标题
Title
期刊: Journal of Geophysical Research: Earth Surface
作者：Wanji Zheng, Jun Hu, Zhong Lu, Xie Hu, Qian Sun, Jihong Liu, Bo Huang
年份：2024
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摘要
近年来，合成孔径雷达干涉测量（InSAR）因其高分辨率、高精度和广泛的覆盖范围而被广泛用于缓慢移动的滑坡监测。通过整合来自不同轨道/平台和监测源的数据，可以探索一维（1-D）视线（LOS）InSAR测量以推断三维（3-D）运动。然而，不同轨道和监测源之间观测时间的不一致给准确捕捉随时间变化的动态三维运动（称为四维运动）带来了挑战。在这项研究中，我们提出了一种新颖的方法，称为 KFI-4D，它将时空约束纳入传统的卡尔曼滤波器中。这种改进将四维运动获取的欠定问题转化为动态参数估计问题，从而能够精确监测滑坡运动。KFI-4D 方法使用合成数据集和来自胡斯坎纳登滑坡的真实数据进行了评估，与传统方法相比，均方根误差（RMSE）提高了 50%以上。此外，InSAR 衍生的四维运动的高分辨率特性允许分析应变不变量，为块体相互作用和滑坡动力学提供见解。我们的研究结果表明，应变不变量有效地指示了滑坡块体和滑动面的分布和活动以及它们对触发因素的响应。值得注意的是，在胡斯坎纳登灾难性事件发生之前在应变不变量中识别出的异常信号表明了滑坡预警的潜力。未来整合来自先进卫星（如 NISAR、ALOS4 PALSAR3 和 Sentinel-1C）的数据有望进一步增强 KFI-4D 方法的能力，提高滑坡监测的时间分辨率和预警潜力。
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图表
图 1. 胡斯坎纳登滑坡概述。(a) 由激光雷达数字高程模型生成的晕渲图，右下角的粉色星标标记了滑坡的地理位置。(b) 滑坡的详细晕渲图，根据帕克（1979 年）的进展报告描绘了内部陡崖（IS）。(c) 谷歌地球图像捕捉到的滑坡区域。(d 和 e) 描绘 2019 年 2 月滑坡事件的照片（许等人，2020 年）。
图 2。本研究中采用方法的示意图概述。
图 3.使用 KFI - 4D 方法（橙色柱）和基于 Tikhonov 正则化的方法（蓝色柱）获得的四维运动结果差异的对比直方图，涵盖三个方向：（a）东向、（b）北向和（c）垂直方向。
图 4. 胡斯卡纳登滑坡的四维运动。(a)平均三维运动速率矢量，箭头指示运动方向。背景显示由激光雷达数字高程模型生成的晕渲地形图。(b)-(d)分别表示东、北和垂直分量的三维运动速率。(e-g)显示了 2016 年 7 月 15 日至 2019 年 2 月 18 日期间 P1-P3 点的时间序列三维运动，与(a)中相同颜色的三角形用于说明其位置。蓝线表示从距离 12 公里的气象站（红色土丘）获得的日降水量记录。
图 6.基于 KFI-4D 方法在不同滑坡坡向和相干性条件下使用不同 InSAR 观测配置获得的四维运动均方根误差。X 轴表示在原始坡向中增加的坡向，Y 轴表示相干性。
图 7. 由运动速率得出的应变不变场。图（a）和（e）分别显示了在激光雷达数字高程模型生成的晕渲图上绘制的膨胀率场和最大剪应变率场。黑色和绿色虚线分别表示从胡斯卡纳登滑坡进度报告（Parker，1979）中提取的剖面和内部陡崖的位置。图（b）和（f）分别给出了沿剖面 A - A'的膨胀率和最大剪应变率，其高程和推断的底面信息来自进度报告（Parker，1979）。图（c）和（g）分别展示了由时间序列运动得出的瞬态膨胀率场和最大剪应变率场。图（d）和（h）分别显示了沿剖面 A - A'的时间序列瞬态膨胀率和最大剪应变率。应变不变场都是无量纲的。
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结论
利用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）获得的四维运动作为一种高分辨率且直观的产品来监测滑坡，极大地促进了我们在该领域的理解和研究进展。在这项研究中，我们通过增强卡尔曼滤波器的状态转移方程和状态更新方程，并结合时空约束，提出了 KFI-4D 方法。该方法有效地解决了获取四维运动时的欠定问题，并拓宽了 InSAR 技术获取四维运动的应用范围。合成数据集和胡斯坎纳登滑坡的实际应用结果表明，KFI-4D 方法在获取四维运动过程中成功减轻了 InSAR 观测误差的影响。与传统的基于蒂霍诺夫正则化的方法相比，KFI-4D 方法在均方根误差方面显示出超过 50%的显著提高。此外，KFI-4D 方法在计算过程中动态估计参数，使得能够结合来自其他轨道的合成孔径雷达观测，以补充连续的滑坡监测任务并提高时间分辨率。关于在 KFI-4D 方法实施中使用地形作为约束的潜在局限性，我们使用合成数据集评估了地形对估计的四维运动的影响。我们的研究结果表明，当通过上升和下降轨道数据获取四维运动时，当坡向达到 0°或 180°时，运动的东向和北向分量无法产生可靠的结果。然而，当使用左视数据检查坡向对获取四维运动的影响时，我们发现当引入相干性大于 0.3 的左视数据时，KFI-4D 方法有效地克服了坡向的影响并获得可靠的四维运动。考虑到 NISAR 卫星即将采用左视模式，KFI-4D 方法的未来应用和监测性能具有很大的进一步提升潜力。
通过使用 KFI-4D 方法和来自上升和下降轨道的 Sentinel-1A/B 数据，我们成功地获得了胡斯坎纳登滑坡从 2016 年 7 月到 2019 年 2 月灾难性事件的四维运动。我们的研究结果突出了滑坡不同部分对降雨的响应变化。利用高分辨率的四维运动数据，我们推断出滑坡的应变不变量动态：（a）可以评估块体和滑动面的分布和活动；（b）可以评估不同块体的运动学是由自主滑动面还是共同基底面控制；（c）可以评估各种块体对触发因素的敏感性，异常应变不变量信号可能在潜在灾难性事件发生前作为滑坡预警的重要指标。未来的卫星，如 NISAR、ALOS4 PALSAR3 和 Sentinel-1C，有望为滑坡动力学研究提供额外的 InSAR 观测。基于这些进展实施 KFI-4D 方法可以进一步提高基于 InSAR 的滑坡监测的时间分辨率。因此，这一进展有可能在灾难性事件发生之前识别应变不变量中的异常信号，从而促进滑坡预警工作。
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参考文献
