利用InSAR升降轨形变数据反演滑坡深度——以桃坪乡古滑坡为例.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()杨超,杨莹辉,王继燕,等 利用 升降轨形变数据反演滑坡深度 以桃坪乡古滑坡为例 工程地质学报,():,():利用 升降轨形变数据反演滑坡深度 以桃坪乡古滑坡为例杨超杨莹辉王继燕许强陈强陶鑫鑫胡植庆(西南石油大学,土木工程与测绘学院,测绘工程系,成都 ,中国)(成都理工大学,地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 ,中国)(西南交通大学,地球科学与环境工程学院,测绘遥感信息系,成都 ,中国)(台湾大学,地质科学系,台北 ,中国)摘要传统滑坡深度探测方法只能确定坡体部分稀疏单点的深度,无法准确反应整个滑坡体的深度分布情况,且探测成本高昂。针对该问题,本文发展了一种
2、基于升降轨 形变的滑坡深度反演方法,其基本流程是:首先利用时序 技术分别获取升轨和降轨卫星视线向形变速度场,再根据卫星视线向与滑坡的空间几何关系,解算获得滑坡表面沿坡向和法向的二维形变场,进一步在质量守恒准则下构建基于坡面二维形变的滑坡深度反演模型,实现滑坡深度的反演计算。本文以四川省理县桃坪乡古滑坡体为研究对象,成果显示该滑坡运动面积 ,流变参数取 时,反演滑坡深度集中分布在 ,滑坡体积约 ,结果与已有研究结论基本一致,证明了本文发展理论与方法的可靠性。且本文提出方法可获得滑坡体连续的深度数据,能更为直观地反映滑坡危险区域,可为滑坡灾害影响分析及灾害防治提供关键的数据支撑。关键词合成孔径雷达
3、干涉测量;坡体二维形变场;滑坡深度反演;流变系数;滑坡特征参数中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:高寒山区高位高危地质灾害早期识别及监测关键技术研究(资助号:),地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主课题(资助号:),四川省科技厅项目(资助号:)(),()()第一作者简介:杨超(),男,硕士生,主要从事 技术在滑坡灾害中的应用研究工作 :通讯作者简介:杨莹辉(),男,博士,教授,主要从事 与地震地质灾害反演研究 :(,)(,)(,)(,),:,;引言滑坡灾害具有突发性强、危害度大且早期识别与监测预警困难的特征,自 世纪 年代以来,我国至少有 个省、市、自治区遭受到不同
4、程度的滑坡灾害,造成了巨大的人员伤亡和财产损失,并直接威胁到公路、铁路、水利水电和矿山等人类重大工程设施的安全。因此对滑坡灾害开展早期识别、监测预警、风险评估等已成为我国防灾减灾领域的重要工作内容(王坚,;曹颖,;刘传正等,)。其中:滑坡表面形变速度、滑坡深度和滑坡体积等都是滑坡风险评估的重要因子,上述滑坡特征参数的准确获取直接影响到对滑坡危害程度、危害范围,以及失稳风险的准确评估。随着现代大地测量技术的快速发展,技术等开始广泛应用于滑坡形变监测,高精度 设备可为科研工作者和工程人员提供可靠的坡体表面单点三维变形数据,但受限于较高的布设和监测成本等,技术往往仅能获得坡体表面非常稀疏的若干离散点
5、的变形情况,不利于对滑坡变形空间分布特征的认知。近年来快速发展的 技术很好弥补了常规 单点测量,观测数据稀疏的问题,特别是随着现代 卫星时空分辨率的显著提高,技术正成为滑坡变形监测的重要手段,并显著促进了滑坡灾害的早期识别(许强等,)。但随着滑坡监测需求的不断提高,科研工作者们发现大地测量变形数据仅反应滑坡表面的运动状态,无法有效揭示滑坡体的深度分布情况,进而难以准确估计滑坡体量、滑坡失稳影响范围和影响程度等。因此,如何精确获取滑坡体的深度数据是当前滑坡灾害研究的关键所在(杨云芳等,;,;冯文凯等,)。滑坡深度探测目前主要分为接触式和非接触式两种类型,其中接触式滑坡深度探测方法包括深部位移探测
6、和探地雷达探测等,深部位移探测滑坡深度需在滑坡体打孔并放置深部位移探测仪,该方法可准确获得滑坡深度,但受限于探测成本较高,耗时较长,该方法往往仅用于单点深度的探测,不利于反映整个滑坡体的深度分布情况(冯文凯等,;上官力等,)。探地雷达设备常用于探测滑坡边界范围和深度(,;何开胜等,;杨云芳等,),可较为完整地获得滑坡体运动范围内的滑坡深度,但该方法探测深度较浅,无法应用于深层滑坡,同时效率极低,难以应用于大型和巨型滑坡;另外,上述接触式探测方法对于地形高陡、攀爬困难、危险性较大的滑坡体实用性较差。非接触式滑坡深度探测方法主要包括:平衡截面法(,;,)、弹性位错法(,;,)和质量守恒法(,;,;
7、,)。其中平衡截面法认为滑坡材料是不可压缩的刚性材料,没有考虑滑坡物质的流变学性质,将导致估算的滑坡深度可靠性不高(,;,);弹性位错法则从几何和物理模型上对滑坡体进行了显著的简化,使得该方 ()杨超等:利用 升降轨形变数据反演滑坡深度 以桃坪乡古滑坡为例法一般只能应用于滑坡发育的初级阶段,或者滑坡体没有明显非弹性变形的情况(,),这显著限制了弹性位错法的应用范围。质量守恒法是近年来发展的一种无接触式计算冰川、滑坡等变形体深度的一种新方法(,),该方法充分考虑坡体表面的变形情况和土体流变系数,有望为无接触式滑坡厚度反演提供可靠的技术途径(,)。图 研究区域概况与 影像覆盖情况 桃坪乡古滑坡地理
8、位置及 影像覆盖;桃坪乡古滑坡全貌但使用质量守恒法反演滑坡深度需要滑坡表面三维形变场,现有的形变观测手段中仅 技术可有效提供坡体表面三维形变场,但 稀疏的观测密度显然无法满足滑坡整体深度探测的需求。而面状监测的 技术受限于南北方向变形不敏感的原因,纵使联合多轨数据往往也较难提取坡体三维形变(刘国祥等,;胡俊,;,;,)。但已有研究指出,联合卫星升降轨数据开展滑坡表面二维形变的解算具有较高可行性(石固林等,)。本文在此提出并发展了一种联合卫星升降轨数据反演滑坡深度的方法,其核心思想是:首先利用时序 技术提取滑坡体升降轨卫星视线向形变场,之后利用坡体的坡度、坡向等几何参数构建坡面坐标系,在假定垂直
9、坡向形变速率可忽略的条件下,利用升降轨 数据解算沿坡向和坡面法向二维形变场,进一步依据质量守恒准则,构建基于滑坡坡向和法向二维形变的滑坡深度反演模型,最终反演滑坡体深度数据。为验证提出方法的可行性与可靠性,本文选取四川省理县桃坪乡古滑坡为研究对象,利用 卫星监测的升降轨 形变数据,反演了该滑坡的深度分布数据,并与已有研究成果对比分析,验证了结果的可信度。桃坪乡古滑坡时序 形变监测 研究区域概况及 数据桃坪乡古滑坡位于四川省理县桃坪乡(图 ),属川西北部高山和极高山区域,地处山地季风气候区,区域内海拔高差悬殊,地形复杂。受气候影响,该区域每年 月降雨较多,冬季降水相对较少,年降雨量在 之间。桃坪
10、乡古滑坡整体呈现圈椅状,地势南西高北东低,坡体上窄下宽,平均坡度约为 ,为陡缓结合的滑坡体,坡体前缘高程约为 ,后缘高程约为 ,相对高差为 ,纵向长约 ,横向宽 ,属于大型滑坡体(图 )。桃坪乡古滑坡位于杂谷脑河流南岸,属于河谷深切侵蚀地貌,滑体主要由含碎石粉质黏土和含角砾粉质黏土组成,角砾和碎石主要由变质砂岩和千枚岩组成,整体松散度较大,滑带由粉质黏土组成,韧性好(王东升等,)。该坡体在“”汶川地震前已产生明显形变,坡体表面出现裂 隙,“”地震后裂隙进一步扩大,且受区域雨季降雨影响,坡体存在发生失稳的风险,将对当地居民造 工程地质学报 成严重的生命威胁,并直接影响滑坡体前缘的汶马高速、国道等
11、重大基础设施。本实验搜集了该区域 卫星干涉测量宽幅模式()下观测的升降轨 影像,其覆盖情况见图 黑色矩形框,监测时段为 年 月份至 年 月份左右,该时段内升轨影像共 幅,降轨影像共 幅,升降轨影像基本参数见表 。考虑 处理易受轨道误差影响,实验采用欧空局提供的 精密定轨星历数据对 数据进行轨道精化,并利用 数字高程模型数据,开展 差分干涉地形相位移除处理。图 技术流程图 升降轨 时序形变提取考虑小基线集干涉()技术能够较好克服常规 面临的时空失相干问题,并有效抑制地形和大气误差,且目前已广泛应用于地震、滑坡等地质灾害时序变形监测。本文将采用 技术对桃坪乡古滑坡区域 升降轨雷达影像进行处理(技术
12、流程见图 ),数据处理基本流程如下:选取超级主影像,对其他影像进行配准处理;对配准后的 影像进行干涉处理;表 升降轨 影像参数 参数类别 传感器 轨道方向升轨降轨空间分辨率 重访周期 侧视角()飞行角()监测时间 影像数量 利用 数据移除干涉对地形相位;基于 方法对差分干涉对进行自适应滤波,提高干涉数据质量;采用最小费用流法对干涉图开展相位解缠处理;利用大气滤波器去除大气相位,并基于奇异值分解法解算目标点时序形变;对结果及相关产品进行地理编码,获得研究区域时序变形数据(冯文凯等,)。图 为基于 技术提取获得的桃坪乡古滑坡 升降轨时序形变场,其中图 为升轨 向形变速率场,图 为降轨 向形变 ()
13、杨超等:利用 升降轨形变数据反演滑坡深度 以桃坪乡古滑坡为例图 桃坪乡古滑坡升降轨 向形变场及最大形变点累计形变 升轨;降轨;升轨最大形变点累计形变;降轨最大形变点累计形变速率场,图 、图 分别为升降轨最大形变点时序变形曲线。观察图 可发现,桃坪乡古滑坡 升降轨形变场在空间分布和量级上存在明显差异,升轨形变速率在 之间变化,最大变化差异为 ,降轨形变速度在 之间变化,最大变化差异为 ,且两轨最大形变点在位置上和量级上也存在一定偏差(图 ),升轨最大形变点累计形变为 ,降轨最大形变点累计形变为 。造成上述 升降轨形变差异的主要原因包括以下 个方面:一是由于升降轨雷达卫星的观测方向、入射角和航向角
14、存在差异,地表同一点三维形变在不同卫星姿态的 向视线方向上的投影必然不同;二是在地形起伏较大的山区,影像会出现不同程度的几何畸变,并直接影响 观测数据;三是由于坡度、坡向的变化,使得地表同一点(图 区域 )的形变在升降轨 方向上的变形方向可能相反(石固林等,)。观察图 ,图 可发现,大量级的形变速度位于区域 ,并以该区域为形变中心向外递减扩散,且区域 与错台区高度重合。区域 的形变速率弱于区域 ,但是它们均处于形变活跃状态。升降轨 均未在区域 探测发现可靠的变形数据,这主要是由于 卫星装载的 波段雷达无法穿透该区域相对密集的植被覆盖,造成在该区域升降轨 均出现明显的干涉失相关现象,导致形变 工
15、程地质学报 提取失败。进一步与石固林等()提取桃坪乡滑坡时序 形变对比发现,本文提取 时序形变与石固林等人的成果在形变分布、形变量级等方面具有极高的一致性,两个研究成果均发现在错台区域附近地表形变最为显著,且升降轨最大形变速率也均为 和 ,上述形变分布和量级上的一致性,较好地验证了本文提取 形变成果的可靠性。综合分析升降轨 形变数据,统计发现桃坪乡古滑坡运动面积 (形变速率 ),进一步从图 ,图 所示变形曲线可知,目前桃坪乡古滑坡处于匀速变形阶段,观测时间段内未出现明显变形加速现象,初步预测在短时间内该滑坡体没有失稳的风险,但也需要指出,开展滑坡失稳风险评估有赖于更长时间的变形数据观测,以及结
16、合区域降雨、地形地貌、岩土特性等进行综合分析。滑坡二维形变场解算滑坡体的坡度和坡向是建立坡面坐标系的基本要素,坡度表示地表单元陡缓程度,并直接影响坡面物质的流动。坡向定义为坡面法线在水平面上的投影方向,对于现实地形起伏复杂的滑坡单体,滑坡面往往是一个变化的曲面,坡体表面坡度具有一定的微地貌特性。考虑大部分持续运动滑坡体的运动方向往往受坡体的整体朝向和坡度控制,本研究基于区域 数据,基于三阶不带权差分法计算获得桃坪乡古滑坡的平均坡度和坡向为 和 (刘学军等,)。图 显示滑坡体运动空间三维直角坐标系,其中坡向轴()指向坡体运动方向,法向轴()指向坡面法线方向,垂直坡向()方向与它们构成右手螺旋坐标
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