高位斜坡区是指位于高山峡谷的基岩斜坡，产生的主要地质灾害为岩质崩塌、泥石流和滑坡^[1]，潜在地质灾害受植被覆盖的影响，具有一定的隐蔽性，而且所处位置较高，在调查过程中地调人员无法到达而常被疏忽^{[2 − 3]}。使得传统的斜坡灾害地质调绘方法对该类灾害评价时，效率低下、获取信息不够全面、人力成本高、危险性大^{[4 − 7]}。

近年来，随着倾斜摄影技术和InSAR技术的发展，地质调查传统现场工作模式得到了极大的改进，有力推动了地质灾害调查研究和地质灾害的早期识别技术的发展^[8]。利用倾斜摄影技术的“多角度”“高分辨率”的探测优势，依据灾害体的微地貌、纹理、色彩、形状等解译标志可以识别出具体的灾害类型及空间分布特点，提高灾害调查效率和准确率，为地质灾害隐患排查提供支撑^{[9 − 12]}。同时，根据倾斜摄影“高精度”三维几何模型提取灾害体关键信息，能够为灾害评估提供数据支持^{[13 − 16]}。InSAR技术以相干波的相位差为依据实现对地表形变的中长期监测，具有多极化、监测精度高、覆盖范围广等特点。在理县黄泥坝滑坡^[17]、永靖县刘家峡段滑坡^[18]、茂县岷江段滑坡^[19]、舟曲县江顶崖滑坡^[20]以及中巴公路灾害^[21]早期识别中得到成功应用 。

然而，在实际工程应用中，倾斜摄影技术侧重于基于经验模式定性评价崩塌灾害的危险性，对于崩塌识别、危险性判定主要依据技术人员的经验，判定结果往往因人而异，很难产生客观的评价；InSAR技术虽然能够从危岩体的形变定量角度对灾害危险性进行评估，但对于高陡斜坡，受相位失相干和相位解缠等因素的影响，高植被覆盖和大梯度形变引起的干涉失相干会严重影响相位解缠的可靠性，降低监测精度^[22]。基于此，本文以白龙江流域九龙峡峡谷区高位斜坡崩塌灾害为例，提出倾斜摄影与InSAR技术相结合的手段，对公路沿线崩塌危岩进行风险评估。

1.   研究区概况

白龙江流域九龙峡峡谷区位于青藏高原东部边缘的岷山山脉与西秦岭山脉交汇处，峡谷两岸绝壁之间宽仅数十米，北岸属迭山山脉，南岸属岷山山脉（图1）。

图  1  研究区地形图

Figure  1.  Landform map of the study area

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研究区斜坡基岩裸露，主要以灰岩、板岩、千枚岩为主，受新构造运动的影响，山体剥蚀强烈，岩体破碎。坡面可见松散孤石，崩塌灾害问题频发，严重威胁G345公路的安全运行（图2）。

图  2  研究区灾害历史记录

Figure  2.  Historical records of disasters in the project area

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2.   主要方法体系

工作方法体系见图3，包含数据收集、崩塌信息提取、风险评价三部分。采用倾斜摄影的三维图谱与InSAR地表形变信息从形态和形变两方面进行灾害风险识别，判定斜坡崩塌隐患点位置、变形幅度、结构面等信息。根据风险评估判据，建立崩塌风险识别模型，实现高位崩塌风险评价。

图  3  高位崩塌风险识别工作方法体系

Figure  3.  Working method system for high collapse risk identification

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2.1   基于倾斜摄影的高位崩塌危险性定性分析

2.1.1   高位崩塌隐患识别指标

高位斜坡是否发生崩塌由地质构造、地形地貌、岩体结构等多种因素共同作用影响^[23]。倾斜摄影不仅能够高分辨率、高精度地展现地物纹理和空间几何信息，还可以生成地表三维模型^[24]，根据图像解译可获取斜坡构造、地形地貌、岩体结构、灾害分布等信息，为崩塌隐患识别提供决策依据。结合微地貌、岩体特征、历史迹象3大类指标以及其对应的11个特征指标，建立基于倾斜摄影的崩塌识别流程及关键指标体系，具体流程见图4。

图  4  崩塌识别指标体系

Figure  4.  Collapse identification index system

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微地貌特征是崩塌危岩体直观外在的表现形式，较大坡度能够为危岩启动崩塌提供动力，而孤立山咀、孤石、落石等分布地带通常是高位斜坡危岩体的发育地带。

高位斜坡失稳破坏受岩体结构面控制，结构面不利组合形成的欠稳定块体直接影响坡体的稳定^[25]。卸荷裂隙垂直切割岩体，通常形成拉裂缝，易产生倾倒崩塌破坏；外倾结构面是产生滑移崩塌破坏的基础；而碎裂或散列状岩体自稳能力较差，通常产生坠落或滚落破坏。

历史迹象是指历史上曾产生过崩塌破坏，可以从相关地名，比如“塌山”、“老虎咀”等具有崩塌意象的名称判别，也可以从养护资料或坡脚堆积体判别崩塌发生的规模和频率。

微地貌是危岩体直观的外在表现形式，岩体结构是判定岩体稳定性的必要条件，历史迹象是产生崩塌破坏的直接或间接考证。结合三者可判断高位斜坡是否具有产生崩塌的条件，进而通过11个特征指标对崩塌危岩体进行识别。

2.1.2   崩塌危险性定性评价

（1）岩体结构面信息提取

斜坡岩体的稳定性主要受结构面的控制，岩体结构面在空间上属于三维平面，通过倾斜摄影可以快速获得其高精度的三维坐标。采用最小二乘法确定结构面的平面方程，结合解析几何的基本方法和产状空间特征，可以精确计算出结构面的倾角和倾向^[26]。

岩体结构面方程表示为： $aX+bY+cZ=d$，其中（ $a,b,c$）为平面的法向向量。图5中P1、P2、P3代表结构面不在一条直线的三个点，α为倾角，β为倾向，θ为过O点的法向量与H轴夹角。根据岩体结构面产状与平面几何关系，可以得出平面法线向量与 $Z$轴的夹角等于结构面倾角。

图  5  结构面产状几何关系图

Figure  5.  Geometric relationship diagram of the structural plane occurrence

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其中，结构面倾角 $\alpha$取值在[0°, 90°]间，故倾角最终值取其绝对值。

平面法线向量在 $X-Y$平面投影与 $Y$轴（ $N$方向）的交角等于结构面倾向，即：

其中倾向 $\beta$取值在[0°, 360°]间，但反正切函数范围值为[−90°, 90°]间，与倾向 $\beta$取值区间不一致。通过 $a$、 $b$系数判断所处坐标系的象限，对倾向进行调整，即：

当 $b=0$时，倾向位于坐标轴向，若 $a<0$，则 $\beta =$ 90°，若 $a>0$，则 $\beta =$ 270°，若 $a=0$，则表示为水平地层；

当 $a<0$并且 $b<0$时，属于第一象限，即 $\beta =\beta$；

当 $a<0$并且 $b>0$时，属于第二象限，即 $\beta =180\text{°}+\beta$；

当 $a⩾0$并且 $b>0$时，属于第三象限，即 $\beta =180\text{°}+\beta$；

其他情况，则属于第四象限，即 $\beta =360\text{°}+\beta$。

通过以上原理，利用倾斜摄影三维几何特征获取岩体结构面上3个不同点的坐标便可确定结构面方程，根据式（1）（2）可计算出岩体结构面的倾角和倾向。

（2）危险性定性评价

赤平投影分析是岩质斜坡稳定性评价的一种定性分析方法，目前在工程界广泛的应用^{[27 − 28]}。其目的是将结构面三维空间问题转化为平面问题,可简洁、直观地展现不同结构面空间组合关系、组合块体与坡向关系来研究斜坡的稳定性。

一般赤平投影分析结果可分为稳定、基本稳定、不稳定3个等级，其与边坡稳定状态划分不一致。龙海涛^[29]提出将赤平投影分析结果由原来的3级划分为4级（不稳定、欠稳定、基本稳定和稳定），同时参考了《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）^[30]结构面（交割线）的倾角<27°时可判定边坡稳定的指标。改进后的赤平投影评价指标见表1，可通过岩体边坡稳定性来间接定性评价崩塌危岩体的危险性。

表  1  边坡稳定性分级评价表

Table  1.  Slope stability classification and evaluation index

稳定性分级	评 价 指 标
稳定	结构面倾角或交棱倾角≤15° 结构面倾角或交棱倾角≥边坡角 结构面倾向或交棱倾向与坡向夹角≥60°
基本稳定	结构面倾向或交棱倾向与坡向夹角<45°， 15°≤结构面倾角或交棱倾角<25°
	45°<结构面倾向或交棱倾向与坡向夹角≤60°， 15°≤结构面倾角或交棱倾角<边坡角
欠稳定	结构面倾向或交棱倾向与坡向夹角<25°， 25°≤结构面倾角或交棱倾角<40°
	25°<结构面倾向或交棱倾向与坡向夹角≤45°， 25°≤结构面倾角或交棱倾角<边坡角
不稳定	结构面倾向或交棱倾向与坡向夹角≤25°， 40°≤结构面倾角或交棱倾角<边坡角

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2.2   基于SBAS-InSAR技术的高位崩塌危险性定量分析

采用C波段Sentinel-1A雷达数据和SBAS-InSAR时序技术开展高位斜坡地表形变监测，提取崩塌危岩区形变空间分布特征，可作为危险性定量评价的依据。

SBAS-InSAR时序方法是基于较短时空基线的影像对进行干涉、多视处理形成高相干的干涉图,有效降低了相位噪声,获得高相干像元，应用奇异值分解求得多个小基线集合，得到整个时间段的变形序列。同时SBAS-InSAR技术减少了处理中的去相关、高程、大气误差的影响，得到整个变形的时间序列，缩短了地表形变监测的观测周期，能够获取长时间缓慢地表形变的演变规律^[31]。因此，SBAS-InSAR技术采用小基线克服了时间和空间上的失相干的影响，可通过少量的SAR数据来获取较可靠的监测结果，更适合于山区的地表形变监测。

2.3   崩塌灾害风险评估模型

2.3.1   地质灾害风险评估原理

地质灾害风险是空间尺度地质灾害发生的可能性、概率以及并导致对承灾体造成损失水平的可能性^[32]，具有自然和社会属性。其定量评价模型表达如下：

式中：R——地质灾害风险值，指地质灾害对承灾体造 成的危害或损失；

S——地质灾害的易发性值，指的是空间尺度发 生灾害的可能性大小；

P——诱发因素作用下发生地质灾害的概率；

V——对承灾体损坏程度。

乘积 $S\cdot P$为地质灾害危险性值H，指的是空间和时间尺度地质灾害发生的概率。

2.3.2   崩塌风险评估模型

地质灾害风险是灾害的危险性与承灾体面临损失的综合性质。对于承灾体为公路时，其风险主要由灾害危险性决定，可见公路灾害风险评估的前提是准确的地质灾害危险性评价。

（1）崩塌危险性评价

工程上多采用赤平投影原理评价分析基岩斜坡区危岩块体的危险性。该方法的块体总体表现为整体性滑移破坏，不考虑块体倾倒、坠落等变形破坏形式，不适用于多个滑面（大于2个滑面）的块体以及因高应力、岩性较软、应力变化引起的稳定性分析问题^[33]。另外块体稳定性不仅和交棱倾角有关，还受块体形态特征、结构面抗剪强度、失稳模式（单面滑动或双面滑动）等影响。故赤平投影分析是一种概率性的假定，并不能反映实际坡体危险性状况。

高位斜坡高差大，坡度陡，受限于SAR卫星固有的侧视成像特点，在侧视成像过程中地形起伏会使得雷达影像中产生叠掩和阴影现象^{[34 − 36]}，直接影响InSAR技术在后续处理过程中的相位解缠，降低监测精度，进而可能造成对危岩危险性评价的误判。

因此，采用赤平投影定性分析与InSAR监测定量分析相结合方法评价崩塌危岩体的危险性，可以最大程度弥补彼此分析方法的不足，提高危险性评价的准确性。

（2）崩塌风险性评估模型

危险性等级可定性划分为不稳定、欠稳定、基本稳定、稳定四类，按照对等原则，InSAR技术获取的变形值大小划分为四类，见表2。变形值小于20 mm为噪声影响区，坡体处于稳定状态，划分等级为第四级，其余等级以50 mm、90 mm为界限划分为三至一级，分别对应基本稳定、欠稳定、不稳定。危险性等级从高到低设定发生概率区间，分值的大小与危岩体直径大小、高度、地形等有关，直径小、高度小、坡度小，则取小值，调整幅度为0～10分。权重R按照危岩体对承灾体危害程度判断，直接危害取1.0，间接危害取0.5，无危害取0。结合表2、式（4）与表3建立崩塌风险评估模型，风险等级分为低风险、中风险、高风险。

表  2  崩塌危岩体风险评价指标

Table  2.  Risk assessment index of collapse dangerous rock mass

一级指标	二级指标	等级划分	分值	权重（R）	评分
稳定性评价	见表1	不稳定	40~50	0~1	K1
		欠稳定	30~40	0~1	K2
		基本稳定	20~30	0~1	K3
		稳定	10~20	0~1	K4
InSAR 变形等级	>90 mm	一级	40~50	0~1	S1
	90～50 mm	二级	30~40	0~1	S2
	50～20 mm	三级	20~30	0~1	S3
	<20 mm	四级	10~20	0~1	S4

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表  3  崩塌危岩风险判据

Table  3.  Criteria for risk identification of dangerous rock collapse

评判值	<50	50～75	>75
级别	低风险	中风险	高风险
注：该评判标准与发生概率相对应。

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判据规则：

式中：T——风险评判值；

K_i——第i级稳定性等级评分；

S_i——第j级InSAR变形等级评分；

R——危岩体对承灾体危害程度。

3.   案例分析

3.1   数据源

（1）倾斜摄影数据源

研究区面积约7 km²，测量基准采用国家2000坐标系统，1985国家高程基准。经过数据采集、空三解算、模型生成等几个关键步骤生成三维模型，精度达到厘米级，满足地质灾害风险识别提取的精度要求，见图6。

图  6  研究区倾斜摄影图

Figure  6.  Oblique photograph of the study area

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（2）InSAR数据源

SBAS-InSAR处理方法所涉及的数据源主要为卫星SAR影像和DEM高程数据。

采用19景Sentinel-1A卫星SAR影像，该卫星搭载C波段SAR传感器，波长5.6 cm，幅宽250 km，空间分辨率为5 m×20 m，时间跨度为2020年1月至2022年6月，见图7。高程数据采用SRTM 30米分辨率DEM数据。

图  7  时空基线图

Figure  7.  Space-time baseline diagram

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3.2   高位崩塌灾害识别

依据崩塌识别指标体系，结合专家解译获得研究区崩塌危岩体分布特征、岩体的结构面信息和空间几何信息，见图8、图9。研究区崩塌危岩体共22处，分布高度在37～640 m（表4）。其中岩质崩塌体18处，占82%，直接威胁公路安全12处，岩性为灰岩、板岩，具外倾结构面或卸荷裂隙，历史上多次产生崩塌灾害；6处位于坡面泥石流流域范围，多转换为泥石流物源，岩性为板岩、千枚岩为主，对公路不产生直接危害。土质崩塌4处，占18%，其中3处位于坡脚斜坡段，地层为碎块石土，多滑塌破坏，历史上曾多次掩埋公路；1处属于高阶地卵石，主要以风化剥落为主。

图  8  研究区崩塌危岩解译图

Figure  8.  Interpretation map of collapse dangerous rocks in the study area

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图  9  研究区典型危岩解译图

Figure  9.  Interpretation map of the typical dangerous rocks in the study area

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表  4  崩塌识别解译表

Table  4.  Interpretation for collapse recognition

代表区域	崩塌类型	岩性	坡体结构	岩体特征	结构面发育情况	距离路面高度/m	是否直接威胁公路
W1、W17、W18、W19	土质	碎块石土	土质、类土质坡体结构	石夹土状		160、70、39、45	是
W2、W3、W4、W9、 W13、W15	岩质	灰岩夹板岩	层状斜向结构	薄-中厚层状	具外倾结构面、 卸荷裂隙发育	80、110、37、 161、76、45	是
W12、W20、W21、W22	岩质	灰岩	碎裂结构	碎裂镶嵌结构状	构造裂隙密集	165、160、175、195	是
W7、W8	岩质	灰岩	层状斜向结构	薄-中厚层状	底部悬空	165、235	是
W5	岩质	千枚岩、板岩	碎裂结构	碎裂镶嵌结构状	构造风化裂隙密集	197	否
W6、W10	岩质	千枚岩、板岩	反倾-斜向结构	薄层状、板状	风化裂隙发育	310、640	否
W11、W14、W16	岩质	灰岩	层状斜向结构	薄-中厚层状	具外倾结构面、卸荷裂隙发育	345、235、345	否

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3.3   危岩体结构信息提取

通过倾斜摄影采集危岩体结构面三维坐标，利用式（1）（2）构建结构面方程进行产状信息提取（见图10）。共采集40组结构面，图11表示结构面的走向玫瑰图和等密度图。

图  10  W4崩塌体结构面全局-细节图

Figure  10.  Global-detailed view of the structural surface of the W4 collapse body

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图  11  危岩体节理裂隙统计图

Figure  11.  Statistics of joints and fissures of dangerous rock mass

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从统计分析中可以看出，结构面倾角较陡，其中50°～90°占90.3%，这些结构面中具有走向为NEE和NNW的两组优势结构面。岩体受X共轭节理控制，多被切割成块状或碎裂状，在重力、降雨以及地震等因素作用下极易产生崩塌破坏。

由此可见，倾斜摄影能够快速识别高位崩塌及其岩体大型优势结构面信息。随着倾斜摄影的精度提高，对岩体裂隙、节理以及胶结物能够达到初步判识，提高岩体结构面识别的准确性、快速性以及安全性，为崩塌稳定性评价提供数据支持。

3.4   高位斜坡崩塌风险识别

3.4.1   斜坡危岩危险性定性评价

岩体结构面及其抗剪强度是控制岩质崩塌破坏的关键因素。对研究区公路有直接威胁的危岩体岩性为灰岩、板岩，结构面类型为硬性结构面，多张开，少填充，结合程度差。通常结构面的抗剪强度参数需根据现场原位试验确定，但实施困难，不易操作，依据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）^[36]确定结构面综合摩擦角为25°。为此，以研究区崩塌危岩体为评价对象，根据岩体结构面参数和坡度信息，采用表1赤平投影分析方法，对危岩体进行稳定性评估，为危险性定性评价提供依据（表5、图12）。

表  5  边坡优势结构面信息及破坏评价（W4、W7为例）

Table  5.  Slope dominant structural plane information and damage evaluation (W4 and W7 as examples)

代表区域	结构面编号	产状	形态	填充 特性	间距/cm	张开度/mm	稳定性评价	失稳模式
W4	P0	187°∠55°					不稳定	滑移
	S0	69°∠74°	平直	钙泥质胶结	100
	J1	168°∠48°	平直	岩屑断续填充	100	3
	J2	333°∠77°	平直	岩屑断续填充	150	5
W7	P0	170°∠53°					稳定	坠落式
	S0	30°∠49°	平直	钙泥质胶结	130
	J1	180°∠62°	平直	岩屑断续填充	50	2
	J2	300°∠53	平直	岩屑断续填充	50	2
注：P为坡面，S为岩层层面，J为岩体节理。

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图  12  崩塌体稳定性分析图

Figure  12.  Analyses of the stability of the collapsed body

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3.4.2   斜坡危岩危险性定量评价

首先采用SBAS-InSAR方法反演研究区斜坡形变，然后依据表2中变形等级划分规则对形变进行量级分区，最后叠加在遥感影像上形成形变分布图（图13），为斜坡危岩体危险性定量评价提供依据。图中不同色块可以直观反映斜坡空间形变特征，其中负值代表远离卫星LOS向的位移，图形中显示为红色；正值代表地物变形靠近卫星LOS向的位移，图中显示为蓝色。研究区最大变形量为−120 mm，位于南侧突出山咀处，其时间序列形变见图14。InSAR形变分析结果表明，研究区东侧斜坡、西侧坡脚、南侧突出山咀变形较为强烈，变形等级以一、二级为主，灾害危险等级较高，威胁沿江公路的安全。

图  13  研究区斜坡定量化形变图

Figure  13.  Deformation map of slopes in the study area

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图  14  最大变形点时间序列

Figure  14.  Time series of the maximum deformation point

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3.4.3   研究区崩塌灾害风险评估结果

结合崩塌危岩体的空间分布特征、危险性等级及其对公路的影响条件，利用2.3.2节建立的崩塌灾害风险评估模型，对研究区危岩体进行风险评估（表6），形成崩塌风险等级评价图（图15）。通过分析计算得出：研究区高风险危岩体7处，占32%；中风险11处，占50%，低风险4处，占18%。高风险危岩主要集中于南侧突出山咀、东侧斜坡以及西侧坡脚地带，风险等级区域及位置与公路灾害养护历史资料相吻合，证明该方法的有效性。南侧突出的山咀段受断层影响，岩体破碎，坡面浮石发育，发生高位崩塌风险高，急需防治，建议采用棚洞通过。东侧斜坡发育高风险危岩，斜坡坡度较陡，施工困难，不宜采用主动防护措施。西侧斜坡坡脚分布大量土质滑塌体，以浅层蠕滑破坏为主，雨季易造成交通中断，建议采取抗滑支挡措施。

表  6  危岩风险等级评价表

Table  6.  Risk level evaluation of dangerous rocks

编号	稳定性评价	稳定性得分	变形等级	变形得分	威胁对象	权重	总分	风险等级
W1	不稳定	40	二级	30	公路	1	70	中风险
W2	不稳定	45	二级	35	公路	1	80	高风险
W3	欠稳定	35	一级	40	公路	1	75	中风险
W4	不稳定	50	四级	15	公路	1	65	中风险
W5	不稳定	45	二级	35	公路	1	80	高风险
W6	不稳定	45	二级	30	公路	1	75	中风险
W7	稳定	20	三级	30	公路	1	50	中风险
W8	稳定	20	三级	30	公路	1	50	中风险
W9	不稳定	50	三级	25	公路	1	75	中风险
W10	欠稳定	30	三级	20	沟谷	0.5	25	低风险
W11	欠稳定	30	三级	25	沟谷	0.5	27.5	低风险
W12	不稳定	50	二级	30	公路	1	80	高风险
W13	不稳定	50	一级	45	公路	1	95	高风险
W14	欠稳定	30	二级	30	沟谷	0.5	30	低风险
W15	不稳定	40	二级	30	公路	1	70	中风险
W16	欠稳定	35	三级	25	沟谷	0.5	30	低风险
W17	不稳定	40	二级	35	公路	1	75	中风险
W18	不稳定	40	二级	35	公路	1	75	中风险
W19	不稳定	40	一级	45	公路	1	85	高风险
W20	不稳定	45	二级	35	公路	1	80	高风险
W21	不稳定	50	三级	30	公路	1	80	高风险
W22	不稳定	50	三级	25	公路	1	75	中风险

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图  15  研究区崩塌风险等级评价图

Figure  15.  Assessment map of collapse risk grade in the study area

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4.   结论及建议

（1）根据研究区倾斜摄影资料解译发现崩塌22处，分布高度在37～640 m之间。其中岩质崩塌体18处，占82%，土质崩塌4处，占18%。

（2）根据结构面信息提取技术在研究区共获取危岩体结构面信息40组，其中倾角为50°～90°的结构面占90.3%，这些结构面中具有走向为NEE和NNW的两组优势结构面。

（3）InSAR监测结果表明，2020年1月至2022年6月，研究区斜坡最大累积变形量为120mm。研究区东侧斜坡、西侧坡脚、南侧突出山咀变形较为强烈，变形等级以一、二级为主，灾害危险等级较高。

（4）结合崩塌危岩体的空间分布特征、危险性等级及其对公路的影响条件，采用崩塌灾害风险评估模型获得研究区崩塌风险等级评价图。结果表明：研究区危岩体处于高风险有7处，占32%，中风险11处，占50%，低风险4处，占18%。高风险危岩主要集中于南侧突出山咀、东侧斜坡以及西侧坡脚地带，与公路灾害养护历史资料相吻合，证明了本文模型的合理性。

通过以上研究可以看出，充分利用倾斜摄影的三维图谱信息与InSAR形变信息从形态和形变两方面能够快速对高位崩塌进行风险识别，后续可通过激光多普勒测振等遥感监测技术对这些高风险岩体进行重点监测，进而实现山区地质灾害早期预警预防。