浅析滑坡灾害中InSAR技术的应用

浅析滑坡灾害中InSAR技术的应用

王 ,涛

陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，陕西 西安，710075

摘要：InSAR技术作为重要的对地观测技术之一，已在滑坡灾害形变监测中具有很强的实用性。为全面、准确及深入认识和梳理InSAR技术在滑坡灾害应用中的前沿科学问题、局限性、面临挑战及未来发展趋势，以期更好地服务于滑坡灾害的防治与监测。以InSAR技术滑坡灾害应用研究为主要脉络，系统阐述其研究进展：（1）以滑坡监测中应用的主要InSAR方法概述为切入点，系统梳理了各类主要方法的适用范围、优缺点及内在联系；（2）基于早期识别探测、不同量级形变监测、活动模式与三维信息获取、形变与诱因耦合4个视角，深入探析InSAR技术在滑坡应用中的最新进展、趋势及目前应用中存在的关键问题与挑战；（3）针对InSAR技术系统的局限性、滑坡灾害的特点，剖析了InSAR滑坡监测中存在的几何畸变、密集植被覆盖、大气干扰、三维形变信息获取、精度评定、滑坡形变的复杂性和非线性等问题，并对相应问题的解决提供了可行性的方案与建议措施；

关键词：InSAR技术，山体滑坡，地质灾害，形变监测

0引言

滑坡是经地质构造、降雨等内外因素共同作用而触发的复杂地质演化过程。频发、广泛分布的滑坡及其链式灾害，严重影响区域水能资源开发、新型城镇化建设、铁路公路交通干线等国家重大工程建造与运营，是人类生产生活永续发展的重大威胁。受全球气候变化、快速工业化与城镇化的扰动，冰川融化、强降雨等因素诱发的滑坡灾害不断增加。全球范围内意大利、瑞士、日本等国在滑坡地质灾害防治、调查监测技术实施、灾害风险管理框架制定等方面处于领先地位，积累了很多值得借鉴的宝贵经验和技术方法。“汶川地震”以来，国内高度重视地质灾害的持续跟踪监测与研究，陆续开展了一系列利用现代新型对地观测技术进行灾害风险调查、隐患排查、早期识别与预警的探讨、实践。

2滑坡灾害监测中的InSAR方法

2.1 DInSAR

DInSAR是在传统InSAR基础上发展起来，利用同一地区不同时刻获取SAR数据进行差分干涉处理，通过差分处理去除两次观测相位中的共有量（平地效应、地形相位和大气延迟等）得到形变相位，进而获得地表形变信息。DInSAR在滑坡监测中可以估计沉降边界范围，还可以解析沉降演化过程，获取滑坡整体活动范围和强度。

2.2 MTInSAR

DInSAR虽能有效探测地表微小形变，但因其监测精度易受干涉失相干、大气延迟影响，且地表移动速率不能超过一定阈值，因此MTInSAR应运而生。MTInSAR序列中以永久散射点干涉测量PSInSAR和小基线集干涉测量SBASInSAR为代表。两种方法比较适合于监测长期缓慢累积形变滑坡，并且能获得坡体活动模式信息。其中，PSInSAR是以高相干性像元组成的离散点集PS（PersistentScatter）点处理为主，对PS点进行相位建模和形变解算。运用PSInSAR提取了滑坡位移速率，验证其具有探测毫米精度位移能力。以PSInSAR单一主影像为起源，发展起来的方法有：用于监测滑坡断层形变的准（或部分）永久散射体QPS方法；联合PS及分布式DS相位信号，应用经典PSInSAR分析方法分离相位中各个成分，提取形变信息的分布式永久散射体雷达监测技术SqueeSAR方法等。

3 InSAR技术在滑坡中的关键应用

InSAR技术方法的不断创新、计算机运算能力的持续提升以及不断积累的SAR卫星数据，为滑坡应用研究提供了软、硬件的强有力支撑。实践表明，植被稀疏、无积雪覆盖区InSAR非常适合滑坡早期识别、指示活动状态（速率、模式）、获取坡体形变三维信息、描述特定时间段形变趋势和诱因耦合分析（Strozzi等，2018）。本节归纳梳理了InSAR应用于滑坡地质灾害专题方面的进展并进行细致探讨。

3.1滑坡早期识别与探测

早期识别是滑坡灾害预警与防治能力提升的重要前提。已有研究表明，InSAR技术在灾难性滑坡早期识别、灾害排查及辅助决策方面具有很大潜力。不同于实地安装传感器记录的详细高频数据，InSAR能够在大区域范围内监测毫米级的地表形变，追溯地表长期微小变形，提供基于面状的滑坡形变特征及时间演化过程。特别是对高位、集中分布滑坡灾害的排查中，凭借其对活动性滑坡识别的突出优势，使得滑坡调查工作更全面、高效。基于不同情境，学者们开展了系统的识别方法与分析研究。

3.2不同形变量级滑坡监测

InSAR的本质是相位测量，良好的相位干涉是InSAR技术有效探测地表坡体形变的前提。当滑坡形变较大时，相位测量容易出现混叠或失相干进而导致测量结果不可靠。同时，缓慢蠕变滑坡相比于常规、大变形、快速滑动滑坡而言具有很大的潜在风险。另外，不同InSAR方法具有一定的应用条件、特点及限制因素。因此，针对不同量级的滑坡形变需采用合适及改进的InSAR方法才能有效提取滑坡形变信息。针对缓慢移动滑坡，通过相干像素技术—时间子相干性、SBASInSAR以及与岩土工程分析相结合的方法研究了一次缓慢滑坡过程，论证了岩土工程与InSAR技术相结合的应用，并在工程实践中取得良好效果。另外，在植被覆盖茂密、湿度高、坡体陡峭及常规InSAR技术方法具有挑战性的三峡地区滑坡监测中，探索使用SBAS偏移跟踪方法监测缓慢滑坡，为获得高密度的可靠性测量结果，通过最小化偏移对中时间和空间去相关，结果证明与相应GPS测量结果非常吻合。在区域尺度缓慢滑坡运动中使用SAR数据的流程，其中包括考虑场景特征选择适当数据集、可视性分析以及将A-DInSAR获取形变信息与其他监测技术进行比较时所要考虑的因素，分析表明A-DInSAR方法对于不同尺度低速滑坡精细监测非常有效且具有通用性。

3.3滑坡活动模式与三维信息获取

获取滑坡时空演化模式及三维形变信息对于滑坡工程治理、滑坡诱发机理机制掌握等有重要科学实践意义，亦是滑坡预测成功与否的关键内容。对此，提出一种基于DInSAR与传统地质岩土信息有效结合的创新性建模方法，并采用SBASInSAR方法从多源时序SAR数据中，对滑坡长期形变与运动演化进行了表征与深入了解，并将实例扩展到不同地质和岩土工程条件，在理解由活动滑坡引起的地面形变方面提供了积极进展。

4局限性与挑战

总结上述已有研究发现，尽管InSAR滑坡应用已取得较大进步，但受制于雷达遥感卫星本身的局限性，以及滑坡地形环境复杂性，监测中易受地形、地表覆盖密集植被及冰雪等因素影响，存在以下局限性：几何畸变。SAR侧视成像的固有特点决定了InSAR测量的敏感度，而入射参数与地形参数的关系决定其能否有效成像。此外，可利用升、降轨数据分别处理获取滑坡监测信息，在一定程度上补偿单一成像几何不足问题。

5结论与展望

伴随雷达技术的发展，InSAR基本理论与主流数据处理技术已趋于成熟，InSAR已从技术主导型发展为以应用为主。针对InSAR技术滑坡灾害应用研究的现有形势、面临挑战及未来发展趋势。InSAR技术的各种算法、模型、处理软硬件都已基本趋于成熟。但在普及应用中各平台之间数据处理时，前提假设、模型参数、解算策略、效率和自动化程度等各有不同，进而导致通用性差。InSAR数据处理仍是当下的热难点，如快速高效实现解缠、大气效应精细改正，影像处理角度削弱地形效应影响，不同类型波段及升、降轨数据融合处理，不同数据源精度匹配、SAR与多源异质数据融合处理、InSAR处理精度评定方法探索、普适性SAR数据处理软件开发等。

参考文献：

[1]邓建辉,戴福初,文宝萍,姚鑫.2019.青藏高原重大滑坡动力灾变与风险防控关键技术研究.工程科学与技术,51(5):1-8).

[2]葛大庆,戴可人,郭兆成,李振洪.2019b.重大地质灾害隐患早期识别中综合遥感应用的思考与建议.武汉大学学报·信息科学版,44(7):949-956).

[3]蒋亚楠.2018.地质灾害监测中的SAR变形观测、解译与数据同化研究.测绘学报,47(10):1425).

项目：陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-457）

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