联合升降轨InSAR监测滑坡沿坡向形变的模型与方法

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近年来,星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术在滑坡灾害的识别与监测中被广泛应用,其大范围、高空间分辨率等技术优势在识别滑坡灾害隐患点与监测滑坡形变特征等方面极具潜力。但是,单一平台或轨道的InSAR技术通常只能获取到滑坡体沿雷达卫星视线(LOS)方向的一维形变信息,无法直接获取到滑坡体沿坡向的形变信息,这使得InSAR技术无法充分满足滑坡监测的工程需求。针对于这一问题,本文开展了联合升降轨InSAR监测滑坡沿坡向形变场的相关研究,以四川省理县桃坪乡古滑坡为研究对象,通过建立模型算法对桃坪乡古滑坡进行坡向形变的提取与分析。本文首先建立了联合升降轨InSAR提取滑坡沿坡向形变的模型算法,其基本方法是:(1)利用InSAR技术分别获取升降轨道的LOS方向形变场;(2)根据坡向和坡度建立滑坡的滑动面坐标系;(3)基于LOS方向与滑动面的几何关系对升降轨道对应的LOS向形变值进行建模;(4)在滑动面上不存在法线方向形变的合理假设下通过解算独立方程组获得滑坡体沿坡向的形变和沿垂直坡向的形变。为验证模型算法的可靠性,本文开展了基于模拟真实滑动面形变速度场结合均方根误差评价法提取坡向形变速度场的模拟实验,包括模拟实验1和模拟实验2。模拟实验1结果表明,模型算法在解算坡向形变和垂直坡向形变时存在适用范围和不适用范围。在适用范围内,模型算法的解算误差与噪声水平大致呈线性增加的关系,当噪声水平达到10 mm·a-1时,解算误差仍小于50 mm·a-1。在不适用范围内,无论噪声大小,模型算法的解算误差均超过了100 mm·a-1,因此如果实际滑动面的几何形态位于不适用范围内,则解算结果是不可取的。模拟实验2结果表明,升降轨道构成的空间几何观测强度较弱,可以获得独立的二维LOS向观测值进行地表形变解算。为提取桃坪乡古滑坡沿坡向的形变信息,本文采用了覆盖研究区域的69幅Sentinel-1A卫星升轨影像和66幅Sentinel-1A卫星降轨影像,利用SABS-InSAR技术获得了升降轨的LOS向形变速度场。结果表明,升轨的形变速度在-111~19 mm·a-1间变化,降轨的形变速度在-84~27 mm·a-1间变化,升降轨LOS向形变速度场的时空分布存在较大的差异。因此,本文进一步利用模拟实验结果验证了提取桃坪乡古滑坡坡向形变的可靠性,并联合其升降轨LOS向形变速度场解算了桃坪乡古滑坡沿坡向和沿垂直坡向的形变速度场。结果表明,相比于LOS向形变速度场,重建的沿坡向和沿垂直坡向形变速度场更加清晰地揭露了滑坡体的主要位移模式和危险性较高的坡体区域。桃坪乡古滑坡沿坡向的形变速度在0~176.8 mm·a-1之间变化,沿垂直坡向形变速度在-70.1~46.5 mm·a-1之间变化,存在四个显著形变区域和两种主要的位移模式。
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