高分辨率SAR数据在三峡库区滑坡监测中的应用

中 国 科 学 : 地 球 科 学2012 年 第 42 卷第 2 期 : 217 229 中 国 科 学 杂 志 社SCIENCE CHINA PRESS论 文高 分 辨 率 SAR 数 据 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用廖 明 生 *, 唐 婧 , 王 腾 , Timo BALZ, 张 路武 汉 大 学 测 绘 遥 感 信 息 工 程 国 家 重 点 实 验 室 , 武 汉 430079* E-mail: 收 稿 日 期 : 2010-11-15; 接 受 日 期 : 2011-05-22国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (编 号 : 2007CB714405)、 国 家 自 然 科 学 基 金 (批 准 号 : 41021061)和 三 峡 库 区 地 质 灾 害 防 治 重 大 科 学 研 究 项 目(编 号 : SXKY3-6-4)资 助摘 要 结 合 当 前 雷 达 差 分 干 涉 测 量 (D-InSAR)技 术 的 发 展 , 以 TerraSAR-X 数 据 为 例 , 重 关 键 词点 研 究 高 分 辨 率 SAR 数 据 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用 . 实 验 结 果 表 明 , 利 用 高 分 辨 率SAR 影 像 幅 度 和 差 分 干 涉 相 位 信 息 , 可 以 成 功 地 检 测 到 三 峡 库 区 滑 坡 发 生 所 处 的 时 间 段 、地 点 以 及 形 变 , 验 证 了 高 分 辨 率 雷 达 数 据 InSAR 技 术 进 行 滑 坡 检 测 的 有 效 性 . 针 对 三 峡 库区 大 气 效 应 对 差 分 干 涉 的 影 响 , 应 用 时 间 序 列 InSAR 技 术 进 行 滑 坡 体 的 缓 慢 形 变 监 测 , 结果 表 明 滑 坡 体 形 变 大 小 和 三 峡 水 库 的 水 位 变 化 有 一 定 的 关 系 , 可 以 为 滑 坡 预 警 提 供 重 要 依据 . 高 分 辨 率 TerraSAR-X 数 据 和 中 分 辨 率 ASAR 数 据 的 形 变 监 测 结 果 的 分 析 比 较 表 明 , 由于 TerraSAR-X 数 据 具 有 较 短 波 长 以 及 较 高 的 时 间 和 空 间 分 辨 率 , 能 够 取 得 更 好 的 形 变 监 测效 果 , 可 以 应 用 于 滑 坡 和 泥 石 流 等 地 质 灾 害 的 监 测 和 预 警 等 方 面 的 工 作.滑 坡 监 测雷 达 差 分 干 涉 测 量时 间 序 列 分 析高 分 辨 率滑 坡 是 指 边 坡 上 的 岩 土 体 在 自 然 或 人 为 因 素 的影 响 下 失 去 稳 定 , 沿 贯 通 的 破 坏 面 整 体 下 滑 的 现 象 1.滑 坡 作 为 一 种 常 见 的 地 质 灾 害 , 分 布 广 , 危 害 大 ,2009 年 全 国 地 质 灾 害 通 报 的 统 计 结 果 显 示 滑 坡 在 全部 地 质 灾 害 中 占 到 了 60%. 滑 坡 的 发 生 是 内 外 部 条件 共 同 作 用 的 结 果 . 内 部 条 件 主 要 在 于 滑 坡 体 的 地质 构 造 和 地 貌 特 征 , 例 如 地 层 的 岩 性 和 地 形 起 伏 程度等; 外 部 条 件 是 诱 发 潜 在 滑 坡 体 发 生 滑 坡 的 主 要因 素 , 包 括 降 雨 、 地 震 以 及 人 类 的 工 程 活 动 等 .位 于 湖 北 省 宜 昌 市 三 斗 坪 的 三 峡 工 程 , 是 世 界上 综 合 规 模 最 大 的 水 利 水 电 枢 纽 工 程 , 将 在 防 洪 、 发电 和 航 运 等 方 面 发 挥 巨 大 的 综 合 效 益 . 三 峡 水 库 正常 蓄 水 位 是 175 m, 比 原 来 高 出 100 多 米 , 并 且 水 库水 位 每 年 还 将 会 在 145175 m 之 间 循 环 , 这 将 使 得 三峡 地 区 更 加 易 发 地 质 灾 害 2. 三 峡 工 程 的 修 建 不 仅 导致库区所覆盖的湖北和重庆两省市 20 个 县 (市 , 区 )中 的 13 个 县 城 需 搬 迁 , 而 且 造 成 库 区 滑 坡 体 数 量 增多 , 老 滑 坡 体 复 活 . 根 据 国 土 资 源 部 2001 年 的 统 计 ,三 峡 库 区 所 覆 盖 的 20 个 县 (市 , 区 )境 内 全 部 发 现滑 坡 , 共 有 滑 坡 体 2490 个 . 自 三 峡 水 库 一 期 蓄 水 到135 m, 到 2003 年 11 月 , 整 个 库 区 的 崩 塌 和 滑 坡 体 数目 就 达 到 了 4688 处 , 比 2001 年 几 乎 翻 了 一 番 . 2010年 6 月 , 三 峡 库 区 汛 期 地 质 灾 害 防 治 工 作 会 议 指 出 ,近 两 年 三 峡 库 区 发 生 地 灾 132 起 , 紧 急 转 移 群 众 近2000 人 .秭 归 县 是 三 峡 库 区 受 滑 坡 等 地 质 灾 害 影 响 最 为严 重 的 地 区 之 一 , 不 仅 崩 滑 体 数 量 很 多 , 而 且 斜 坡 的稳 定 性 也 很 差 . 2003 年 水 库 开 始 一 期 蓄 水 后 , 秭 归 地英 文 引 用 格 式 : Liao M S, Tang J, Wang T, et al. Landslide monitoring with high-resolution SAR data in the Three Gorges region. Sci China Earth Sci, 2011,doi: 10.1007/s11430-011-4259-1廖 明 生 等 : 高 分 辨 率 SAR 数 据 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用区 出 现 了 大 量 的 滑 坡 复 活 及 失 稳 现 象 3. 其 中 2003年 7 月 13 日 发 生 的 千 将 坪 滑 坡 是 三 峡 一 期 蓄 水 以 来最 为 严 重 的 一 次 滑 坡 . 经 初 步 分 析 , 蓄 水 引 起 的 水 位上 涨 和 连 续 的 暴 雨 是 导 致 千 将 坪 老 滑 坡 复 活 的 主 要原 因 4.目前, 对 三 峡 地 区 的 滑 坡 形 变 监 测 采 用 多 种 滑坡 监 测 手 段 相 结 合 的 方 法 , 包 括 大 地 测 量 、 GPS 监 测网 、 遥 感 影 像 解 译 和 伸 缩 计 深 部 位 移 监 测 等 . 国 家 重点 野 外 科 学 观 测 试 验 站 “长 江 三 峡 滑 坡 监 测 试 验 站 ”以 长 江 三 峡 工 程 近 坝 地 段 新 滩 链 子 崖 滑 坡 崩 塌 区 为中 心 , 面 向 三 峡 库 区 滑 坡 进 行 长 期 系 统 的 监 测 . 这 些方 法 在 各 监 测 站 大 都 能 够 获 取 高 精 度 的 形 变 量 测 结果 , 但 是 限 于 人 力 和 物 力 成 本 难 以 实 现 库 区 的 高 密度 形 变 监 测 .合 成 孔 径 雷 达 (Synthetic Aperture Radar, SAR)作为 一 种 主 动 式 微 波 传 感 器 , 由 于 具 有 全 天 候 、 全 天 时成 像 的 特 点 , 尤 其 适 用 于 三 峡 库 区 这 样 的 多 云 多 雨地 区 5. 利 用 不 同 时 间 对 同 一 目 标 所 成 的 影 像 以 及 地表 高 程 信 息 , 能 够 对 地 表 形 变 进 行 高 精 度 量 测 , 即 差分 干 涉 测 量 (D-InSAR)技 术 . 由 于 该 技 术 能 够 实 现 高精 度 和 大 范 围 的 地 表 形 变 获 取 , 因 此 在 地 震 、 火 山 和矿 区 沉 降 等 的 形 变 监 测 方 面 取 得 了 巨 大 的 成 功 68.D-InSAR 技 术 最 早 用 于 滑 坡 方 面 的 监 测 是 在 1996 年 ,法 国 学 者 Fruneau 等 9对 法 国 南 部 的 Saint Etienne deTin 滑 坡 首 次 使 用 D-InSAR 技 术 进 行 监 测 , 处 理 结 果与 常 规 离 散 观 测 结 果 吻 合 程 度 很 高 .但 是 随 着 D-InSAR 技 术 在 形 变 监 测 方 面 应 用 的不断深入, 以 下 几 个 方 面 的 原 因 限 制 了 其 测 量 精 度 :1) 空 间 去 相 关 : 空 间 基 线 带 来 的 频 谱 偏 移 ; 2) 时 间去 相 关 : 地 表 属 性 的 变 化 ; 3) 不 同 时 相 的 雷 达 信 号在 传 播 过 程 中 受 到 的 大 气 不 一 致 性 影 响 而 造 成 的 大气 效 应 误 差 ; 4) 系 统 热 噪 声 和 数 据 处 理 误 差 等 .为 了 克 服 去 相 关 和 大 气 效 应 对 D-InSAR 应 用 范围 以 及 处 理 精 度 的 限 制 , 意 大 利 学 者 Ferretti 等 10,11提 出 了 Permanent Scatterers InSAR(PS-InSAR)技 术 ,该 技 术 将 注 意 力 集 中 在 时 间 序 列 上 稳 定 的 永 久 散 射体 上 . 然 后 在 由 PS 点 构 成 的 稀 疏 图 上 , 根 据 地 形 相关 相 位 、 形 变 相 位 和 大 气 相 位 三 者 不 同 的 时 空 特 性 进行 分 离 , 最 终 得 到 高 精 度 的 形 变 监 测 结 果 . 在 此 基 础上 发 展 起 来 的 相 干 目 标 分 析 和 时 空 网 络 解 缠 等 方 法将 常 规 的 D-InSAR 技 术 推 进 到 了 一 个 以 PS-InSAR 技术 为 代 表 的 新 阶 段 12. 由 于 该 技 术 能 够 实 现 毫 米 级218的 形 变 量 测 精 度 , 在 地 表 微 小 形 变 监 测 方 面 取 得 了巨 大 的 成 功 13,14. 斯 坦 福 大 学 的 研 究 小 组 于 2006 年发 布 了 一 套 PS-InSAR 数 据 处 理 算 法 (Stanford Methodfor Persistent Scatterer, StaMPS), 该 算 法 克 服 了 以 前算 法 中 需 要 事 先 给 出 形 变 模 型 的 限 制 , 利 用 三 维 时空 解 缠 技 术 获 取 目 标 的 时 序 形 变 信 息 15,16.2001 年 , Ferretti 等 11首 次 应 用 PS 技 术 对 Ancona地 区 的 滑 坡 进 行 形 变 探 测 , 结 果 表 明 地 表 形 变 场 速度 与 地 面 真 实 情 况 相 符 , 并 且 PS 点 的 形 变 精 度 可 达到 1 mm a1. 2003 年 , Colesanti 等 17将 意 大 利 中 部Ancona 滑 坡 19922000 年 间 61 景 ERS SAR 影 像 的时 间 序 列 处 理 结 果 与 当 地 水 准 测 量 的 结 果 比 较 证 明该 结 果 是 可 信 的 , 并 且 对 于 植 被 覆 盖 的 低 相 干 区 也能 取 得 较 好 的 结 果 . Hilley 等 18利 用 永 久 散 射 体 的 方法 研 究 并 分 析 了 滑 坡 体 缓 慢 的 非 线 性 形 变 过 程 , 并指 出 形 变 速 率 的 大 小 与 降 雨 等 因 素 有 关 .2001 年 美 国 阿 拉 斯 加 大 学 地 球 物 理 研 究 所 与 中国 地 震 局 地 震 研 究 所 使 用 欧 洲 空 间 局 的 ERS 数 据 开展 了 D-InSAR 技 术 对 三 峡 地 区 蓄 水 引 起 的 地 表 形 变的 监 测 , 但是结果并不理想 19. Gao 和 Zeng20利 用20032005 年 11 景 万 州 地 区 ASAR 数 据 进 行 时 间 序列 InSAR 处 理 , 并 指 出 数 据 量 和 大 气 效 应 限 制 了InSAR 数 据 在 该 地 区 的 应 用 . 在 欧 洲 “龙 计 划 ”支 持下 , 武 汉 大 学 与 意 大 利 米 兰 理 工 大 学 合 作 , 利 用 40余 景 ASAR 数 据 在 三 峡 坝 区 和 巴 东 新 城 开 展 了 基 于永 久 散 射 体 的 地 面 沉 降 监 测 研 究 . 时 间 序 列 InSAR分 析 结 果 表 明 三 峡 大 坝 在 数 据 获 取 期 间 仅 存 在 由 于水 位 和 温 度 引 起 的 微 小 形 变 , 而 在 巴 东 新 城 区 有 两个 较 大 的 潜 在 滑 坡 体 2123.在 2008 年 以 前 , 雷 达 干 涉 测 量 所 用 数 据 大 部 分是 ERS 和 ENVISAT ASAR 等 C 波 段 的 中 低 分 辨 率数 据 , 重 访 周 期 为 35 天 . 在 相 关 研 究 中 , 即 使 利 用部 分 永 久 散 射 体 等 技 术 手 段 提 高 了 量 测 点 密 度 , 但也 由 于 影 像 空 间 分 辨 率 的 原 因 难 以 对 滑 坡 体 形 变 进行 更 进 一 步 的 分 析 和 解 译 23. 随 着 2007 年 以 来 一 系列 高 分 辨 率 、短 重 访 周 期 雷 达 传 感 器 , 如 TerraSAR-X 和 COSMO-SkyMed 等 的 发 射 24, 高 分 辨 率 InSAR数 据 及 相 关 分 析 技 术 使 我 们 能 够 获 得 更 高 空 间 分 辨率 和 时 间 分 辨 率 的 地 表 形 变 量 测 结 果 25,26. 本 文 的内 容 主 要 是 基 于 高 分 辨 率 的 InSAR 数 据 , 研 究D-InSAR 技 术 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用 . 实 验表 明 高 分 辨 率 的 SAR 数 据 以 及 InSAR 技 术 在 三 峡中 国 科 学 : 地 球 科 学 2012 年 第 42 卷 第 2 期库 区 的 滑 坡 形 变 监 测 和 预 警 方 面 具 有 重 要 的 应 用 价值 .1 D-InSAR/时 间 序 列 InSAR 技 术1.1 D-InSAR 技 术D-InSAR 技 术 的 主 要 步 骤 包 括 主 从 影 像 的 输 入以 及 配 准 、 平 地 效 应 的 去 除 、 去 除 地 形 相 位 得 到 差 分相 位 和 相 位 解 缠 等 . D-InSAR 技 术 根 据 所 用 影 像 数 一般 有 三 种 方 法 去 除 地 形 相 位 : 一 是 选 取 基 线 距 为 零的 干 涉 图 像 对 , 可 以 直 接 得 到 沿 视 线 方 向 的 形 变 信息 ; 二 是 使 用 目 标 发 生 形 变 前 后 的 两 景 SAR 影 像 生成 包 含 有 形 变 的 干 涉 图 , 然 后 去 除 该 地 区 对 应 的 外到 很 好 的 形 变 监 测 结 果 14. 但 是 对 于 滑 坡 体 来 说 , 由于 其 形 变 与 降 雨 和 人 类 活 动 等 外 界 因 素 有 很 大 的 关系 , 通常形变比较复杂. 另 外 , 山体滑坡一般发生在人 工 建 筑 比 较 少 的 地 方 , 这 对 于 中 低 分 辨 率 的 SAR数 据 和 常 规 的 PS 处 理 方 法 来 说 是 一 个 很 大 的 挑 战 .因 此 , 在 本 文 中 我 们 一 方 面 尝 试 利 用 高 分 辨 率 的TerraSAR-X 数 据 提 高 PS 点 密 度 , 另 一 方 面 采 用 更 适合 获 取 非 线 性 形 变 的 时 间 序 列 InSAR 分 析 技 术 来 监测 滑 坡 体 的 形 变 , 处 理 步 骤 如 下 15,23.(i) 差 分 干 涉 . 选 择 时 间 序 列 上 的 一 景 影 像 作 为主 影 像 , 然 后 将 其 他 的 影 像 作 为 从 影 像 与 主 影 像 配准 并 生 成 差 分 干 涉 图 , 采 用 如 下 形 式 来 描 述 差 分 相位 的 组 成 :部 数 字 高 程 模 型 (Digital Elevation Model, DEM)模 拟的 地 形 相 位 得 到 地 表 形 变 信 息 , 该 方 法 无 需 对 地 形 f pi,k fSi,k fBi,k fTi,k fNi,k , (1)相 位 解 缠 , 但 不 是 所 有 地 区 都 有 现 势 性 好 的 DEM6;三 是 利 用 形 变 前 的 两 景 影 像 与 形 变 后 的 一 景 影 像 生成 地 形 和 地 形 -形 变 对 , 从 地 形 -形 变 对 相 位 中 去 除 地形 的 相 位 数 据 , 即 可 得 到 地 表 形 变 相 位 7.f pi,k 是 目 标 P 在 第 i 幅干涉图上的差分相位 ; fSi,k是 在 空 间 上 相 关 的 相 位 , 主 要 由 大 气 相 位 、 轨 道 误差 、 空 间 相 关 的 DEM 误 差 和 地 表 形 变 引 起 ; fBi,k 是和 垂 直 基 线 相 关 的 相 位 , 主 要 是 由 于 入 射 角 的 不 同1.2 时 间 序 列 InSAR 技 术 造 成 的 ; fTi,k 是 时 间 上 相 关 的 相 位 , 主 要 是 由 空 间 上时 间 序 列 InSAR 技 术 是 利 用 多 景 同 一 地 区 的SAR 影 像 , 通 过 统 计 分 析 所 用 影 像 的 幅 度 和 相 位 信息 , 识 别 出 不 受 时 间 和 空 间 去 相 干 影 响 的 永 久 散 射体 . 这 些 永 久 散 射 体 点 构 成 了 一 个 “天 然 的 GPS 格网 ”, 通 过 对 格 网 点 进 行 时 空 滤 波 , 分 离 出 空 间 相 关 、时 间 不 相 关 的 大 气 效 应 , 然 后 对 分 离 出 的 大 气 相 位进 行 插 值 拟 合 研 究 区 域 的 大 气 效 应 贡 献 值 , 达 到 估计 并 去 除 大 气 效 应 值 , 提 高 形 变 监 测 精 度 的 目 的 .与 传 统 D-InSAR 技 术 比 较 , 时 间 序 列 InSAR 技术 的 优 越 性 在 于 : 1) 针 对 稳 定 点 目 标 的 处 理 能 够 满足 高 精 度 差 分 干 涉 的 相 干 性 需 求 ; 2) 很 大 程 度 上 摆脱 了 时 空 基 线 的 限 制 , 提 高 了 可 用 影 像 的 数 目 ; 3)采 取 了 比 较 系 统 的 方 法 对 大 气 效 应 进 行 估 计 并 将 其分 离 出 来 , 提 高 了 形 变 监 测 结 果 的 精 度 ; 4) 因 为 PS点 的 高 程 误 差 在 后 面 的 处 理 会 被 估 计 出 来 , 所 以 可以 接 受 精 度 不 高 的 DEM 作 为 参 考 地 形 数 据 ; 5) 时 间序 列 InSAR 分 析 技 术 为 研 究 长 期 、 缓 慢 和 微 量 的 地表 形 变 提 供 了 可 能 , 但 是 一 般 需 要 大 量 的 SAR 影 像 ,这 是 该 技 术 的 不 足 .在 城 市 地 区 , 由 于 地 表 沉 降 通 常 比 较 缓 慢 , 可 以看 作 是 近 似 线 性 变 化 的 , 因 此 通 常 的 PS 处 理 也 能 得非相关的地表形变及大气相位的季节性变化引起的;fNi,k 是 噪 声 相 位 .(ii) PS 点 的 初 选 . 采 用 振 幅 离 差 的 方 法 选 择 PS候 选 点 .(iii) 滤 除 fSi,k 项 . 将 所 有 的 PS 候 选 点 进 行 地 理编 码 之 后 , 转 换 到 一 个 规 则 格 网 上 , 并 保 证 格 网 间隔 内 相 位 变 化 较 小 . 由 于 该 相 位 组 分 在 空 间 域 上 一定 的 尺 度 范 围 内 是 相 关 的 , 并 且 主 要 分 布 在 低 频 部分 , 所 以 可 以 利 用 低 通 滤 波 器 滤 波 得 到 fSi,k 并 去 除 .滤 波 器 的 截 止 频 率 的 选 择 一 般 是 在 8001200 m 左右 27.(iv) 采 用 线 性 逆 变 换 的 方 法 从 残 余 相 位 和 垂 直基 线 中 估 计 fBi,k . 从 差 分 相 位 中 去 除 掉 空 间 相 关 的 相位 后 , 形 变 相 位 、 大 气 贡 献 相 位 和 轨 道 误 差 相 位 的 非空 间 相 关 部 分 很 小 , 剩 余 的 部 分 主 要 是 和 基 线 相 关的 相 位 . 由 于 此 时 的 相 位 也 是 缠 绕 的 , 所 以 可 以 采 用参 数 空 间 粗 搜 索 的 方 法 来 估 计 这 部 分 相 位 . 通 过 在一 定 的 高 程 误 差 (10 m)对 应 的 相 位 变 化 范 围 内 , 选择 一 定 的 步 长 (/4), 搜 索 fBi,k 值 使 式 (2)中 xB 值 达 到219廖 明 生 等 : 高 分 辨 率 SAR 数 据 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用最 大 , 即 可 得 到 最 优 的 估 计 值 fBi,k . 2 试 验 区 和 试 验 数 据xB 1MM exp j( f pi fSpi fBpi )i1(2) 本 文 的 试 验 区 位 于 湖 北 宜 昌 市 秭 归 县 , 地 处 我国 地 形 第 二 阶 梯 向 第 三 阶 梯 的 过 渡 地 带 , 川 东 褶 皱其 中 , M 表 示 干 涉 图 的 数 目 , xB 是 一 个 衡 量 相 位 噪 声水 平 以 及 该 像 素 是 否 为 PS 点 的 指 标 .得 到 xB 的 值 后 , 同 时 考 虑 到 幅 度 和 相 位 的 稳 定性 , 采 用 统 计 分 析 的 方 法 选 择 PS 点 , 并 从 干 涉 图 中去 除 fBi,k .(v) 根 据 时 间 序 列 数 据 的 特 点 采 用 三 维 时 空 解缠 的 方 法 突 破 以 往 需 要 先 验 形 变 模 型 的 条 件 . 相位解 缠 后 , 通 过 滤 波 滤 除 大 气 相 位 , 最 后 得 到 形 变 相位 .1.3 TerraSAR-X 数 据 在 形 变 监 测 中 的 优 势TerraSAR-X 是 德 国 新 一 代 的 高 分 辨 率 对 地 观 测卫 星 , 主 要 荷 载 是 一 个 X 波 段 (波 长 为 3.1 cm)的 合 成孔 径 雷 达 传 感 器 , 能 够 提 供 多 模 式 、 多 极 化 和 多 分 辨率 的 雷 达 数 据 供 商 业 和 科 研 使 用 . 2007 年 6 月 15 日 ,TerraSAR-X 卫 星 发 射 成 功 , 2008 年 2 月 开 始 向 用 户正 式 提 供 数 据 服 务 , 具 有 精 确 的 姿 态 和 轨 道 控 制 能力 24.理 论 上 , 由 于 X 波 段 的 波 长 差 不 多 , 是 C 波 段 波长 的 一 半 , 对 地 表 形 变 更 灵 敏 , 因 此 能 测 量 更 加 精 确的 形 变 . 此 外 , 短 重 访 周 期 以 及 高 分 辨 率 的 特 性 使 得TerraSAR-X 数 据 能 够 监 测 到 以 前 C 波 段 数 据 所 不 能监 测 到 的 细 节 . 由 于 永 久 散 射 体 通 常 对 应 的 是 一 个像 元 内 对 回 波 信 号 占 主 导 作 用 的 散 射 目 标 , 所 以 对于 高 分 辨 率 SAR 影 像 来 说 像 元 表 现 出 PS 特 性 的 可 能性 更 大 . 事 实 上 , 越高的空间分辨率, 一个像元内出现 PS 点 的 可 能 性 越 大 28.与 鄂 西 山 地 在 此 会 合 , 多 为 中 低 山 和 侵 蚀 峡 谷 地 貌 ,地 势 上 东 高 西 低 . 从 试 验 区 的 DEM 可 以 看 出 (图 1),该 地 区 的 地 形 起 伏 很 大 , 高 程 范 围 03000 m. 该 试验 区 位 于 黄 陵 背 斜 西 翼 和 秭 归 向 斜 , 出 露 地 层 从 志留 系 到 侏 罗 系 , 由 东 往 西 地 层 渐 新 2.本文利用已存档的三峡库区雷达卫星数据20032009 年 间 的 57 景 ASAR SLC 数 据 以 及 22 景20082009 年 的 TerraSAR-X SM 模 式 数 据 , 两 数 据 的覆 盖 范 围 如 图 1. 充 分 的 数 据 积 累 为 长 时 间 序 列InSAR 数 据 的 分 析 提 供 了 有 利 条 件 , 两 数 据 的 基 本参 数 对 照 见 表 1.图 1 试 验 区 数 字 高 程 模 型 和 试 验 数 据 覆 盖 范 围表 1 试 验 数 据 基 本 参 数 对 照但 是 , 相 较 于 C 和 L 波 段 数 据 X 波 段 数 据 在 非城 区 更 容 易 受 到 植 被 的 影 响 出 现 时 间 失 相 干 , 这主要 是 由 于 X 波 段 相 位 对 散 射 变 化 具 有 高 度 敏 感 性 .但 是 在 原 则 上 , 对 人 工 建 筑 和 裸 岩 来 说 , 高 分 辨 率 数据 提 取 到 的 PS 点 会 大 大 增 加 . 随 着 新 的 传 感 器 平 台稳 定 性 的 增 加 以 及 较 短 的 重 访 周 期 , 对 于 两 景 连 续时 间 获 取 的 数 据 来 说 , 时 间 失 相 干 会 大 大 减 小 . 另 外相 位 解 缠 的 误 差 对 于 X 波 段 数 据 也 会 更 敏 感 些 , 所以 要 对 结 果 , 尤 其 是 低 相 干 区 域 的 结 果 进 行 一 致 性数 据 编 号飞 行 方 向脉 冲 重 复 频 率 (Hz)中 心 入 射 角极 化 方 式方 位 向 采 样 间 距 (m)距 离 向 采 样 间 距 (m)影 像 覆 盖 范 围波 长 (m)ASAR 数 据T75F2979降 轨165223VV48109 km 104 km0.056TerraSAR-X 数 据strip_005降 轨361125VV2130 km 50 km0.031检 查 28. 重 访 周 期 (天 ) 35 11220中 国 科 学 : 地 球 科 学 2012 年 第 42 卷 第 2 期3 结 果 及 讨 论3.1 D-InSAR 分 析 结 果为 了 比 较 ASAR 和 TerraSAR-X 数 据 的 相 干 性 ,我 们 将 同 一 时 间 段 的 雷 达 影 像 生 成 的 两 幅 差 分 干 涉图 进 行 比 较 , 干 涉 参 数 见 表 2.从 ASAR 数 据 差 分 干 涉 图 的 结 果 (图 2)来 看 , 只有 在 城 镇 等 人 工 建 筑 密 集 的 地 方 能 看 出 一 些 条 纹 ,比 如 图 中 红 色 圆 圈 标 注 的 归 州 镇 , 其 他 地 方 的 相 位条 纹 完 全 湮 没 在 噪 声 中 . 但 是 在 图 3 中 , 各 滑 坡 体 所对 应 的 位 置 都 能 清 晰 可 见 . 另 外 我 们 发 现 新 滩 、 黄 阳畔 和 白 水 河 等 滑 坡 体 没 有 比 较 明 显 的 形 变 条 纹 . 另外 , 在 树 坪 滑 坡 体 角 反 射 器 分 布 的 区 域 , 不 同 分 辨 率数 据 的 相 干 图 有 很 大 的 差 别 , 总 体 来 说 前 者 的 相 干性 要 好 于 ASAR 数 据 , 这 主 要 得 益 于 TerraSAR-X 数可 以 很 清 楚 地 发 现 滑 坡 所 发 生 的 位 置 . 据 报 道 , 2008年 8 月 30 日 秭 归 县 沙 镇 溪 镇 香 山 路 发 生 滑 坡 , 这 与我 们 利 用 TerraSAR-X 数 据 发 现 的 结 果 是 一 致 的 . 另外 为 描 述 滑 坡 发 生 前 后 形 变 的 大 小 , 我 们 分 别 采 用2009 年 7 月 21 日 、 8 月 23 日 、 9 月 14 日 和 10 月 17日 的 数 据 进 行 D-InSAR 处 理 分 析 , 这 两 对 数 据 的 垂直 基 线 分 别 为 31.7 和 20.7 m. 差 分 结 果 见 图 5.从 图 5 中 我 们 可 以 看 出 , 滑 坡 体 所 在 的 位 置 在 滑坡 前 有 比 较 大 的 形 变 , 而 在 滑 坡 后 该 地 区 趋 于 稳 定 .其 中 蓝 色 方 框 所 在 的 位 置 是 千 将 坪 滑 坡 在 2003 年 发生 滑 坡 后 其 后 缘 所 出 现 的 高 达 百 米 左 右 的 陡 壁 , 在幅度影像上可以看出该地方岩体呈现明显的灰白色,在差分干涉图上可以看出该地区有明显的相位条纹,表 2 秭 归 差 分 干 涉 影 像 对 参 数据 的 高 空 间 分 辨 率 . 另 外 , 为 了 研 究 高 分 辨 率 数 据D-InSAR 技 术 在 滑 坡 体 探 测 方 面 的 应 用 , 我 们 结 合幅 度 信 息 和 差 分 相 位 信 息 来 尝 试 确 定 滑 坡 发 生 的 时间 段 、 地 点 以 及 滑 坡 前 后 的 形 变 大 小 .从 图 4 所 示 的 该 地 区 幅 度 影 像 变 化 序 列 中 , 我 们ASAR 数 据主 影 像从 影 像TerraSAR-X 数 据主 影 像从 影 像获 取 时 间 水 位 (m) 时 间 基 线 (天 ) 垂 直 基 线 (m)2009-11-08 170.85 70 41.62009-08-30 146.322009-11-06 170.8755 22.92009-09-12 145.26图 2 ASAR 数 据 幅 度 影 像 叠 加 差 分 相 位上 面 的 小 图 为 树 坪 地 区 角 反 射 器 区 域 的 相 干 图221廖 明 生 等 : 高 分 辨 率 SAR 数 据 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用图 3 TerraSAR-X 数 据 幅 度 影 像 叠 加 差 分 相 位上 面 的 小 图 为 树 坪 地 区 角 反 射 器 区 域 的 相 干 图图 4 沙 镇 溪 镇 滑 坡 发 生 前 后 的 幅 度 影 像 变 化长 江 水 位 : 145.8 m (a)(c), 155.1 m (d)222中 国 科 学 : 地 球 科 学 2012 年 第 42 卷 第 2 期图 5 滑 坡 前 后 的 形 变 相 位(a) 滑 坡 前 的 差 分 干 涉 相 位 ; (b) 滑 坡 后 的 差 分 干 涉 相 位这 主 要 是 由 于 外 部 DEM 的 时 效 性 不 足 所 致 .时 间 序 列 InSAR 分 析 结 果ASAR 数 据 分 析 结 果在 本 试 验 中 共 使 用 了 36 景 ASAR 数 据 , 时 间 跨度 从 2004 年 11 月 到 2008 年 12 月 , 所 截 取 的 影 像 大小 是 2350 640. 实 验 中 所 用 影 像 的 获 取 时 间 以 及 相对 于 主 影 像 的 空 间 基 线 分 布 如 图 6 所 示 .在 本 试 验 中 总 共 提 取 了 587 个 PS 点 , 平 均 密 度 每平 方 公 里 不 足 5 个 . 当 选 取 更 多 的 影 像 数 据 时 , 由 于保 持 稳 定 的 点 目 标 变 少 , 提 取 的 PS 点 的 分 布 则 更 为稀 疏 . 这 对 于 受 大 气 影 响 严 重 、 地 形 复 杂 的 三 峡 地 区来 说 , 由 于 无 法 进 行 正 确 的 大 气 相 位 内 插 , 地 表 形 变量 测 结 果 的 精 度 会 大 大 降 低 . 根 据 前 面 对 高 分 辨 率 数据 的 分 析 , 我 们 知 道 分 辨 率 越 高 , 探 测 到 点 目 标 的 可图 6 时 间 序 列 InSAR 分 析 ASAR 数 据 时 空 基 线 分 布红 色 圆 点 表 示 主 影 像223廖 明 生 等 : 高 分 辨 率 SAR 数 据 在 三 峡 库 区 滑 坡 监 测 中 的 应 用能 性 越 大 , 提 取 到 的 PS 点 数 目 也 越 多 , 所 以 选 择 高空 间 分 辨 率 的 数 据 是 成 功 获 取 滑 坡 体 形 变 的 关 键 .另 一 方 面 时 间 序 列 InSAR 技 术 可 量 测 的 地 表 形 变 速率 与 数 据 重 访 周 期 成 反 比 , 重 访 周 期 越 长 就 要 求 形变 越 缓 慢 , 而 这 不 符 合 滑 坡 体 的 形 变 规 律 . 因 此 高 分辨 率 的 TerraSAR-X 数 据 能 够 更 真 实 地 确 定 滑 坡 体 的形 变 过 程 25. TerraSAR-X 数 据 无 论 在 时 间 还 是 空 间分 辨 率 上 相 较 于 ASAR 数 据 都 有 很 大 的 提 高 (见 表 1),因 此 下 面 的 试 验 主 要 是 基 于 TerraSAR-X 数 据 来 完 成的 .但 是 从 图 8(b)两 PS 点 的 时 间 序 列 形 变 中 可 以 看 出 ,PS 点的形变大小和长江水位变化有很大的关系. 三峡 库 区 的 气 候 条 件 属 于 温 湿 的 中 亚 热 带 气 候 , 降雨主 要 集 中 在 七 八 月 份 , 由 于 降 雨 诱 发 的 滑 坡 等 灾 害也 主 要 集 中 在 这 个 时 间 段 , 例 如 2003 年 7 月 的 千 将坪 滑 坡 . 另 外 , 树坪滑坡体是一个古崩滑堆积体, 从2003 年 6 月 三 峡 开 始 蓄 水 以 来 就 陆 续 展 开 该 地 区 的形 变 位 移 监 测 , 并 不 存 在 较 大 规 模 的 人 类 工 程 活 动 .从 PS 点 的 形 变 序 列 和 水 位 剧 烈 变 化 的 时 间 来 看 , 它们 具 有 比 较 大 的 相 关 性 . 例 如 , 对 于 图 中 标 注 的 区 间3.2.2 TerraSAR-X 数 据 分 析 结 果 时 间 段 内 的 形 变 值 达 到 11.3 mm, 而 对 于 区 间 缓慢 的 水 位 变 化 并 未 引 起 剧 烈 形 变 . 另 外 , 对 于 区 间 在 ASAR 数 据 分 析 的 基 础 上 , 我 们 选 取 了 树 坪 、白 水 河 和 青 干 河 三 处 滑 坡 体 , 如 图 7 中 (A)(C)三 处标 注 的 位 置 , 进 行 TerraSAR-X 数 据 分 析 试 验 .树 坪 滑 坡 位 于 长 江 右 岸 秭 归 县 沙 镇 溪 镇 , 为一古 崩 滑 堆 积 体 . 滑 坡 形 态 为 明 显 的 圈 椅 状 , 分 布 高 程为 65500 m, 纵 长 800 m, 横 宽 700900 m, 滑 体 前缘 突 入 长 江 , 剪 出 口 高 程 约 6568 m. 滑 体 厚 4070m, 体 积 约 2600104 m3. 滑 坡 体 形 态 总 体 呈 下 陡 上缓 斜 坡 , 坡 度 2235.在 本 实 验 中 总 共 提 取 到 633 个 PS 点 , 平 均 密 度每 平 方 公 里 40 个 左 右 , 能 够 满 足 时 间 序 列 InSAR 分析 技 术 的 要 求 . 图 8(a)为 树 坪 滑 坡 体 形 变 监 测 的 结 果 ,图 中 PS 点 的 颜 色 表 示 形 变 监 测 时 间 段 内 的 年 形 变 速率 . 从 图 8 中 可 以 看 出 , 树 坪 滑 坡 体 上 PS 点 的 形变 速 率 都 不 超 过 2 mm a1 左 右 , 这 说 明 该 滑 坡 体 在这 段 时 间 内 并 没 有 太 大 的 形 变 , 相 对 来 说 比 较 稳 定 .图 7 试 验 区 PS 点 的 视 线 向 形 变 速 率224我 们 推 测 是 由 于 水 位 急 剧 下 降 所 致 . 这 是 因 为 水 库水 位 下 降 时 , 由 水 的 冲 刷 作 用 而 形 成 的 具 有 临 空 面的 岩 土 体 所 受 的 浮 托 力 迅 速 减 小 , 滑 坡 体 所 受 到 的抗 滑 阻 力 也 迅 速 减 小 ; 同 时 由 于 库 水 水 位 突 然 降 低 ,而 滑 坡 体 地 下 水 排 出 较 慢 , 地 下 水 水 位 下 降 严 重 滞后 于 库 水 位 , 导 致 库 岸 内 地 下 水 水 位 高 于 库 水 位 , 形成 较 大 的 动 水 压 力 , 加 大 了 沿 地 下 渗 流 方 向 的 滑 动力 , 从 而 引 起 较 大 的 形 变 29.秭 归 县 白 水 河 滑 坡 位 于 长 江 南 岸 , 三 峡 大 坝 坝址 以 西 56 km, 属 沙 镇 溪 镇 白 水 河 村 . 滑 坡 体 处 于 长江 宽 河 谷 地 段 , 为 单 斜 地 层 顺 向 坡 地 形 , 南 高 北 低 ,呈 阶 梯 状 向 长 江 展 布 . 其 后 缘 高 程 为 410 m, 以 岩 土分 界 处 为 界 , 前 缘 抵 长 江 135 m 水 位 , 东 西 两 侧 以 基岩 山 脊 为 界 , 总 体 坡 度 约 30. 其 南 北 向 长 度 600 m,东 西 向 宽 度 700 m, 滑 体 平 均 厚 度 约 30 m, 体 积1260104 m3. 范 家 坪 滑 坡 同 样 位 于 长 江 南 岸 , 在 白水 河 滑 坡 上 游 .从 白 水 河 滑 坡 遥 感 影 像 上 , 我 们 知 道 该 滑 坡 地区 植 被 覆 盖 很 密 集 . 对 于 时 间 序 列 InSAR 分 析 结 果 ,我 们 仅 在 该 滑 坡 体 后 缘 以 及 东 西 边 界 提