時序InSAR 地質災害隱患排查及防控系統探索

王佳璐

（山西省測繪地理信息院，山西太原 030001）

0 引言

我國是世界上地質災害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一［1］，地質災害種類多、發生頻率高、強度大、連續性強、突發性強、分布地域廣、災害損失大［2］。

黨中央、國務院高度重視自然災害防治工作。近年來習近平總書記對防災減災救災多次作出重要指示批示，要求統籌發展和管控安全，提高風險防范和應對能力。全面提升地質災害防范能力顯得尤為重要［3］。

為有效解決防災減災、應急保障面臨的實際問題，本文提出一種基于時序InSAR 的地質災害隱患排查技術路線以及地質災害排查防控系統設計思路，實現災害隱患底數的精準掌握，健全地質災害風險排查體系。

1 地質災害隱患排查技術路線

本文介紹的地質災害隱患排查主要依靠TerraSAR-X雷達衛星影像及其他基礎數據，通過計算地表粗糙度，并結合環境影像因素，來識別地質災害隱患點，最終完成地區地質災害風險識別。

1.1 技術原理

時間序列InSAR 技術的基本原理是利用多景（一般要求大于25 景，最少需要10 景左右）同一地區的SAR 數據，通過統計分析返回的相位和幅度信息，由時間序列SAR 數據中提取回波信號穩定的點目標，然后針對這些點目標開展相位信號變化規律分析，從而提取地表的高精度形變參數。在時間序列InSAR 數據中，點目標不受時間去相干、空間基線去相干和大氣變化影響，從而突破了常規InSAR中時間基線和空間基線的限制，如圖1 所示。

圖1 時間序列InSAR 原理

長時序SAR 數據進行地表形變反演時，需要將不同時序的影像生成合適的差分干涉圖序列。在生成差分干涉圖集時，為減少空間去相干以及地形誤差的影響，需要選取空間基線較短的影像。在時序InSAR 處理中，受大氣的影響，獲取的數據往往被分割成幾個小基線集合。每個子集只獲取一個形變時間序列，因此利用全部數據生成長時間序列形變的能力受到了限制。永久散射體干涉測量技術（Persistent Scatterer-InSAR，PS-InSAR）利用減少空間量測點密度的方法來獲取長時間序列形變，這種方法不僅會受到空間基線去相干的影響，而且要求PS 點密度較高，影像期數較多，時間較為連續，在城區監測應用較多。與PS-InSAR 不同，小基線集干涉測量技術（Small Baseline Subet-InSAR，SBAS-InSAR）在獲取干涉像對時主要利用多影像短時空基線的方法，這種方法使得在相同的觀測時間內，組成更多的干涉像對參與解算形變序列，能顯著增加有效干涉像對的數目。

1.2 技術路線

測區內地形起伏較大且植被茂盛時，時間去相干和空間去相干現象非常嚴重。因此，擬采用分布式目標（Distributed Scatterers，DS）提取方法和SBAS-InSAR 技術進行時序監測，以減弱時間去相干、空間去相干效應的影響，保留時空基線都較短的干涉圖參與形變量估計，保證時序監測的精度。

1）分布式目標（Distributed Scatterers，DS）指的是分辨單元內所有散射體的后向散射系數大致相同的地物，多為裸地、稀疏植被等。DS 點在郊區是普遍存在的，雖然它們僅在部分干涉圖保持一定的相干特性，但提取這些目標的干涉測量幾何信息對于擴展時間序列SAR 數據的應用范圍十分重要。

2）SBAS-InSAR 技術是通過對基線較短的SAR數據對進行自由組合得到一系列時間序列干涉圖子集，之后通過矩陣奇異值分解法，利用多個短基線集聯合起來求解各數據集之間空間基線過長導致的時間不連續問題。這種方法可以提高雷達監測的時間分辨率，從而得到目標區域的序列形變和平均形變速率。

SBAS 技術處理流程如圖2 所示。

圖2 SBAS 技術處理流程

1.3 工作路線

1）確定測區范圍。

2）獲取TerraSAR-X數據。分辨率3m，幅寬為30km。

3）InSAR 數據處理和形變反演。采用小基線集信息提取算法，對時序TerraSAR 進行形變反演，保證有足夠高的監測點密度，年均形變速率精度可達到亞厘米級，時序歷史形變約厘米級。

4）高風險區域的提取?；贗nSAR 年均形變速率圖，提取高風險災害區，輸出為SHP 格式。

5）災害風險分析。結合遙感歷史影像對形變大的區域進行分布規律分析、誘因分析，以及評估可能進一步發生的災害風險。

6）災害制圖和輸出。對地表年均形變速率、高風險災害區域、風險等級劃分進行標準化制圖和矢量化輸出。

7）監測報告。包括試驗區數據處理、災害監測結果和風險分析等內容。

2 地質災害排查防控系統設計

地質災害排查防控系統是地質災害隱患排查防控的信息化支撐平臺，依托無人機、視頻監控及站點監控等監測手段構建起的“空天地網”立體監測體系，實現地質災害隱患點實時動態監測、全觸點隱患信息報送、精細化災害預警預報、災害應急保障聯調聯動。

2.1 系統組成

地質災害排查防控系統主要由地質災害監測子系統、地質災害氣象風險預警子系統、地質災害群測群防子系統與地質災害巡查防控APP 等4 個子系統組成。

1）地質災害監測子系統。

地質災害監測子系統由監測信息顯示分析模塊、監測點自動預警模塊、災害隱患點管理模塊、地質災害調查數據維護模塊和數據查詢統計模塊組成。

系統利用遙感監測和地質災害監測點等數據，進行綜合分析處理，具備地質災害動態監測信息的實時化、可視化、空間化能力，能夠對接入的各類地質災害監測信息進行實時顯示，支持“天地圖·山西”底圖加載顯示；基于監測數據曲線分析災害發生概率，通過監測信息閾值進行監測點自動預警，實現對地質災害隱患點進行統籌管理以及對測區地質災害的監測預警功能。

2）地質災害氣象風險預警子系統。

地質災害氣象風險預警子系統由氣象風險預警歷史數據查詢模塊、氣象風險預警模塊、氣象風險發布模塊和預警區域災害點查詢模塊組成。

系統對地質災害風險預警等級進行劃分以及預警區域內災害點信息統計，實現氣象風險預警信息實時顯示、歷史數據查詢、氣象風險發布功能，提升地質災害氣象風險預警能力。

3）地質災害群測群防子系統。

地質災害群測群防子系統由工作信息管理模塊、群測群防責任人信息管理模塊、信息發送模塊、人員績效考核模塊組成。

系統實現基于網絡環境的防災預案表、工作明白卡、避災明白卡等信息管理及維護功能；根據行政區劃，樹狀顯示地質災害群測群防體系及責任人信息；通過短信平臺，實現信息單發和群發功能；實現地質災害數據上報及群測群防人員的績效考核功能。

4）地質災害巡查防控APP。

地質災害巡查防控App 由地質災害巡查模塊、災情數據快速采集模塊、災情數據上報模塊和歷史地質災害信息查詢模塊組成。支持手持終端操作方式，適用安卓系統；能夠基于地質災害隱患點數據，開展地質災害的巡查工作，支持災情數據的快速采集和上報。

2.2 業務流程設計

地質災害排查防控系統的業務流程主要包括以下過程：

1）獲取數據：獲取衛星數據、基礎地理數據、地質災害調查數據、氣候氣象數據等數據；

2）監測信息提?。簩Λ@取的數據進行處理，得到監測信息；

3）群測群防管理：根據獲取的數據，建立地質災害群測群防體系，實現對群測群防的有效管理；

4）數據展示：對提取的監測信息在系統上進行展示；

5）氣象風險的發布：根據提取的監測信息，結合氣象數據、基礎地形地貌等數據，對氣象風險進行預警，并將預警信息在系統上進行實時顯示氣象風險；同時支持歷史信息的查詢；

6）地質災害產品發布：根據提取的監測信息，進行災害點識別，并結合外業人員進行災害點巡查。根據災害點信息進行地質災害的概率分析，設定一定的閾值，對超過閾值的災害點進行預警，進而生成地質災害產品，并進行發布。業務流程圖如圖3 所示。

圖3 地質災害排查防控系統業務流程圖

2.3 數據流程設計

地質災害排查防控系統的數據流程圖如圖4 所示。

圖4 地質災害排查防控系統數據流程圖

3 地質災害隱患排查成效

通過高相干點閾值和同質像元閾值設定，共獲取了上百萬個點用于反演地表形變。這些點的分布如圖5 所示，除了少數山區外，點的分布較為密集。通過MT-InSAR 技術獲取的地表形變（視線向）速率在-6～2 cm/a 之間，絕大多數地區較為穩定，測區存在較大范圍的地表沉降現象，有可能是由地下水開采引起的。在測區西部的山區，有一些坡體呈現不穩定現象，有發生潛在滑坡災害的可能。

圖5 InSAR 反演的地表形變速率圖（cm/a）

對年均形變速率設定閾值，提取潛在的不穩定區域。如圖6 所示，共有128 處區域，測區市區為沉降區如圖7 所示，其余山區均為滑坡災害區如圖8所示。

圖6 InSAR 技術提取的不穩定區域（2019.01-2020.08）

圖7 InSAR 技術提取的沉降隱患區（2019.01-2020.08）

圖8 InSAR 技術提取的山區滑坡隱患區（2019.01-2020.08）

4 結語

本文提出的基于時序InSAR 的地質災害隱患排查技術路線，突破了常規InSAR 中時間基線和空間基線的限制，時間去相干和空間去相干現象嚴重而導致的地質災害隱患監測難的問題，可供其他地理條件類似的地區借鑒。

本文介紹的地質災害排查防控系統在測區的地質災害風險防控工作中得到了實踐應用，助力測區健全風險排查體系。未來將進一步推進由單一災種防范向多災種綜合減災滅災轉變，探索構建承災體多維度實時評價模型，對承災體暴露度、韌性等數據實時獲取、跟蹤評估，為有效降低承災體災害風險提供客觀依據。