聯(lián)合北斗與地基InSAR多源數(shù)據(jù)分析四川茂縣特大滑坡

何亞東,徐許雄,李 林,孫 銘,黃 逢

(1. 自然資源部第三大地測(cè)量隊(duì),四川 成都 610100; 2. 四川省冶勘設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,四川 成都 610051)

地基合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量系統(tǒng)(ground based interferometric synthetic aperture radar, GBInSAR)能對(duì)滑坡體進(jìn)行快速監(jiān)測(cè),具有靈活的觀測(cè)姿態(tài)和連續(xù)觀測(cè)能力,其分辨率高、平臺(tái)穩(wěn)定、觀測(cè)周期短、成本低廉,目前已應(yīng)用于滑坡[1-2]、露天煤礦[3]、大壩[4]和橋梁[5-6]等領(lǐng)域的形變監(jiān)測(cè)中。部分學(xué)者聯(lián)合北斗和星載InSAR進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[7]提出了北斗+GNSS+InSAR集成長(zhǎng)周期基礎(chǔ)設(shè)施毫米級(jí)形變監(jiān)測(cè)方法。文獻(xiàn)[8]聯(lián)合時(shí)序InSAR和GNSS技術(shù)對(duì)深圳和香港海岸線的地表形變場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 識(shí)別出填海區(qū)的地鐵建筑區(qū)和地基較淺的建筑物,存在明顯的沉降現(xiàn)象。文獻(xiàn)[9]提出融合星載InSAR和GNSS的三維形變監(jiān)測(cè)方法。文獻(xiàn)[10]探討了基于北斗聯(lián)合光學(xué)、雷達(dá)等多源衛(wèi)星遙感手段的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。

綜合上述研究,本文聯(lián)合北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和地基InSAR技術(shù),對(duì)四川省茂縣的渭門鎮(zhèn)特大滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè),并結(jié)合裂縫計(jì)、雨量計(jì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 地基InSAR原理

1.1 基本原理

地基InSAR沿雷達(dá)視線方向(line of sight,LOS)和距離方向形成像元面,該面被分割成許多二維像元小單元,將每個(gè)像元作為觀測(cè)對(duì)象(如圖1所示),進(jìn)而以面為單位實(shí)現(xiàn)高空間分辨率形變監(jiān)測(cè)。其實(shí)質(zhì)為利用一個(gè)小的雷達(dá)天線在滑軌上運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)方向上獲得一個(gè)等效的大孔徑天線(稱為合成孔徑)[11]。通過這種方式,雷達(dá)對(duì)同一場(chǎng)景重復(fù)掃描成像,利用重復(fù)圖像對(duì)進(jìn)行干涉,提取目標(biāo)區(qū)域的相位變化,再通過相位變化差值(如圖2所示)反演監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的形變信息。其中,LOS方向的形變量Δd與干涉相位φdef的關(guān)系[12]可表示為

圖1 空間分辨單元

圖2 差分干涉SAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)

(1)

式中,λ表示雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)。

根據(jù)差分干涉SAR的基本理論,假設(shè)有N幅地基 SAR 圖像,形成N-1幅干涉圖像,目標(biāo)點(diǎn)的干涉相位可以表示為

φInt=φdef+Δφatmo+Δφnoise

(2)

式中,φdef表示由形變引入的相位;Δφatmo表示大氣相位;Δφnoise表示由時(shí)間去相關(guān)等因素引入的隨機(jī)相位。

1.2 PS選點(diǎn)算法

針對(duì)傳統(tǒng)選點(diǎn)方法的誤選率高、效率低的特點(diǎn),本文采用基于動(dòng)態(tài)選擇永久散射點(diǎn)(persistent scatterers,PS)的實(shí)時(shí)處理算法[13],分組篩選出PS點(diǎn)。其大致流程為:假設(shè)分組數(shù)為15,首先選擇其主圖像前30幅,并以PS點(diǎn)作為背景場(chǎng),并將第30幅圖像作為主影像,第31～45幅影像開始反演形變;第45幅圖像作為主影像,第46～60幅影像開始反演形變,并以此類推。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)獲取

2.1 滑坡描述

結(jié)合氣象資料,四川茂縣全縣境內(nèi)多年平均降雨量為490.7 mm,降雨量分布不均,降水集中在5—9月,占全年降水量的72%,是降水高峰期[14]。地貌以高山峽谷為主,地勢(shì)由西北向東南傾斜,水流方位呈東南流勢(shì),山峰海拔均約為 4000 m。

該滑坡位于茂縣渭門鎮(zhèn),距茂縣13 km。滑坡為歷史滑坡,所在坡體上部、下部都為聚居區(qū)。滑坡主要形變集中于前緣,前緣坡體結(jié)構(gòu)松散,存在懸空情況和明顯的強(qiáng)烈形變區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算,強(qiáng)烈形變的區(qū)域坡體長(zhǎng)200 m、寬350 m,滑坡體堆積厚度大于15 m,整個(gè)形變區(qū)域的方量約為90×104m3。

2.2 設(shè)備布設(shè)情況

針對(duì)滑坡的強(qiáng)形變區(qū),在范圍內(nèi)布設(shè)裂縫計(jì)設(shè)備LF01、LF02、LF03、LF04、LF05、LF06,雨量計(jì)設(shè)備YL01,基于北斗定位的GNSS設(shè)備GP01、GP02、GP03、GP04,以及GBInSAR設(shè)備對(duì)該區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

基于北斗的GNSS設(shè)備為滑坡體安裝的固定設(shè)施,分別為GP01、GP02、GP03、GP04,該設(shè)備采用太陽能供電,24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)。GBInSAR數(shù)據(jù)采集于2021年8月19日18:05—24日17:37,共獲得199景有效影像,采樣間隔為35 min。采樣數(shù)據(jù)距離向分辨率為0.375 m,方位向分辨率為4.0 mrad。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.1 傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果分析

圖3為雨量計(jì)設(shè)備2021年8月1日—8月31日的實(shí)際降水量情況。可以看出,該地區(qū)整個(gè)8月份有1/2的時(shí)間存在降雨過程。

圖3 雨量計(jì)降雨量

圖4表示LF01、LF02、LF03、LF04、LF05、LF06共6臺(tái)設(shè)備的拉力值,為2021年8月1日—8月31日的拉力值變化情況。可以看出LF02、LF03、LF04、LF06在不同時(shí)刻存在拉力值突變的情況,范圍為5～40 mm,表明滑坡體表面存在一定程度的形變。

圖4 裂縫計(jì)拉力值

3.2 北斗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

圖5表示GP01、GP02、GP03、GP04于8月19日18:00—8月24日18:00采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。GP01、GP02、GP03設(shè)備累計(jì)形變量在20 mm以內(nèi),GP04設(shè)備累計(jì)形變達(dá)46 mm。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變量

3.3 GBInSAR結(jié)果分析

GBInSAR結(jié)果如圖6所示,橢圓圈出的5處明顯形變區(qū)域?yàn)锳1、A2、A3、A4、A5,取該區(qū)域內(nèi)形變最大的5個(gè)點(diǎn)位P001、P002、P003、P004、P005,其形變量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示,其中P003位置累計(jì)形變量達(dá)272 mm。

圖6 案例形變累計(jì)量

圖7 地GBInSAR數(shù)據(jù)LOS向累計(jì)形變量

4 結(jié)果分析與討論

4.1 北斗與地基InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

圖8為選擇相同觀測(cè)時(shí)間和觀測(cè)位置的監(jiān)測(cè)對(duì)比。其中,★表示北斗監(jiān)測(cè)GP04形變量變化,▲表示GBInSAR監(jiān)測(cè)GP04同一位置形變量變化,實(shí)線表示形變量趨勢(shì)線。

圖8 監(jiān)測(cè)對(duì)比

整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi),北斗/GNSS設(shè)備監(jiān)測(cè)的GP04最大形變量為46.2 mm,平均值為22.3 mm,平均形變速度為0.35 mm/h;GBInSAR設(shè)備監(jiān)測(cè)的GP04最大形變量為49.7 mm,平均值為18.2 mm,平均形變速度為0.34 mm/h。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),兩種設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

4.2 監(jiān)測(cè)能力分析

北斗設(shè)備是對(duì)固定安裝位置進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以安裝在滑坡體不同位置,達(dá)到對(duì)滑坡體的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),但缺點(diǎn)是只能做到點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

GBInSAR設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)面整體情況的監(jiān)測(cè),既能監(jiān)測(cè)滑坡表面變化較大的區(qū)域塊,又能很好地監(jiān)控不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),實(shí)現(xiàn)面監(jiān)測(cè)。其具有架設(shè)位置靈活、安裝簡(jiǎn)單、快速出成果、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn),能方便地應(yīng)用于應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測(cè)和次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 語

北斗和GBInSAR聯(lián)合分析的方法用于滑坡監(jiān)測(cè),能充分發(fā)揮兩種技術(shù)手段各自的優(yōu)勢(shì),在滑坡形變的不同階段,從不同位置上分析滑坡表面形變信息,對(duì)于滑坡的早期防范和局部實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有重大意義。本文通過四川茂縣渭門鎮(zhèn)滑坡這一案例,探討了北斗聯(lián)合GBInSAR進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)的模式。首先利用裂縫計(jì)、雨量計(jì)傳感器設(shè)備,證實(shí)滑坡存在下滑的現(xiàn)象;然后布設(shè)北斗區(qū)域網(wǎng)獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合GBInSAR 24 h不間斷的監(jiān)測(cè)結(jié)果,識(shí)別出滑坡體存在多處不同程度的形變區(qū)域。北斗和GBInSAR聯(lián)合監(jiān)測(cè),能多方位地識(shí)別出形變區(qū)域,將在今后滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和次生災(zāi)害監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。