔隙水和降雨下滲等軟化作用的影響，易形成上硬下軟地層狀態，使上部巖體在重力作用下沿頁巖內部剪出滑移[4-5,20]。參考文獻[4]根據現場調查和監測，將廣安村滑坡分為滑移區、4個潛在滑源區和兩個潛在鏟刮區，如圖2中滑坡等值線所示，4個潛在滑源區位于滑移區上方，兩個潛在鏟刮區位于滑移區左右兩側；滑移區周圍地層結構較相似，在長期降雨、灰巖溶蝕以及人類活動的影響下，有再次發生滑移的可能性，對周邊居民、道路和河流的危害性較大，因此必須加強對滑坡體穩定性的監測分析。

圖2 廣安村滑坡DEM等值線圖

1.2 實驗數據

本文獲取覆蓋研究區的31景Sentinel-1A升軌數據，時間跨度為2017-03-31—2018-10-26，以2017-10-31影像為主影像進行影像配準，挑選干涉圖，最終獲得41組質量較好的干涉圖，時空基線如圖3所示。在數據處理過程中，首先對干涉圖進行平地相位、地形相位去除，再進行濾波、相位解纏等處理，獲取精密基線信息進行基線精化處理，并對地形相位殘差和大氣相位進行分離去除。其中外部DEM采用美國航天局發布的30 m分辨率SRTM DEM產品進行地形相位去除；并下載Sentinel-1A衛星POD精密軌道數據對SAR影像進行軌道精化，以減小軌道誤差的影響，提高數據處理質量和形變相位精度。

圖3 時空基線信息圖

2 實驗方法

SBAS-InSAR技術是由Berardino提出的一種多主影像時序InSAR技術。SBAS-InSAR技術設置了時空基線的閾值，通過組成的若干個短時空基線子集來反演形變信息[6]。SBAS-InSAR技術基于閾值組合成不同的干涉子集，相當于對地表同一散射體進行多次重復軌道觀測，構成冗余觀測值，以提高形變相位與其他相位成分之間的分離精度，特別是在植被覆蓋茂密地區，可減弱失相干的影響，監測結果更具可靠性[8,21]。

假設在同一區域選取t(t0,t1,t2,…,t n)時間段的N+1景SAR影像，選擇主影像、設置時間和空間基線閾值后生成M個干涉對，其滿足的條件為[7-8]：

以重復軌道干涉測量為例，InSAR干涉相位可表示為：

去除平地相位、地形相位后，生成干涉圖的相位近似表達式為：

式中，t a、t b分別為組成干涉對的兩景SAR影像的獲取時間；dt a和d t b分別為a、b時刻相對于參考影像在雷達視線方向的形變量；為地形殘差相位；為大氣延遲相位；為噪聲相位成分；λ為雷達波長。

去除地形相位殘差、大氣相位和噪聲相位后，形變相位可近似表示為：

形變相位的矩陣表示形式為：

在每個基線集合中，利用最小二乘法計算地表時序形變，利用SVD連接不同基線子集，獲取最終的時序形變[7]。

3 實驗結果分析

3.1 形變速率分析

首先對Sentinel-1A數據進行處理，得到LOS向形變結果；再分解為垂直方向，獲取滑坡后（2017-10-31—2018-10-26）垂向年均形變速率圖（圖4），可以看出，在對應監測時間段，形變速率范圍在-140～60 mm/a之間，形變速率最大值位于潛在滑源區2中部，達到-137 mm/a；滑移區左側邊界和前緣位置有明顯形變，最大形變速率位于滑移區中部，達到-127 mm/a，說明滑坡后該區內仍處于不穩定狀態；在潛在滑源區1、2、3、4中均存在明顯形變趨勢，滑移區發生滑動后，上部坡體的應力平衡被打破，在應力重新分布的過程中會持續發生形變；潛在滑源區2、3與滑移區上緣部分接壤，滑移區滑動后，導致接觸部分的巖體失穩并受上部巖體擠壓發生形變，形變量大于兩側的潛在滑源區1、4。滑坡出露巖層以灰巖和薄層狀頁巖為主，灰巖溶蝕現象嚴重，巖體裂隙發育；灰巖受雨水侵蝕較嚴重，在長期溶蝕作用下易失穩發生滑坡[4]，因此在持續降雨的情況下應密切關注滑坡體前緣和后緣潛在滑源區2的穩定狀況。

圖4 廣安村滑坡年均形變速率圖

3.2 時序累積沉降結果分析

本文選取2017年10月—2018年10月部分時間節點的累積沉降圖繪制廣安村滑坡后時序形變圖（圖5），可以看出，滑坡發生后坡體存在明顯形變，隨著時間的推移，滑移區前緣坡體紅色明顯加深，范圍擴大，說明該區域累積形變量在增加，處于不穩定狀態。根據文獻資料，在鏟刮區1右側與滑移區交界處有自然沖溝，沖溝內常年有水，水量與地下水和自然降雨有關[4]，因此在時序圖中可發現滑移區左側邊界形變較明顯，說明滑坡發生后，前緣坡體處于緩慢蠕滑階段，同時受到地下水和自然降水的影響。滑坡后緣4個潛在滑源區內均可見明顯的形變特征，在滑坡后緣區內出現多條貫通型拉張裂縫[4]，易受降雨下滲的影響，不斷侵蝕軟化發生緩慢形變。廣安村滑坡發生后局部坡體仍處于蠕滑狀態，一方面大量滑移物堆積在滑坡前緣區域，形成松散堆積體，在河水侵蝕和持續降雨下易發生形變；另一方面，由于滑移區周圍出現多條裂縫，在雨水下滲和地下水侵蝕作用下會發生緩慢形變。

圖5 廣安村滑坡時序形變圖

4 廣安村滑坡形變分析

4.1 特征點時序累積形變分析

為了進一步分析形變特征，在滑移區、潛在滑源區和鏟刮區選擇對應特征點，共10個點，編號為A～J，如圖5所示。廣安村滑坡發生后對周邊山體造成嚴重影響，在灰巖溶蝕、雨水下滲以及臨空條件等因素作用下易發生小規模滑動，因此本文提取對應特征點的時序形變信息，繪制時序形變曲線，如圖6所示。

圖6 特征點時序形變曲線

1）潛在滑源區1。A點位于潛在滑源區1后部，2017-10-31—2018-04-05一直緩慢下沉，累積沉降量達到-27 mm；2018-04-05—2018-07-10累積沉降曲線明顯變陡，累積沉降量增大，達到-46 mm；截至2018-10-26，最終累積沉降量為-50 mm。

2）潛在滑源區2。B點位于潛在滑源區2中部，下沉趨勢明顯，累積沉降量最大為-98 mm。潛在滑源區2位于滑移區正上方，滑坡發生后，在滑移區后側形成高約30 m的巖質陡壁[4]，相當于形成自然切坡，滑坡后緣坡體凸出部就形成臨空條件，在恢復力學平衡過程中易受降雨侵蝕、灰巖溶蝕作用發生形變。

3）潛在滑源區3。C、D兩點位于潛在滑源區3，C點形變曲線先明顯上升，2018-04-01開始呈下降趨勢，最終累積沉降量為-42 mm，C點位于潛在滑源區3后側，易受上方坡體的推擠；D點在2017-10-31—2018-05-11下沉較快，累積沉降量達到了-74 mm，2018年5月以后形變趨勢變緩，最終累積沉降量為-81 mm。

4）潛在滑源區4。潛在滑源區4沒有直接與滑移區接壤，但在滑坡發生后，區域中部出現貫通性拉張裂縫[4]。E點位于潛在滑源區4中部，存在明顯形變，時序累積沉降量達到-63 mm。

5）鏟刮區。F和G點分別位于兩側鏟刮區，受后部坡體變形影響，在鏟刮區后部出現擠壓變形，形成裂縫。F和G點的時序形變曲線呈上升趨勢，F點的最終形變值為63 mm，G點的形變值為42 mm。

6）滑移區。H、I和J點位于滑移區，H點在滑移區后部，累積沉降量為-57 mm；I點在滑移區中部，累積沉降量為-72 mm；J點在滑移區前部，累積沉降量為-136 mm，說明滑坡發生后滑移區內仍存在局部滑動，在滑移區左側和前緣區域變形較活躍。

4.2 SAR強度影像與光學影像的對比分析

滑移區后緣高程約為850 m，滑坡發生后上部巖體蘊藏著高重力勢能，在推擠和沖擊作用下，引起下部不穩定巖體發生滑移，使滑坡規模擴大、破壞程度增強。滑坡前后的SAR強度影像和Sentinel-2光學影像如圖7所示。從SAR衛星視角觀察，圖7a、7b中紅色實線部分在滑坡前后變化顯著，可見明顯斷裂痕跡；紅色點劃線部分巖體位于斷裂處正上方，下部巖體發生滑移后，導致上部巖體處于臨空狀態，相對應的特征點B處的累積沉降量達到-98 mm，增加了再次滑動的風險，必須進行密切關注；紅色虛線部分為SAR影像上的滑移范圍，進一步說明了上部巖體在高海拔和高勢能的作用下，發生滑坡的沖擊力和破壞力更強，滑坡范圍更廣。光學影像可直觀反映滑坡的范圍邊界特征，滑坡后緣坡體發生滑動后，在滑移區中部造成堆積，同時進一步推擠前緣的坡體發生滑動。由滑坡前后的光學影像可知，滑坡造成后緣盤山道路中斷，前緣西溪河堵塞，河道明顯變寬，積水增加，形成堰塞湖，給群眾生命財產安全和搶險救災工作造成一定困難。

圖7 廣安村滑坡前后SAR強度影像與光學影像

由此可見，高位滑坡一方面由于蘊藏著高勢能，滑坡范圍廣、危害性強；另一方面滑坡發生后，造成后部巖體臨空，處于不穩定狀態，將經常性發生小規模滑動，使得滑坡后壁不斷向后擴張，必須采取一定監測措施，防止突發性滑動對滑坡前緣的破壞。

5 結語

本文利用SBAS-InSAR技術獲取了廣安村滑坡后的時序形變信息，并綜合研究區SAR強度影像和光學影像對形變特征進行了分析。分析結果表明，廣安村滑坡在滑坡后存在明顯形變趨勢，處于緩慢形變狀態，2017-10-31—2018-10-26垂向形變速率在-140～60 mm/a之間；4個潛在滑源區存在明顯形變特征，其中B點累積沉降量達到-98 mm；滑移區左側形變較活躍，前部J點累積沉降量達到-136 mm。微波信號對地表植被有一定的穿透性，SAR強度影像能清楚反映地表形態起伏狀況，對地表紋理結構的表達更加清楚，在滑坡識別分析中，可以更好地輔助光學影像進行解譯。針對地形條件復雜的滑坡監測，SBAS技術可有效提高時空相干性，保證監測結果的可靠性。綜合上述分析，廣安村滑坡局部坡體仍處于緩慢形變狀態，建議應在雨季加強對滑坡后緣穩定性的監測。