高寒山区地质灾害季节分区InSAR早期识别研究——以东构造结地区为例.pdf
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1、高寒山区地质灾害季节分区 早期识别研究 以东构造结地区为例 工程地质学报,():,():高寒山区地质灾害季节分区 早期识别研究 以东构造结地区为例黎浩良杨莹辉许强宋家苇李鹏飞陈强姚智博(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 ,中国)(中国电建集团贵阳勘察设计研究院有限公司,贵阳 ,中国)(西南交通大学,遥感与信息工程系,成都 ,中国)摘要高寒山区显著存在的季节性地貌变化,使得常规 难以维持长时间相干性,不利于上述区域地质灾害的精准早期识别。针对该问题,本文提出并发展了一种利用 季节相干性的高寒山区地质灾害早期识别方法。其基本思路为:首先获取研究区域 时序干涉图与相干系
2、数图,依据 相干性变化趋势,将每年划分为夏季时段、过渡时段和冬季时段,并依据过渡时段 相干性将其进一步纳入到夏季时段或冬季时段;分别对夏季时段和冬季时段 干涉对开展 处理,并引入部分干涉质量较好的长时间基线 干涉对;最终综合利用获取的夏季和冬季时段 成果,开展区域地质灾害的精准早期识别工作。本文以高寒高植被覆盖的东构造结地区为实验对象,利用本文发展的新方法开展了区域地质灾害的早期识别工作。结果显示,利用季节分区 进行区域地质灾害识别,冬夏时段识别灾害的重复率低于 ,表明上述区域不同时节地质灾害类型存在明显差异;进一步与常规全干涉 灾害识别成果对比发现,新方法识别灾害数量增加了 。研究表明,发展
3、新方法可更精准识别高寒山区地质灾害,并有效提高灾害识别率,为此类地区的地质灾害早期识别和预警预防提供了一种新思路和新方法,也为高寒山区地质灾害的防灾减灾提供了重要的技术支撑。关键词高寒高植被区;早期识别;季节性分区;高位高危灾害中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:第一作者简介:黎浩良(),男,硕士,主要从事地质灾害 早期识别研究 :通讯作者简介:杨莹辉(),男,博士,教授,主要从事 地震地质灾害的监测与反演研究 :(,)(,)(,),;引言中国是全球地质灾害较为频发的国家,且已发生地质灾害多呈现点多、面广的空间分布特征(许强等,)。其中滑坡、泥石流等是我国最为常见的地质灾害类型,上述
4、灾害的突发性和强破坏性对区域居民的生命财产安全和社会经济活动造成了严重威胁。本文关注的喜马拉雅东构造结区域位于印度板块与欧亚板块俯冲交汇前缘,该区域地势险要、气候复杂、流域及活动构造极为发育,为区域内滑坡灾害以及高位隐蔽灾害的广泛发育提供了必要的条件(黄润秋等,;许强等,;刘传正等,)。近年来,东构造结区域发生的影响较大的灾害事件包括拉月滑坡()、道班滑坡()及易贡滑坡()等,上述灾害对 国道、附近乡镇居民区、甚至河流下游的印度等国家均造成了严重危害(孔纪名等,;廖秋林等,;吕杰堂等,)。因此,及时对上述区域开展地质灾害的精准早期识别显得尤为迫切。喜马拉雅东构造结为典型的高寒山区地貌,具有高海
5、拔、高植被覆盖的特征,且区域气候多变、构造复杂、自然条件恶劣,为隐蔽型地质灾害多发区域,具备上述地貌和气候特征的高寒山区在我国西部第二阶梯至第三阶梯的过渡地段极为常见(谢超等,;张佳佳等,)。而高寒山区多变复杂的地形地貌往往使得区域交通条件不便、并缺少相关地面监测台站,且传统的野外调查和测量手段在上述区域也较难开展(汪钰晴,;韩用顺等,)。近年来快速发展的星载 技术具有全天候、全覆盖、低成本、高效率、高精度等特点,已被广泛应用于各类地质灾害的早期识别。其较高的时空分辨率、较短的重访周期有效弥补了如 等传统的大地测量技术和光学遥感方法的不足。此外,通过 技术可获取地质灾害的形变信息,对掌握灾害的
6、演化趋势、判识灾害的致灾机理、以及地质灾害的预警防治也具有较高的实用价值(朱建军等,;许强等,;李晓恩,)。但也需要指出,相干性的维持,是开展形变提取和地质灾害识别等工作的基础。而受限于时空失相关等因素,较长的 时空基线容易引入严重的相位噪声而导致干涉失相干,进而无法有效获取地表形变信息,这使得传统 技术在形变监测精度、以及应用场景方面受到了显著的限制(郑耀辉,)。得益于近年来多时相 技术的发展,通过对长时间序列 干涉相位的时空滤波、形变建模等处理,可有效提取区域地表形变速率和形变序列,突破了传统 技术的限制。其中以相位堆叠技术为基础的 方法,以其具有的数据处理过程简单高效,并能有效抑制时空误
7、差的特点,被广泛应用于大范围地质灾害的早期识别(杨成生等,;张成龙等,)。()黎浩良等:高寒山区地质灾害季节分区 早期识别研究 以东构造结地区为例但也需要指出,目前相干质量的控制仍然是 数据处理面临的典型问题,当卫星两次过境接收地面雷达回波信号相似度较低时,往往导致 相干性较差甚至完全干涉失相关,这给基于 形变的地质灾害识别工作带来了不可忽视的图 研究区区域概况及 数据覆盖情况 负面影响(朱建军等,)。而 低相干现象主要存在于随时间变化,地物散射特性变化较大的区域,在自然地貌条件下,此类区域往往是植被覆盖茂密、高海拔冰雪覆盖、或草地湿地等区域。上述地区 相干性的波动,易导致提取时序形变精度较差
8、,并造成地质灾害隐患的误识别和漏识别。因此,如何解决高寒高植被区域显著存在的季节性 失相关,是利用 技术在上述区域开展地质灾害早期识别不可回避的难题。同时,已有根据 技术开展的季节性地质灾害监测研究,多集中于利用时序 技术对冻土区域的周期性冻胀与消融进行监测(李珊珊等,;库欧,),尚鲜有研究系统分析 相干性的季节性变化对地质灾害早期识别的影响。在此,本文发展了一种利用 季节相干性的高寒山区地质灾害早期识别方法,该方法的核心思想是:高寒山区冬季高海拔冰雪覆盖区 相干性低,而此时低海拔区域植被稀疏相干性高;夏季低海拔区域植被茂盛 相干性较差,但此时高海拔区域冰雪消融相干性提高;即区域 高相干性区域
9、冬夏两季互补。因此,通过对研究区域 干涉对进行冬夏季划分,并分别开展 处理,利用夏季 成果重点识别相干性较好的高位隐蔽隐患,而冬季成果则主要识别低海拔区域滑坡隐患。本文选取东构造结区域为研究对象,收集了研究区域 卫星观测合成孔径雷达()影像,利用发展方法开展了区域地质灾害的精准早期识别,并结合已有研究成果和区域光学遥感影像,验证了提出方法的可靠性和有效性。研究区概况及数据 研究区概况喜马拉雅东构造结位于青藏高原东南部,地处印度板块向亚欧板块俯冲的最前缘(图 )。受复杂构造运动影响,此区域地势险要,海拔纵向差异较大,区域高程分布在 之间,局部最大高差甚至超过 ,同时冰川融水造成东构造结 工程地质
10、学报 区域河流发育密集,并综合造成研究区域内以深切峡谷地貌为主。此外,东构造结区域气候条件复杂,属于典型的一地多气候类型,气温与降水都随季节规律性波动。上述高海拔地形地貌特征,导致区域冬季冰雪覆盖显著,而降雨则主要集中在每年的 月份,年均降雨量在 之间。区域密集的河网以及夏季充沛的降水,又造成河谷两岸区域夏季往往存在密集的植被覆盖。总体而言,研究区域内典型的深切峡谷地貌,高寒区域周期性的冻融效应等综合导致东构造结区域崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发,且部分高位地质灾害极为隐蔽,具有较高的危险性。自 世纪以来,东构造结区域内接连发生了多起重大地质灾害,其中包括拉月大垮塌()、道班滑坡()及易贡滑
11、坡()等,频发的地质灾害严重威胁了途经东构造结的 国道,以及区域内县道 乡道和周边乡镇的居民安全。以 年易贡滑坡为例,高位崩塌沿坡体高速俯冲,在破坏区域地貌的基础上,巨量的岩土体直接堵塞了坡体前缘的易贡藏布,并形成堰塞湖,后期堰塞湖的溃坝及其衍生的灾害链事件,对下游区域造成了巨大威胁,多处桥梁和居民点被冲毁,影响范围直达印度境内(殷跃平,;夏式伟,;戴兴建等,)。因此,对高寒高海拔的东构造结区域开展地质灾害早期识别意义重大,特别是及时发现孕育中的高位高危地质灾害。数据情况本文以欧空局 卫星观测 影像为数据源(表 ),监测时间范围:年 月至 年 月,图 中红色虚线框显示采用 影像的具体覆盖情况。
12、此外,考虑到卫星轨道误差问题,研究采用欧空局公布的 精密轨道数据进行 卫星轨道数据的精炼与矫正(杨超等,)。在 进 行 地 表 形 变 提 取 时,采 用 数据开展地形相位的模拟与去除。最后,考虑研究区气候条件复杂,不稳定的大气因素易导致形变解算误差,本文引入 空间分辨率的对流层延迟()数据,开展 干涉图的大气校正工作,削弱大气延迟误差,提高 形变监测精度(,;张成龙等,)。表 卫星 数据参数 参数类型基本参数轨道类型太阳同步轨道轨道方向升轨轨道高度 飞行方位角()卫星重访周期 成像模式干涉宽幅()空间分辨率 成像带宽 监测时间范围 影响覆盖数量 幅 数据处理技术与方法 数据预处理在开展时序
13、数据处理前,需对收集的 影像进行 差分干涉处理(图 ),主要流程包括:选取冬春季 影像作为公共主影像,其他 影像以其为基准做配准处理,保证不同期获取 影像地理空间的一致性;设置空间基线阈值为 ,并选取 作为时序差分干涉时间基线阈值(图 )。需要指出的是,实验显示该区域 时间基线内的 干涉对能保持相对较好的相干性;而 时间基线 干涉对相干性相对较差,因此本研究将筛选相干性较好的长时间基线干涉对使用;利用外部 分辨率 数据及 大气数据进行地形相位的去除以及大气误差的校正;对差分干涉结果进行 自适应滤波处理,滤波窗口设置为 像素,以提高干涉条纹质量并更好地凸显相干性变化趋势(图 );利用最小费用流法
14、()开展差分干涉图的解缠处理;筛除相干性较差与大气噪声严重的干涉对;根据干涉图的相干性变化,对 干涉对做冬夏季的季节划分,为时序 处理提供数据基础(李林等,;杨超等,)。形变提取 (相位加权叠加)是一种基于干涉相位堆叠的时序 处理技术;首先利用区域多幅 影像在设定的时间基线内两两进行 差分干涉处理(过程见 节),进一步线性叠 ()黎浩良等:高寒山区地质灾害季节分区 早期识别研究 以东构造结地区为例图 技术流程图 图 干涉对时空基线分布 冬季干涉对时空基线;夏季干涉对时空基线;全干涉时空基线加 处理所得的解缠相位,根据时间跨度加权平均(图 ),最终获取研究区雷达视线向()年均形变信息(式()。(
15、)式中:表示年平均相位速率;表示单个干涉对解缠相位值;代表干涉对时间基线;表示加入解算的干涉对数目。由于 大气延迟噪声、轨道误差等在时间维上往往表现为高频噪声,而在空间域则呈现自相关特性,通过对解缠相位的叠加与加权平均处理,可有效抑制上述噪声,提高解算形变精度(,)。季节相干差异下 处理为获取包含更多形变分量的 干涉对,本文首先利用 时间基线对获取的 影像数据进行全干涉处理(图 ),共获得 个 干涉对;其次,移除低相干与大气噪声严重干涉对 个;进一步,根据干涉图质量与相干性划分出冬季干涉对 个,夏季干涉对 个,并分别对全干涉、冬季、夏季干涉对分别进行 处理(图 ),最终对获取形变速率、识别地质
16、灾害的质量与数量等开展比对分析。高寒山区 相干性特征 相干性直接影响了时序形变的提取与灾害隐患的识别。本文首先根据部分时间基线为 的滤波后的 相干系数图(图 ),开展区域 相干性的对比分析与季节划分,并根据研究区域相干性情况(图 ),划分相干性 为高相干区,相干性 为低相干区。分析图 发现,研究区域西侧半月形区域属于宽谷地貌,分析时序 相干系数可知,该区域仅在每年 月份受冰雪覆盖影响,部分干涉对相干性较差,但整体而言全年 以上干涉对均可维持较好相干性,因此将其定义为常年高相干性区域(图 )。而随着河流沿着雅鲁藏布江围绕南迦巴瓦峰进入“拇指状”大拐弯区域(杜国梁,),相干性开始出现季节性波动,在
17、每年 月到 月左右,东构造结内深切河谷区域可以维持较好的相干性,而高海拔区域相干性较差(图 )。每年 月份左右开始,高海拔区域冰雪逐步消融,相干性显著提高;而低海拔河谷两岸区域植被繁茂,相干性显著降低;即相干性较好的区域由低海拔开始向高海拔区域迁移。根据上述分析,结合区域地形地貌(图 ,图 ),可对该区域高相干分区情况做如图 所示划分,其中常年高相干性区即常年 相干性相对较好区域;冬季时段的 高相干性区多对应沿 工程地质学报 图 研究区相干性时序变化(以 年为例)图 研究区相干性分区及地形地貌情况(光学影像来源:光学影像)研究区相干性分区;研究区高程分布;研究区三维地貌 ()黎浩良等:高寒山区
18、地质灾害季节分区 早期识别研究 以东构造结地区为例图 研究区气象变化(气象数据来源:国家气象信息中心,:)图 研究区地貌特征变化(光学影像来源:欧空局 光学影像)冬季高位冰雪覆盖;夏季高位裸岩出露;冬季河谷两岸植被稀疏;夏季河谷两岸植被茂密河谷低海拔区域;而夏季时段的 高相干性区则对应高海拔区域。进一步,分析区域气象信息(图 )发现:东构造结每年 月份平均气温 ,而高海拔(以上)区域的平均气温更是低至 甚至以下,区域降水以冰雪形式为主,同时结合历史光学遥感影像发现,高海拔区域每年 月份多处于冰雪覆盖状态(杜国梁,;邹任洲,),其雷达散射特性不稳定,导致 相干性难以维持。而此时低海拔河谷区域由于
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