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0 引言
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石窟寺是佛教建筑中最古老的形式之一，是研究古代社会政治、经济、文化、宗教、建筑等方面的重要资料[1]。石窟寺依托山体开凿，受其所在区域的地质条件、构造运动和人类活动影响。一旦所在区域的稳定性发生改变，就会影响石窟寺的稳定性，严重时甚至导致毁灭性破坏。因此，对石窟寺区域稳定性监测是必要的。目前常用的监测方法主要有：利用全站仪、水准仪等高精度光学仪器和光电测量仪器的大地测量法[2]、利用全球导航卫星系统的GNSS技术[3]、利用无人机获取多时态影像数据的遥感技术[4]等。但传统方法常常受限于外业量大、监测周期长、监测成本高、测量精度、地形条件限制等因素影响，在石窟寺区域稳定性监测领域应用效果较差[5-6]，本研究采用成本低、空间连续性好、持续性好，并具有可回溯性的InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术，对其区域稳定性进行监测。
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InSAR技术是近30年来发展兴起、用于解决区域地表变形监测的新技术，现已经在多个领域中广泛应用。如1993年法国科学家Massonnet等将地形信息与地震前后获取的SAR图像相结合，构建干涉图，得到地震后地表形变数据[7]；1996年法国科学家F Bénédicte等首次将D-InSAR（Differential InSAR，D-InSAR）技术应用于滑坡监测领域[8]；1999年Wegmiiller U等将InSAR技术应用于城市地区土地沉降的测绘中[9]；2007年Muskett R R等利用InSAR技术对美国阿拉斯加冰河湾tidewater glaciers的移动进行监测[10]；2013年Ji L等利用PS-InSAR（Permanent ScatterersIn SAR，PS-InSAR）技术获取长白山天池火山的变形时间序列，分析得出长白山天池火山近年来异常活动明显的结论[11]；2017年杨潇潇等利用TCP-InSAR（Temporarily Coherent Points InSAR，TCP-InSAR）技术对三峡大坝形变进行监测研究[12]；2018年Yufeng，Zhu等利用SBAS-InSAR（Small Base line Subset InSAR，SBAS-InSAR）技术对江西省丰城某矿区进行地表沉降监测[13]。但是，InSAR技术应用在文物保护领域的研究与应用非常少。本研究利用SBAS-InSAR技术获取庆阳北石窟寺区域的地表形变信息，并加以分析，验证InSAR技术在石窟寺区域稳定性监测的可行性。
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1 研究区现状
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北石窟寺位于甘肃省庆阳市西峰区董志乡寺沟川村的覆钟山下（如图1所示），蒲、茹两河交汇形成的二级阶地上，蒲河自北向南，与北石窟寺相距约300 m，茹河自西向东，在北石窟寺西南方向约800 m汇入蒲河，该地区属于鄂尔多斯盆地的一部分。
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图1 北石窟寺立面图
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Fig.1 Elevation of North Grotto Temple
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北石窟寺所在的覆钟山，基岩为白垩系砂岩，上覆黄土，是由董志黄土塬受蒲、茹两河及沟壑切割而成的小山。其山体风化特征明显，北石窟寺上方存在一个小型古滑坡，目前已基本稳定，未发现有活动迹象，山体局部裂缝的存在，严重威胁了北石窟寺的稳定。
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石窟开凿于覆钟山脚下的直立崖面，崖体中发育有大量的裂隙，这些裂隙的存在为水分在崖体及其表面的运移提供了通道，导致北石窟寺砂岩表层风化病害严重发育，使得北石窟寺的造像及壁画等文物本体遭受严重的损坏（图2）。尤其构造裂隙的发育，使北石窟寺的保护受到严重的挑战[14-16]。
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图2 北石窟寺内造像和壁画遭受损坏
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Fig.2 Damaged statues and murals in North Grotto Temple
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2 数据与方法
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2.1 试验数据
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实验数据选择覆盖北石窟寺区域的Sentinel-1A卫星IW模式下极化方式为VV的15景降轨（卫星沿轨道由北向南飞行）SLC（Single Look Complex，SLC）数据进行研究（如表1所示），其空间分辨率为5 m×20 m，时间跨度为2019．01．23~2019．12．25，时间间隔为24 d，并利用空间分辨率为30 m的SRTM（shuttle radar topography mission，SRTM）DEM（digital elevation model，DEM）数据用于去除地形相位，利用POD精密轨道数据去除平地相位。
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2.2 试验方法
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在地表形变监测中D-InSAR技术被广泛应用，但对于长时间缓慢变形，由于空间失相干、时间失相干和大气延迟的影响，其监测精度受到限制。1999年，Ferretti等提出了PSI方法，该方法利用人工建筑、裸露岩石等长时间仍能保持相干性的地物，进行时序分析，减弱了时空失相干和大气延迟的影像，提高了区域地表形变监测的精度[17]。但由于北石窟寺区域植被覆盖，人工建筑物分布密度低等因素的影响，PS目标点选取受到了很大的限制。2002年，Berarrlino P等提出了小基线集干涉测量（SBAS-InSAR）技术[18]。SBAS-InSAR技术通过设置较短的时间基线和空间基线的阈值，得到多个主影像组成的干涉对，利用POD精密轨道数据去除平地相位，SRTM数字高程数据消除地形相位，并采用Goldstein滤波法进行滤波提高信噪比。采用基于目标相干性的相干系数阈值法对点目标进行提取，并建立方程，联合最小二乘法和奇异值分解法进行求解，从而获得高精度的长时序地表形变信息，弥补了PS-InSAR在山区地表形变监测的不足[19-21]。因此，本研究采用更加适合北石窟寺区域的小基线集干涉测量（SBAS-InSAR）方法。
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3 结果与讨论
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3.1 研究区形变速率
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本研究利用SBAS-InSAR技术对覆盖北石窟寺区域的15景sentinel-1A数据进行处理，得到研究区雷达视线（line of sight，LOS）方向形变速率（图3）。图中形变速率负值表示沉降，正值表示抬升。显示庆阳北石窟寺区域整体形变速率较小，形变速率集中在-15.6~5.1 mm/a，但空间差异性较大，相变速率大的区域大体沿着蒲河、茹河分布，在蒲茹两河交汇处其变形尤其大，最大形变速率达-15.6 mm/a。北石窟寺所依附的覆钟山形变速率较小，在-1.8~-8.7 mm/a之间，且呈现西南侧山体（北石窟寺开凿一侧）形变速率较大，其他侧山体形变速率较小的规律。
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图3 Kriging插值法得到的LOS方向形变速率
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Fig.3 LOS direction deformation rate obtained by the Kriging interpolation method
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北石窟寺按赋存环境区域划分属于甘肃陇东区庆阳小区，其环境特征为区域内黄土地貌极为发育，受降水剥蚀、河流切割，塬高谷深，沟壑纵横，分布有大小不等的塬、梁、峁、崾岘与坪、川等多阶状地貌，石窟开凿于塬边沟壑之地的砂岩陡壁之上，其为中生代白垩系底层，强度适中，利于石雕造像，但由于气候较为潮湿，风化问题严重。构造上，庆阳地区属于鄂尔多斯盆地西南部，基底较为稳定，活动性弱[22]。
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由上述北石窟寺区域形变速率及其赋存环境可以推测出，北石窟寺赋存的覆钟山整体稳定，存在微小形变，但不存在潜在滑坡蠕动变形特征。其形变产生的主要原因推测为土壤侵蚀，北石窟寺属于黄土高原东南部温带大陆性半湿润季风气候区，根据其形变沿河分布的特征，可以看出该区域侵蚀方式主要为水力侵蚀，风力侵蚀为次要方式。在现场调查中能够观察到明显的风化特征，局部有节理裂隙出露，且结果显示北石窟寺上方形变速率较大，是造成崖体出现大量裂隙，导致北石窟寺的造像及壁画等文物本体遭受损坏的原因之一，建议在今后的保护研究中采取持续的地表形变监测措施。
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3.2 研究区累计形变
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为了更直观地分析北石窟寺区域地面形变变化趋势及规律，以2019年1月23日为第一时相，设其位移量为0，绘制其后每个时相相对于第一时相的形变量，即累计位移量，得到近年来研究区时间序列形变结果（图4）。图中形变值负值表示沉降，正值表示抬升，该图与图3所示区域范围大小、位置均一致。
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图4 北石窟寺区域时序形变结果
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Fig.4 Time-series deformation results in North Grotto Temple area
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由图4可知，蒲茹两河交汇处率先开始产生形变，形变值随着时间逐渐变大，形变面积随着时间不断扩张，对北石窟寺区域稳定性产生了一定的影响。
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选取5个典型点（图3）绘制地表的时序累计形变量图（图5）。图中形变量负值表示沉降，正值表示抬升。
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图5 典型点时序累计形变量图
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Fig.5 Diagram of cumulative deformation values of typical points
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从图5可以看出，该区域在1、2月份基本无形变发生，3~8月份为造成形变主要月份，且靠近河流处产生形变较大，远离河流处产生形变较小，9~12月份基本稳定。
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可以得出结论，研究区形变结果季节性变化的规律。土壤侵蚀同样呈现出随季节变化的规律性，其主要原因为气候的季节变化造成土壤侵蚀的外营力如水力、风力、冻融和动物活动的变化。在春季2~4月份随着气温上升，冬季冻结的土壤表层首先融化，而下部仍然冻结，形成隔水层，上部被水浸润的土体成流塑状态，受重力影响向下流动、蠕动或滑塌，冻融侵蚀活跃。且春季是该地区风力最强劲的季节，风力侵蚀也十分强烈。随着夏季的到来，草木萌发，动物侵蚀开始增强。6月以后进入降雨季节，根据该地区年降水量分布，2019年6~8月降水量占全年降水量56.2%，水力侵蚀在该时间段最为强烈，也是一年中土壤侵蚀最主要的时候。随后逐渐减弱，在11月份到来年2月份，风力、水力侵蚀都较弱，侵蚀作用不明显[23]。由此导致了研究区形变结果的规律性同土壤侵蚀一致，造成其形变的主要因素为土壤侵蚀。
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从图3~4可以看出，2019年9月份开始研究区形变量显著减少，其原因除上述季节性影响，风力、水力侵蚀均较弱外，分析主要为董志塬固沟保塬水土保持生态建设项目的顺利完成，对研究区稳定性产生了积极的影响。据了解，早在2007年，为遏制董志塬溯源侵蚀严重的现象，庆阳市政府开展了董志塬治理保护专题研究和讨论。并于2015年对危险性较高的12条沟道开展了先期治理。2017年董志塬固沟保塬水土保持生态建设项目正式由国家启动，以“固沟保塬，以沟养塬”为保护理念，在塬面、沟头、沟坡、沟底构筑四道防线——塬面径流调控、沟头沟岸加固防护、坡面林草植被恢复、沟道水沙集蓄。截至2019年年底，完成了33条大型抢救性沟头沟道综合治理项目，基本遏制了塬面萎缩、沟壑发展的趋势[24]。该项目在遏制董志塬溯源侵蚀现象的同时，对庆阳北石窟寺区域的稳定性也产生了积极的作用，其遏制了覆钟山崖体节理裂隙的发育，减弱了北石窟寺的造像及壁画等文物的进一步损坏，对北石窟寺长期保护起到了不可忽视的积极作用。
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4 结论
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本工作基于小基线集干涉测量（SBAS-InSAR）技术，利用2019年1月23日~2019年12月25日期间15景Sentinel-1A数据对庆阳北石窟寺区域稳定性进行监测。监测及分析结果如下：
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1）在2019年期间北石窟寺所在的覆钟山形变速率为-1.8~-8.7 mm/a；山体相对稳定，未发现明显滑坡变形特征的迹象；其中覆钟山西南侧（即北石窟寺开凿一侧）变形相对较大，形变速率为-5.2~-8.7 mm/a；覆钟山其他侧方向变形相对较小，形变速率为-1.8~-5.2 mm/a；
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2）北石窟寺西南方向约200 m处，蒲茹两河交汇及其周边区域形变速率较大，为-8.6~-15.6 mm/a；推测其原因为蒲、茹河两河的侵蚀，以及周边大量建筑的影响；
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3）从时序累计形变图中可以看出，北石窟寺区域形变集中在3~8月份，根据该地区年降雨量分布得出，期间降雨量的增加增强了水力侵蚀，加速了对土壤的破环，进而使北石窟寺部分区域产生形变。但随着2019年年底董志塬固沟保塬项目的顺利实施，研究区土壤侵蚀现象的到了有效遏制，研究区在2019年9~12月份形变量微小，北石窟寺区域稳定性得到加强。
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4）本工作验证了小基线集干涉测量（SBAS-InSAR）技术在文物保护领域，尤其是石窟寺区域稳定性的长期监测的可行性，为石窟寺遗址长期保护提供了新的思路和方法，也期待InSAR技术在文物保护领域更加深入的研究和应用。
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摘要
区域稳定性监测是石窟寺长期保护的一项重要措施。本研究以庆阳北石窟寺所在区域为对象，基于2019年的15景Sentinel-1A卫星雷达影像，采用小基线集合成孔径雷达干涉测量（SBAS-InSAR）技术对研究区稳定性进行监测，获取了研究区雷达视线向形变速率及时序形变，分析了研究区形变的空间、时间分布规律及其原因。监测结果表明：北石窟寺所赋存的覆钟山山体整体稳定，存在微小形变，不存在潜在滑坡变形特征；研究区主要形变区沿河分布，蒲、茹两河交汇处形变最为明显；研究区时序形变呈现随季节变化的规律性，造成其规律性的原因为随季节变化的土壤侵蚀和董志塬固沟保塬项目的实施。该研究证明了InSAR技术在文物遗址区域稳定性监测的可行性，以及其在具有长期性、可靠性的优势，为石窟寺遗址长期预防性保护提供了新的思路和方法。
Abstract
Regional stability monitoring is an important measure for the long-term conservation of grottoes. In this study, the North Grotto Temple in Qingyang was taken as the object. Based on the Sentinel-1A satellite radar images of 15 scenes in 2019, the SBAS-InSAR technology was used to monitor the stability of the studied area. In addition, the radar line of sight deformation rate and time-series deformation in the studied area were obtained. The spatial and temporal distributions of deformation in the studied area and the causes were also analyzed. The monitoring results show that 1) Fuzhong Mountain was stable, as a whole, with small deformation but no characteristics of potential landslide deformation; 2) the main deformation areas in the studied area were distributed along rivers, with the most obvious deformation appearing at the junction of Pu and Ru Rivers; 3) the regularity of time-series deformation in the studied area varied with season, and was due to soil erosion and the implementation of the project for gully consolidation and tableland protection at Dongzhi Tableland. This study has demonstrated the feasibility of the InSAR technology for the regional stability monitoring of cultural heritage sites. Its advantage of long-term reliability provides a new idea and method for the long-term preventive conservation of grotto temple sites.
关键词
SBAS-InSAR ； 北石窟寺 ； 区域稳定性 ； 文物保护
