自古以來，無數(shù)文人騷客對三峽的險、奇、俊、秀進行了吟詠贊嘆?；氐缴?，則需面對一個嚴(yán)峻的現(xiàn)實：三峽庫區(qū)西起萬州東至宜昌，長約380千米，區(qū)內(nèi)山體眾多，地勢陡峭，溝谷河流縱橫，為滑坡的形成提供了良好的物理條件，造成了該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)。自三峽大壩建成之后，隨著庫水位的上升及地質(zhì)因素的影響，區(qū)域內(nèi)沿江分布的一些古滑坡被激活，誘發(fā)了一系列新的滑坡體。國內(nèi)外的統(tǒng)計資料顯示，滑坡造成的人員和財產(chǎn)損失僅次于地震，三峽庫區(qū)的這些新舊滑坡體給當(dāng)?shù)鼐用褚约敖ㄖO(shè)施帶來了巨大的安全隱患。

根據(jù)近年來自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局公布的報告顯示，已查明的滑坡及巖石崩塌點主要分布在長江主干及支流沿岸，其中滑坡總計6814處，占各類地質(zhì)災(zāi)害總和的85.97%，而三峽庫區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害尤其值得關(guān)注和警惕，它帶來的次生災(zāi)害威脅航道安全和三峽大壩的安全。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警成績的提升必然離不開科技創(chuàng)新的支撐，在監(jiān)測、預(yù)防自然災(zāi)害的道路上，技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用是永不止步的。

在三峽庫區(qū)遷建城鎮(zhèn)（市）地質(zhì)安全問題高精度遙感調(diào)查與監(jiān)測項目（2019年度）中，來自武漢大學(xué)的李陶教授參與了其中的巴東縣、巫山縣的InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達(dá)干涉）數(shù)據(jù)獲取及動態(tài)監(jiān)測研究工作。通過該項目，李陶對InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用進行了進一步研究。他認(rèn)為，InSAR技術(shù)應(yīng)用于形變監(jiān)測，尤其是滑坡監(jiān)測，前景廣闊。通過參與該項目，也給他此后對InSAR在地災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用研究提供了許多啟發(fā)，顯示了地災(zāi)監(jiān)測的更多可能性。

InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測應(yīng)用中的“三峽樣本”

三峽庫區(qū)是地災(zāi)頻發(fā)地，現(xiàn)在我國已經(jīng)建立了覆蓋全庫區(qū)的專業(yè)監(jiān)測預(yù)警和群測群防監(jiān)測預(yù)警體系，因為環(huán)境、地形復(fù)雜，三峽庫區(qū)的形變監(jiān)測還有許多值得深入研究的地方。李陶團隊收集了三峽庫區(qū)近年來的多源高分SAR衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對比分析了不同分辨率、不同雷達(dá)波段SAR影像在監(jiān)測時段內(nèi)的相干性問題及升降軌模式下不同的監(jiān)測效果；利用歐空局免費的哨兵雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域內(nèi)的降雨量、滑坡體坡度和坡向等因素，獲取滑坡體形變的演化過程；并與中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心合作開展InSAR以及GNSS技術(shù)用于滑坡演化過程的監(jiān)測與評估，對三峽庫區(qū)等植被覆蓋茂密、地形陡峭區(qū)域的監(jiān)測與治理具有重要的意義。

李陶教授（左二）團隊在三峽巴東黃土坡滑坡上安裝的新型二面角反射器，可以用雷達(dá)衛(wèi)星來跟蹤滑坡位移

記者：據(jù)了解，三峽庫區(qū)遷建城鎮(zhèn)（市）地質(zhì)安全問題高精度遙感調(diào)查與監(jiān)測項目主要由五部分組成，應(yīng)用InSAR技術(shù)監(jiān)測三峽庫區(qū)部分區(qū)域的形變是其中的重要組成部分。您是在怎樣的情形下參與到這個項目中來的？

李陶：長江勘測規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司（下簡稱“長勘院”，編者注）中標(biāo)該項目，其主要內(nèi)容是利用光學(xué)衛(wèi)星、無人機Lidar、雷達(dá)衛(wèi)星等遙感技術(shù)并結(jié)合地質(zhì)勘察，對2019年度三峽庫區(qū)的12個城鎮(zhèn)開展地質(zhì)調(diào)查和風(fēng)險評估。長勘院和武漢大學(xué)一直以來都有良好的合作關(guān)系，所以他們邀請我們參與InSAR技術(shù)在三峽庫區(qū)形變監(jiān)測應(yīng)用的相關(guān)研究工作。更為重要的是，8年前，我們就曾經(jīng)合作探索InSAR在大壩和滑坡形變監(jiān)測中的可行性。我們使用了當(dāng)時分辨率還較低的歐空局Envisat衛(wèi)星獲取了清江上游幾處滑坡的形變年速率，隨后我們還與德國地球科學(xué)研究中心（GFZ）的夏耶博士一同對瀾滄江上的糯扎渡黏土心墻壩進行考察，利用TerraSAR衛(wèi)星獲取了該壩體的干涉圖。雖然這個探索項目規(guī)模不大，而且研究結(jié)果的可靠性不高也不夠?qū)嵱?，但我們建立了良好默契的合作關(guān)系。

記者：和傳統(tǒng)的形變監(jiān)測方法相比，InSAR技術(shù)有何優(yōu)勢？

李陶：傳統(tǒng)監(jiān)測滑坡的方法主要有水準(zhǔn)測量、GNSS測量、導(dǎo)線測量（全站儀）及沉降儀觀測等。這些方法具有較高的精度和穩(wěn)定性，但容易受到實地監(jiān)測環(huán)境和天氣條件的制約，惡劣的環(huán)境中，施工人員很難到達(dá)，觀測成本較高，效率較低，不能有效地應(yīng)用于大范圍的形變監(jiān)測中。

星載InSAR技術(shù)的快速發(fā)展以其幾乎不受云霧等因素影響的優(yōu)勢，在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用被廣泛認(rèn)識和接受。隨著SAR衛(wèi)星朝著短重訪周期、高分辨率方向發(fā)展，中高分辨率SAR干涉技術(shù)將可以監(jiān)測到滑坡體短時間間隔內(nèi)的精確形變場，對形變場的完整性反映是其它點位監(jiān)測技術(shù)難以做到的，這在探測和監(jiān)測大范圍區(qū)域上具有明顯優(yōu)勢。在我國，InSAR技術(shù)已經(jīng)在地震監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測等領(lǐng)域有較成熟的應(yīng)用。國際上，InSAR技術(shù)應(yīng)用于形變的監(jiān)測有近三十年的歷史，隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，以及分辨率的進一步提高，它還有更多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域和研究的理論問題值得我們進一步探索。理論上，通過雷達(dá)衛(wèi)星進行形變監(jiān)測，精度能夠達(dá)到雷達(dá)波長的十分之一甚至更高，如果是x波段（波長3.1cm）雷達(dá)衛(wèi)星，則意味著能得到毫米級的監(jiān)測精度。

記者：能給我們介紹一下項目的基本情況么？

李陶：我們從2019年1月份開始參與項目的設(shè)計和規(guī)劃，到2019年12月份結(jié)束。在整個項目中，我們收集并采購了巴東縣、巫山縣的多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們對2019年這些地區(qū)中已知的一些大型的滑坡體進行監(jiān)測，最終，這些滑坡體滑動的邊界和我們的監(jiān)測成果具有較好的一致性。我們也分析了SAR影像在不同朝向、不同坡度、不同植被覆蓋情況下的形變監(jiān)測效果，結(jié)合滑坡的多種因素分析了滑坡體形變的趨勢等。

記者：在三峽庫區(qū)的項目中，主要有哪些創(chuàng)新性的工作？

李陶：2009年原國土資源部航空遙感物探中心與德國GFZ的夏耶博士在三峽樹坪、范家坪等地點安裝了三角反射器，并且用TerraSAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)捕獲了滑坡變形。在此次項目中，我們測試了新研制的人工二面角反射器。通常人工角反射器是一種金屬材質(zhì)的雷達(dá)信號反射裝置，它無需電源、通訊，主要是把雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)射的信號原路反射回衛(wèi)星天線，我們再通過衛(wèi)星影像分析人工角反射器目標(biāo)的位移變化。

我們設(shè)計的角反射器，支持升降軌雷達(dá)衛(wèi)星信號，這就意味著我們能從升降軌方向來監(jiān)測滑坡。以三峽的一些很陡峭的坡體形變?yōu)槔?，有可能衛(wèi)星在某一個方向上難以監(jiān)測到，但是在另一個方向上可以監(jiān)測，我們的角反射器支持兩個方向的監(jiān)測，那么形變監(jiān)測的效率就會提高。此前的SAR衛(wèi)星影像分辨率低，使用的三角反射器體積也非常大，現(xiàn)在，我們將它改進成二面角的，縮小了體積，它的安裝也更加靈活、方便。這是國內(nèi)外首次在形變監(jiān)測中使用二面角反射器，也是中德合作的重要研究內(nèi)容之一。

記者：三峽庫區(qū)項目的研究，對于我國三峽以外地區(qū)的形變監(jiān)測是否有借鑒意義？

李陶：有借鑒意義，我們總結(jié)了不同波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在三峽地區(qū)的形變監(jiān)測中的一些特點。在項目中，我們也得到一些啟發(fā)，比如在大部分植被覆蓋茂密的區(qū)域，當(dāng)時間超過三個月，我們就很難從SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取到形變信息。基于這樣的現(xiàn)實，我們在形變監(jiān)測區(qū)域選擇一些重要的點位設(shè)置人工角反射器，同時還要輔助一些其它的技術(shù)手段進行監(jiān)測。

InSAR技術(shù)在形變監(jiān)測應(yīng)用中前景廣闊

采訪中，李陶表示，隨著三峽庫區(qū)項目的結(jié)束，以此為契機，他與團隊的新研究早已開始。在參與三峽項目期間，李陶與中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心在巴東的實驗基地取得聯(lián)系，他們還聯(lián)合德國地球科學(xué)研究中心（GFZ），獲批了免費的德國宇航局高分辨率TerrasAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為科研數(shù)據(jù)，他們將對黃土坡的滑坡監(jiān)測進行持續(xù)研究，更加有針對性地解決InSAR技術(shù)在形變監(jiān)測的工程化應(yīng)用中存在的問題。

記者：您說到，三峽庫區(qū)的項目在您的研究中具有承上啟下的作用，在此基礎(chǔ)上，您現(xiàn)在進行的研究有哪些新的內(nèi)容？

李陶：我們想在接下來的中德合作研究中驗證，是否當(dāng)衛(wèi)星影像分辨率非常高的時候，角反射器的體積可以變得更小，使其具有更強的適應(yīng)性，進而改善現(xiàn)在的一些大型的監(jiān)測設(shè)備對安裝環(huán)境要求高的情況。同時我們也會對我們的一些想法進行進一步驗證。

在三峽的項目中，我們還有一些疑問，比如我們將角反射器安置在滑坡體上，理論上講，我們獲得數(shù)據(jù)應(yīng)該具有毫米級的精度，但是有些時候獲取的數(shù)據(jù)卻有5毫米以上的誤差，這也是我們一直在思考的問題。我們也有一些設(shè)想，比如新建的水泥觀測墩本身有一段將近幾個月的穩(wěn)定期，而我們觀測的數(shù)據(jù)剛好只有幾個月。三峽庫區(qū)的落差非常大，有些落差達(dá)幾百米，受到這幾百米的大氣折射的干擾，會出現(xiàn)幾個毫米的誤差。我們需要進一步把這些問題研究透，才能形成成熟、穩(wěn)定的技術(shù)，進而廣泛應(yīng)用。

記者：您為什么認(rèn)為InSAR技術(shù)在將來的形變監(jiān)測中具有非常廣闊的前景？想要更廣泛應(yīng)用，還需要做哪些工作？

李陶：在我國一些滑坡高發(fā)地域，人民群眾的生命財產(chǎn)安全受到威脅，因而滑坡等形變監(jiān)測工作確實是需要開展的。隨著我國衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，尤其最近北斗組網(wǎng)成功，讓我們也越來越有信心，我們的衛(wèi)星應(yīng)用水平與國外差距會越來越小，同時，一些業(yè)務(wù)也可以在全國推廣開來，我們所需要的雷達(dá)遙感監(jiān)測技術(shù)也可以被廣泛應(yīng)用。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，讓角反射器+GNSS融合的傳感器制作成本越來越低，它也就能成為普適性的應(yīng)用，而非僅僅應(yīng)用在科研中，進而保障一些居住在有地災(zāi)風(fēng)險區(qū)域的人們的生命財產(chǎn)安全。這些都是未來InSAR技術(shù)在形變監(jiān)測得到廣泛應(yīng)用的一些基礎(chǔ)定標(biāo)定位基準(zhǔn)。

還有一些具體的問題需要我們解決，在大范圍廣域普查中，我們的監(jiān)測不能僅僅依靠數(shù)量有限的人工角反射器，還是希望通過雷達(dá)影像獲取自然地物的反射信號就能提取到形變信息?，F(xiàn)在我們研究的人工角反射器的反射信號強度以及是否發(fā)生形變都是已知的，相當(dāng)于有了穩(wěn)定的基準(zhǔn)和參考點。利用這些已知的參考點，我們針對不同的自然地物的雷達(dá)散射特性進行觀測和時序分析，就可以搞清楚自然地物雷達(dá)散射特性以及相位穩(wěn)定性，從而為雷達(dá)干涉測量技術(shù)所獲取的形變監(jiān)測結(jié)果的精度評估、質(zhì)量分析等提供理論依據(jù)。

如果以上我們提出的問題解決了，我們也還有很多工作可以進行，比如我們?yōu)榈刭|(zhì)工作或者研究人員提供一個完整的形變監(jiān)測方案，在需要監(jiān)測的地方安裝角反射器，將測得的結(jié)果轉(zhuǎn)化到工程地質(zhì)所需要的坐標(biāo)體系中，對滑坡運動做全面分析。這項工作還有很多需要完善的地方，我們希望這項技術(shù)能夠真正在滑坡監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，而非僅僅是在科研項目中。

記者：InSAR技術(shù)在此后的形變監(jiān)測中得到應(yīng)用，是否還需要其它技術(shù)的配合呢？

李陶：肯定需要其它技術(shù)配合的。接下來，我們研究的方向和重點，就是實現(xiàn)GNSS和InSAR、數(shù)據(jù)處理在傳感器級別上的三者合一。這樣，我們就能把InSAR數(shù)據(jù)與GNSS數(shù)據(jù)進行深度融合，進而推算出被監(jiān)測地點的三維變化。因為滑坡是一個非常復(fù)雜的運動，我們可以和相關(guān)地質(zhì)專家合作，將滑坡運動機理及仿真建模與形變監(jiān)測結(jié)果相結(jié)合。這樣我們就能在遙感監(jiān)測結(jié)果和滑坡運動模型上進行一個很好的匹配，這也就意味著將來LiDAR的三維地形數(shù)據(jù)是不可少的，需要LiDAR技術(shù)的配合。

也正是因為滑坡的復(fù)雜性，我們不能說一個地方產(chǎn)生形變，就會有危險的結(jié)果。這也就意味著，為了技術(shù)更加成熟，應(yīng)用更加高效、精確，測繪需要和其它專業(yè)技術(shù)產(chǎn)生深度的融合。

“隨著我國SAR衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和越來越多SAR衛(wèi)星上天，InSAR技術(shù)在形變監(jiān)測中的應(yīng)用，是非常具有前景的，我們也希望越來越多的年輕人能夠投入到相關(guān)研究中來，為InSAR形變監(jiān)測應(yīng)用研究出力。”李陶說。