基于INSAR的地质灾害隐患早期识别技术研究

崔 阳，魏莹莹，魏国振，韩鹏飞

（1.河北省地质环境监测院，河北 石家庄 050000；2.河北省水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050000）

1 INSAR技术

1.1 INSAR技术的定义

INSAR一般指的是干涉测量技术的合成孔径雷达，又可以称为双天线SAR或者是相干SAR，属于一种新型借助空间相关技术对地面进行观测的技术。INSAR是由传统的遥感技术和射电天文干涉对应技术融合的产物。INSAR借助两条侧视的天线对所选中的地面目标进行对应的观察（单轨道双天线模式），也可以是间隔一定时间的两次平行观察（单天线重复轨道模式），接着经过一定时间的反应，由地面对雷达做出反射回波的回应，进而来获得选中目标区的SAR复像成像图，其中获得的复像成像图包括了选中地面的强度信息、相位的具体信息。但是由于地面的目标跟两条天线之间具有独特的几何位置，以及选中地面目标发射回来的回波的原因，使得获得的成像图之间形成了对应相位差的信号。由于目标与两天线位置间的几何关系，地面目标回波形成相位差信号，经两个复图像的复相关就形成了干涉纹图。其中，干涉纹图中包括了斜距方向上的图像点跟两个天线位置的不同带来的位置差的精确的信息。因而利用遥感器的高度、雷达的波长以及波速的视向和天线与基线距之间具有的几何关系可以获得距离的精确信息，从而能够精确的测量出图像上每一点的高程信息，来得到具有高分辨率的地表的三维图像。

1.2 INSAR技术具有的特点

（1）不需要地面的测量站。因为雷达卫星进行干涉测量时不需要地面设置对应的测量站，使得干涉雷达在进行对应的检测时能够更加方便，快捷。对于一些因为地面的某些地形限制进而不能够设置地面监测站的情形，干涉雷达解决了这个问题。不管是陡峭的地区还是贫瘠的地区都可以利用干涉雷达进行相应地面的监测，同时还节省了建地面监测站所消耗的人力、物力以及财力，加快了地面监测的速率。

（2）自动化地发射微波。当干涉雷达进行对地面的监测任务时，只需要制定相应的卫星数据的获取计划，进而制定对应的行动编程指令，雷达卫星与接收站用户之间借助数据就能够进行对应的联系，自动向地面发射微波，之后再接受来自地面反射回来的回波来进一步完成对地面的测量。

（3）全天候的干涉雷达监测。新兴的干涉雷达克服了传统雷达的弊端，其不会受到周边环境的影响，不论是寒冷冬季还是炎热夏季，抑或是刮大风、下雪、下雨以及有大雾的情况。干涉雷达的这一特点满足了一些偏远且容易发生泥石流、山体滑坡、房屋坍塌等地区地面监测的需求。只要有干涉雷达，就可以对所有地区的地面进行对应的检测，进而能够较早发现特殊情况，及早做出应对措施。

1.3 INSAR技术的工作原理

机载或者是卫星载INSAR系统所得到的影像之中每一个像素点既包括了所选地面的分辨元的雷达后向散射之后具有的强度信息，同时也包含了跟斜距之间有关相位的相关信息。在获得影像之后，将覆盖到同一片地方的两幅雷达图像对应像素的相位进行相减就可以获得一副相位的差图，也就是干涉的相位图像（Interferogram）。而得到的相位差的信息就是地表上的地形起伏，一般是以地表的形变表现出来。总的来说，INSAR就是结合了合成孔径雷达的成像技术以及干涉的测量技术来将那些具有高度敏感性质的干涉相位信号来进行进一步的提取并分析出关键性的具有价值的信息，再利用传感器的系统系数以及成像之间的几何关系等来精确地测量出地表上某一点的三维空间具体位置信息及微小的变化。同时，利用INSAR技术来获得关键的信息技术与传统的方法不同。一般传统的摄影测量，可见光，近红外遥感是利用影像灰度的信息来建设三维或者是提取出关键的信息。

2 地质灾害隐患

2.1 地质灾害的定义及等级分类

地质灾害主要指的是在自然地质以及人类的各项活动作用下形成的，直接或者间接威胁到人们的生命安全，并给社会及国家的经济建设造成了一定的损失。

地质灾害的等级可以划分为4个等级：（1）小型地质灾害。受到灾害的威胁，人们必须搬迁并转移的人数在100人以下，同时造成了500万元以下的经济损失的地质灾害险情，造成了3人以下的死亡。（2）中型地质灾害。人们需要搬迁转移的数量在100人以上、500人以下，造成3人以上、10人以下的死亡，同时造成了大概500万元以上、5000万元以下的经济损失。（3）大型地质灾害。受到灾害的威胁，需要搬迁转移的数量在500人以上、1000人以下，死亡人数在10人以上、30人以下，同时造成了5000万以上、1亿元以下的经济损失。（4）特大型地质灾害。受到灾害威胁，必须搬迁转移的人数在1000人以上，死亡的人数在30人以上，同时造成了1亿元以上的经济损失的地质灾害险情。

2.2 地质灾害隐患监测的必要性

实行地质灾害隐患的监测，可以提前了解并知道在灾害发生的前夕应该怎样应对接下来发生的灾害，做出应对的预防措施，可以躲避一些灾害，同时及早地撤离人群、牲畜以及其他，来进一步保护人们的生命安全以及避免一些不必要的经济损失，同时治理好环境。

2.3 实行地质灾害隐患的提早监测的需求

实行地质灾害隐患的早期监测，首先需要清楚地认识到地质灾害监测的工作重点及工作的难点，同时要对偏远的地区实现“远程操控”，来进一步了解偏远地区的地质情况；同时，需要监测人员能够清楚地认识到所监测地区的重点灾害的活动范围、发生地质灾害的概率，以及地质灾害潜伏的时间等关键性的内容。可以说，监测地质灾害的目的就是要清楚地知道地质灾害的隐患在哪里，将造成的原因进行深度剖析，对地质灾害发生的时间、地点以及扩散的范围进行分析与研究，从而做出最佳的应对方案，更好地降低损失。

3 INSAR在滑坡地质灾害隐患早期识别中的应用与研究

2011年3月4日，利用INSAR技术的卫星影像可见，金沙江白格滑坡区早在2011年之前便存在显著形变，而且滑坡后壁已经基本连通，同时滑坡中后部发育多处中小型滑塌。在2015年2月22日的影像发现，2011—2015年滑坡体上变形整体呈加剧趋势，但未发生剧烈的位移变化。然而，从2018年8月29日Planet卫星影像可见，此时滑源区整体变形非常显著，滑坡后壁发生了较明显的整体下错，滑源区中部发生了较大规模的滑塌。综上，认为该滑坡为长期处于蠕滑变形中的岩质滑坡，2011年以来滑坡变形呈现逐渐增大趋势，最终在降雨诱发下发生大规模的滑坡，从而形成了2018年10月11日的金沙江白格滑坡。利用4期灾前（2018年9月4日—10月10日，每间隔12d一期）Sentinel-1卫星SAR数据，开展了D-InSAR技术处理，观察发现该滑坡一直在持续发生形变。9月4日—9月16日，该山体斜坡中上部形变特征较为明显；至9月28日，斜坡上部持续保持变形；至10月10日，整个斜坡体形变特征更为明显，形变量级及范围均有显著增加，对岸亦有形变特征出现；直至11日凌晨发生山体滑坡。而且根据滑前ALOS-1DEM量测，2018年8月29日滑坡区段金沙江水位约2855m，而在2018年10月12日滑坡后，堰塞湖水位壅高至2900m，水位升高约45m，堰塞湖面积约6.0km2，库水量约2.7亿m3，而在滑坡发生后，利用Planet卫星影像（3.0m）对滑坡进行遥感解译中，发现滑坡体总面积达1.62km2，其中滑源区面积0.77km2，堰塞坝面积0.85km2。滑源区长约1350m，平均宽约600m，顶部高程约3680m，底部高程约2980m，高差达700m（高程测自ALOS-1DEM）；堰塞体顺河长约1600m，平均宽约490m，最大冲高达150m，堰塞体平均厚度估算约40m，体积约3400万m3。滑坡区地层为元古界二长花岗岩，滑坡区主要发生NW向断裂。正是因为利用INAR技术在滑坡发生之前进行对应的监测所以及时地制止滑坡对人们造成的影响，也避免了一些不必要的损失发生。由此可见，利用INSAR技术在容易发生滑坡的地方进行预测，可以在很大程度上减少损失。

利用高精度遥感和星载InSAR技术，实现了区域尺度、大范围内的重大地质灾害隐患的早期识别。近年来世界各国先后发射了不少光学遥感卫星，其分辨率越来越高（可达到0.2m左右），重复覆盖某个区域的时间越来越短（几年后便可达到任何地点每天覆盖一次），地面的变形迹象可从遥感影像上清楚地发现，高精度遥感可作为地质灾害隐患早期识别的重要技术手段。InSAR对地面大范围变形区域也具有很好的探测识别能力，其监测变形的精度已接近毫米级。将高精度遥感与InSAR有机结合，便可对某些地质灾害高发、多发区域的地质灾害隐患进行扫面性的排查，圈定出地质灾害隐患集中分布区和重大隐患点。利用INSAR技术的监测就相当于通过全面体检，筛查和排查出具有潜在重大疾病的人群，来进一步地分析出原因，减少了损失。

4 结语

利用INSAR技术不仅能够对地质灾害中的隐患进行对应的监测，而且能推算出哪些地区属于安全区域，从而能够避免人力、财力的损失，同时减少一些其他的不必要的损失。INSAR技术在地质灾害隐患中的应用中起着关键的作用，但是目前INSAR的适用范围较小，要推动设立相关的地质灾害隐患处理的技术部门，进一步促进INSAR技术的快速、全方面的发展，同时加快INSAR技术人员的队伍建设，为前线的INSAR的研究队伍提供新型的技术型人才，以此促进干涉雷达的发展，进一步推动社会的进步、国家的稳定发展。