九寨溝地區高位滑坡隱患InSAR-LiDAR早期識別

王之棟,唐 偉,馬志剛,李雨宸,楊本勇,李維慶,李永鑫

(1. 四川省國土空間生態修復與地質災害防治研究院,四川 成都 610036; 2. 自然資源部第三地理信息制圖院,四川 成都 610100; 3. 西南財經大學天府學院,四川 成都 610066)

高位滑坡是一種從高陡斜坡上部剪出并形成凌空加速墜落的滑坡地質災害類型,具有撞擊粉碎和動力侵蝕效應,易轉化為高速遠程碎屑流滑動或泥石流流動,往往造成重大地質災害[1-2]。合成孔徑雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)和激光探測及測距技術(light detection and ranging, LiDAR)在滑坡隱患識別中已展現出極大的應用潛力[3-4]。

國內外學者利用雷達遙感技術在地質災害隱患識別領域進行了大量的研究。文獻[5]總結了InSAR、LiDAR等技術在地災監測預警中的技術特點和應用發展;文獻[6—7]在大范圍復雜山區利用InSAR技術進行了滑坡形變的識別和測量;文獻[8]利用光學遙感影像和InSAR技術分析了新磨村高位滑坡特征,為高位滑坡的成因機制研究提供了有力的數據支撐;文獻[9—10]聯合多種InSAR技術和高分辨率光學遙感影像進行滑坡隱患識別,有效提高了識別的準確度,并降低了漏檢率;文獻[11]利用機載LiDAR和高分辨率光學影像數據聯合開展了九寨溝景區滑坡隱患解譯工作。盡管前期研究已開展了利用遙感技術的滑坡隱患識別工作,但綜合利用InSAR和LiDAR的滑坡隱患識別工程化解決方案規模應用較少,對高位滑坡隱患地質特征的時空分析不足。

本文首先從InSAR和LiDAR技術的基本原理出發,提出利用InSAR-LiDAR進行高位滑坡隱患識別的工程化解決方案,通過編程獲取九寨溝地區約4000 km2的56景ALOS-2雷達衛星數據和重點區域約1840 km2的LiDAR數據,開展基于InSAR-LiDAR方法的高位滑坡隱患識別,并進行野外調查驗證。然后通過綜合InSAR、LiDAR、光學遙感、野外實地調查數據成果,統計分析高位滑坡隱患的分布規律和發育主要影響因素。最后,以中查溝高位滑坡隱患為例,驗證基于InSAR-LiDAR識別和分析高位滑坡隱患方法的有效性和準確性。

1 InSAR-LiDAR識別滑坡隱患

針對九寨溝地區地表形變特征和不同InSAR數據處理方法的技術特點,綜合使用差分干涉測量技術(differential InSAR, D-InSAR)和小基線集干涉測量技術(small baseline subset InSAR, SBAS-InSAR)識別不同變形尺度的滑坡隱患[12-13],并在重點區域利用LiDAR獲取高精度數字高程模型(DEM)和數字正射影像(DOM)。通過聯合多種InSAR和LiDAR數據成果對形變區進行綜合判讀,提高對高位滑坡隱患的識別率。

從早期識別來看,高位滑坡隱患高差大,剪出口位置高,具有超視距隱蔽性,其發育特征與地形地貌、地層巖性、降水等多種因素相關。綜合利用InSAR、LiDAR對高位滑坡隱患進行前兆識別分析,在評估成災狀況、形變趨勢及致災形勢等方面發揮重要作用。本文通過空-天-地一體化識別的方法[14]探測高位滑坡隱患:①利用InSAR技術獲取地表形變“靶區”,初步圈定滑坡隱患形變范圍,并計算得到滑坡形變區歷史形變和活動階段,在廣域尺度內圈定滑坡隱患點位;②利用LiDAR和高精度光學遙感影像進行高位滑坡體的廣義形態調查,研究高位滑坡形成和發育的地質背景、三維形體、地表覆被變化等[15],分析滑坡隱患高程、形態特征、形變分區和巖體結構等,篩選確定地災隱患點;③交叉驗證InSAR與LiDAR識別成果,并通過剪出口位置、隱患點高差等特征初步篩選出高位滑坡隱患風險點,并對其當前形變狀況、潛在發展趨勢及致災形勢進行評判;④綜合形變速率、形態特征和地質構造、地層巖性等專業地質資料,開展野外實地調查,分析區域環境與地質條件、災害分區特征、成災模式等,最終確定高位滑坡隱患點[16]?？?天-地一體化識別流程如圖1所示。

圖1 InSAR-LiDAR滑坡隱患識別流程

2 InSAR-LiDAR高位滑坡隱患識別成果

編程獲取了2017年12月—2020年10月九寨溝地區分辨率為3 m的ALOS-2影像,共56景。其中升降軌分別32景和24景,覆蓋了九寨溝地震重點區域范圍(Ⅶ度及以上烈度區)約4000 km2;2018年8月—2020年6月,在研究區內獲取了面積為1840 km2、點云密度為20點/km2的機載LiDAR數據和地面分辨率為0.2 m的航空影像數據。

利用InSAR-LiDAR方法在九寨溝地區約4000 km2的范圍內共篩查出高位滑坡隱患114處,識別出的滑坡隱患成果及部分典型InSAR和LiDAR識別成果如圖2所示。其中,利用InSAR技術共篩查出高位滑坡隱患86處,利用LiDAR技術在九寨溝地災隱患識別重點地區(約1840 km2的范圍)內識別出高位滑坡隱患28處。InSAR和LiDAR成果中均有形變特征的高位滑坡隱患共21處。SBAS-InSAR成果顯示2017年12月—2020年9月九寨溝地區沿視線方向形變速率范圍為-149～120 mm/a。利用InSAR、LiDAR手段識別的滑坡隱患多位于坡度為30°～60°的斜坡上,覆蓋植被類型多為灌木,主要集中分布在九寨溝景區、漳扎鎮、黑河鎮、雙河鎮等區域。

為驗證利用InSAR-LiDAR識別(高位)滑坡隱患的準確率,本文自2018—2020年分3年開展了野外調查驗證工作,共查證高位滑坡隱患56處,整體調查率為49.9%。其中,高位滑坡隱患中明顯形變共34處,高位滑坡隱患輕微形變18處,未見明顯形變4處,整體形變識別準確率為92.9%。

3 高位滑坡隱患時空分析

3.1 高位滑坡隱患影響因素及分布規律

基于InSAR-LiDAR方法得到的高位滑坡隱患識別數據,結合野外實地核查成果,提取九寨溝地區114處高位滑坡隱患的地形地貌、地層巖性、地質構造及斜坡結構等數據資料,對其發育與分布特征進行分析。

3.1.1 地形地貌

(1)地貌。滑坡的分布與地貌類型密切相關,由于研究區內地貌類型為深切割地貌,峽谷兩岸地勢陡峭,斜坡高差大,有良好的臨空條件,且斜坡受流水長期侵蝕,風化強烈,是高位滑坡易發區。根據地貌類型統計,研究區內發育的高位滑坡隱患主分布于構造侵蝕高山河谷地貌類型中,共發育49處,占比為43.0%;其次為高山冰川谷地地貌,發育36處,占比為31.6%。

(2)坡度。滑坡的發育受坡度的影響較大,斜坡坡度越大,臨空條件越發育,斜坡越容易產生變形破壞。大于60°的陡崖易形成崩塌,隨著坡度的減緩,崩塌數量降低,滑坡數量增加;當陡坡轉變為緩坡,滑坡發生率逐漸降低至不再發生。

由圖3(a)可知,九寨溝地區高位滑坡隱患主要集中在斜坡35°～45°之間,共46處,占比為40.4%,在35°～40°之間達到峰值,符合高位滑坡隱患發育的普遍規律[17]。

圖3 高位滑坡隱患分布與坡度、坡向、高差關系

(3)坡向。斜坡坡向由于日照輻射、空氣流動等差異,導致地表水蒸發量不同,進而影響基巖風化程度、植被覆蓋等坡體凝聚力因素,從而對高位滑坡隱患的發育產生影響。根據圖3(b)可知,九寨溝地區高位滑坡隱患主要發育在NE至SE范圍內,其中E方向最為集中,這與文獻[18—19]得出的九寨溝地區地質災害空間分布規律一致,驗證了滑坡隱患在坡向上受到“背坡面效應”和“斷層錯動方向效應”的影響。

(4)高差。通過InSAR技術得到的通常是滑坡源區的地表形變,而滑坡源區的高差,利用重力勢能為滑坡的發育提供必要條件。高位滑坡源區高差越大則其重力勢能越大,轉化為具有撞擊粉碎效應和動力侵蝕效應的高位遠程滑坡的可能性越大。如圖3(c)所示,九寨溝地震重點區域有近60%的高位滑坡隱患集中在100～350 m,高差超過1000 m的高位滑坡隱患有4處,但其滑坡源區形變量均小于8 mm/a,形變區以淺層崩滑為主。

3.1.2 地層巖性

巖土體為地質災害的活動主體,不同巖土體具有不同的物理、力學及水理性質,故其與地質災害的關系亦各不相同。九寨溝地區內出露地層從老到新主要有泥盆系雪寶頂組、石炭系西溝組、二迭系三道橋組、三疊系菠茨溝組、扎尕山組、雜谷腦組、侏倭組、特殊地層塔藏組、第三系地層(E)、第四系(Q)等。根據地層巖性統計,研究區內發育的高位滑坡主要發育于第四系(Q)松散堆積層中,共發育91處,占比為79.8%;巖質高位滑坡主要發育在三疊系雜谷腦組(T2z)地層中,共發育13處。

3.1.3 地質構造

研究區位于秦嶺東西向構造帶南緣的松潘—甘孜造山帶東側,南與龍門山北東向構造帶相鄰,三級不同方向構造線形成向南凸出的弧形彎曲,而九寨縣城即處在構造線彎曲的頂端,并主要受南北向構造斷裂控制。區內構造總體上表現為傾向北且形態較復雜的復向斜構造。區內巖層褶曲強烈,巖層破碎,構造裂隙發育。根據地質構造統計,九寨溝地區內高位滑坡隱患密集分布于獨路巖—陵江鄉、刀切加—白馬鄉一線的主干斷裂及其支斷裂兩側,共分布高位滑坡隱患89處,占比為78.1%,宏觀上具有十分明顯地沿斷裂帶呈線狀分布的特征。

3.1.4 斜坡結構

研究區內斜坡結構類型主要為土質斜坡、順向坡、逆向坡、斜向坡、橫向坡。其中,土質斜坡分布區高位滑坡隱患發育最為廣泛,共發育88處,占比為77.2%;巖質斜坡中僅發育滑坡15處,占比為13.2%,且均發育于層狀巖體中,塊狀結構巖體中無滑坡發育;巖質滑坡中,順向坡內滑坡最發育,共有9處,占巖質滑坡總數的60%;其次為斜向坡,逆向坡區共發育高位滑坡6處,占比為40%;逆向坡和橫向坡內無滑坡發育。

3.2 中查溝高位滑坡隱患InSAR-LiDAR時空分析

為驗證利用InSAR-LiDAR方法識別高位滑坡隱患的有效性和準確性,在九寨溝地震震中漳扎鎮選取一處潛在威脅較大的高位滑坡隱患作為典型,并進行時序分析。

3.2.1 高位滑坡隱患基本情況

中查溝高位滑坡隱患位于九寨溝縣漳扎鎮西南方向的中查溝西側斜坡地帶,該滑坡為一古滑坡堆積體,滑坡平面形態呈舌狀。如圖4所示,滑坡區后源高程2900 m,剪出口段高程2411 m,滑坡區相對高差489 m,剖面形態呈階梯狀,平均坡度30°;滑坡堆積體長1135 m,寬度為500～720 m,平均寬度約620 m,平面面積約0.67 km2,據收集資料和地形推測滑體厚度為10～25 m,平均厚度約15 m,滑坡體積約1.005×107m3,為一特大型古滑坡。滑坡體物質為強風化基巖層、塊石土和第四系風成堆積物(Q4esl), 表部為風成堆積層,主要成分為粉質黏土,滑床為三疊系雜谷腦組地層(T3z), 巖性主要為灰綠色中-厚層狀凝灰質砂巖、巖屑石英砂巖,含少量板巖。

圖4 中查溝高位滑坡隱患示意

3.2.2 高位滑坡隱患InSAR-LiDAR識別解譯

對2017年12月—2020年10月的32景ALOS-2升軌雷達衛星影像進行時序InSAR處理,獲取雷達視線方向的平均形變速率,如圖5所示。根據時序InSAR識別結果分析可知,中查溝高位滑坡隱患總體存在兩處較為明顯的形變區域,分別位于滑坡體的一級和二級平臺下緣,滑坡壁的大部分區域由于失相干的影響未能獲取到有效InSAR測量點,滑坡體剪出口區域在監測時間區間內未觀測到明顯形變信號。

圖5 中查溝高位滑坡隱患地表形變速率

根據前人研究結論,對于L波段數據,沿視線方向形變速率大于8 mm/a時可認為斜坡處于不穩定狀態[20]。ALOS-2時序成果中,84%以上的測量點形變速率絕對值小于8 mm/a,說明大部分區域較為穩定。位于滑坡體一、二級平臺的形變區,最大形變速率為66.5 mm/a(升軌視線方向)。分別在一、二級平臺選取一個點位進行時序分析,如圖6所示,其中滑坡體一級平臺P1點累計形變量為185.5 mm,年平均速率為62.5 mm/a,滑坡體二級平臺P2點累計形變量為138 mm,年平均速率為47.6 mm/a。

圖6 基于SBAS-InSAR的樣點形變速率和累計形變量

為獲取中查溝高位滑坡隱患的“形態”特征,結合LiDAR和高分辨率光學遙感數據進行識別和解譯。在該區域利用LiDAR數據生成0.5 m分辨率的DEM,如圖7所示。

分析可知,中查溝高位滑坡隱患為一處特大型古滑坡,斜坡坡面近似為階梯形,上陡下緩,滑坡體發育多處不同期次的次級滑坡,存在多級緩坡平臺。后緣至山脊線的滑坡壁平直陡峭,巖體風化程度較高,形成多處倒石錐,滑坡壁分布在高程在2720 m以上,平均坡度約46°;滑坡體中部發育沖溝,二級平臺前緣為陡坎,裂縫發育,最長達150 m;中部陡坎左側發育一處圈椅狀滑坡,邊界清晰,前緣平緩處修建有道路;中部陡坎右側存在一處不穩定斜坡,斜坡發育裂縫,影響穩定性;滑坡體前緣鼓脹,擠壓河道,河道發生彎曲轉向,并存在局部滑塌。

3.2.3 高位滑坡隱患分區特征

基于InSAR、LiDAR數據成果,結合現場調查對滑坡進行綜合分析,按照地形特征及要素特征將滑坡分為:滑坡壁、一級平臺、中部變形區和前緣堆積區,滑坡體全貌如圖8所示。

圖8 中查溝高位滑坡隱患全景

(1)Ⅰ區(滑坡壁)特征。滑坡壁高程2720～2900 m,高差180 m,呈脊頂單斜結構,斜坡較陡,母巖地層為三疊系下統雜谷腦組(T1z),巖性為灰綠色中-厚層狀凝灰質砂巖、巖屑石英砂巖,含少量板巖,產狀為252°～265° ∠35～53°。巖體呈強風化,左側區域山脊處有局部垮塌現象,如圖9(a)所示。

圖9 現場調查照片

(2)Ⅱ區(后緣一級平臺)特征。堆積體后緣形成一緩坡平臺,高程2664～2720 m,高差56 m,斜坡傾角10°～15°,平臺寬386 m,沿坡向長120 m,主要是滑坡堆積體,表層為黃土,下部為塊狀碎石土。從InSAR、LiDAR數據成果和現場調查得知,該區域無明顯形變跡象。

(3)Ⅲ區(中部形變區)特征。中部形變區形態呈矩形,高程2482～2664 m,高差182 m,寬684 m,沿坡向長371 m,坡形為階梯狀,后緣和前緣陡峭,中部平緩。坡體中部發育一條沖溝,按形變特征和穩定性又將該區劃分為中部陡坡(Ⅲ-1區、Ⅲ-3區)和中部二級平臺(Ⅲ-2區)3個亞區。中部陡坡(Ⅲ-1區、Ⅲ-3區)分別發育有3處次級滑體,邊界清晰,裂縫發育。如圖9(b)所示,中部陡坎下部修建有擋墻,擋土墻可見多處外突變形,格構梁局部錯斷,出現多條拉張裂縫,寬約5～10 cm不等。InSAR時序成果顯示,中部的次級滑體在震后表現為快速線性形變,2019年6月后形變速率有明顯降低,中部陡坎(Ⅲ-3區)下緣擋墻在一定程度上穩固了該區域。 如圖9(c)所示,中部陡坎存在斜坡坡體下錯,前緣下錯約1～1.5 m,后部下錯約10～30 cm。坡體后部出現拉張裂縫,長約40～45 m,拉開寬度約5～20 cm,裂縫走向基本與坡向垂直。

(4)Ⅳ區(前緣堆積區)特征。二級平臺前緣至中查溝為滑坡前緣堆積區,該區平面呈矩形,寬421 m,沿坡體長527 m,高程為2411～2482 m,高差71 m,修建有酒店和道路,部分道路存在拉裂縫。如圖9(d)所示,該區存在一次級滑塌區,次級滑體平面呈舌狀,后緣有圈椅狀陡坎,前緣局部滑塌。

4 結 語

本文在“8·8”九寨溝強震區實踐了基于空-天-地一體化的InSAR-LiDAR高位滑坡隱患識別方法,分析了九寨溝強震區高位滑坡隱患的發育和分布特征,并開展了基于InSAR-LiDAR方法的高位滑坡隱患時空分析,驗證了綜合利用InSAR、LiDAR技術識別分析高位滑坡隱患的準確性和可靠性,可為滑坡隱患的防災減災提供科學依據和參考。

致謝：感謝日本宇宙航空研究開發機構提供ALOS-2數據,感謝四川測繪地理信息局測繪技術服務中心、四川省國土空間生態修復與地質災害防治研究院、四川省地質調查院提供的幫助和支持。