基于InSAR技術的大同市地面沉降研究

摘 要：21世紀地質(zhì)災害頻出，地震，滑坡已經(jīng)嚴重威脅著人民的人身安全，制約經(jīng)濟的發(fā)展。同時，地面沉降也是嚴重的地質(zhì)災害，并且具有緩慢性、長期性、不易發(fā)現(xiàn)、難以治理。一旦地面沉降量值過大，會嚴重影響地面建筑物的安全。地面沉降多發(fā)生在人口密集的大中城市，上海市、西安市等是地面沉降嚴重的受災地區(qū)。對于該災害，越早發(fā)現(xiàn)，越好治理，因此，及時發(fā)現(xiàn)地面沉降是治理的先決條件。大同市地面沉降嚴重，地表、地下各類建筑物已經(jīng)因為地面沉降遭到不同程度破壞，地面沉降的持續(xù)發(fā)展還加劇了地裂縫的活動。本文利用多景大同市SAR影像數(shù)據(jù)，利用小基線集技術進行處理，提取大同市地面沉降量值信息。

關鍵詞：地面沉降；合成孔徑雷達；大同

1 大同市地質(zhì)概況

山西省大同市城區(qū)位于大同斷陷盆地西北隅，東、西、北三面環(huán)山，中部為傾斜平原，城區(qū)內(nèi)共發(fā)育有18條斷層，其中7條全新世活動斷裂，均受口泉斷裂控制，走向北東30°-北東58°，長3.5km-8km。區(qū)內(nèi)全新世活動斷裂均發(fā)育有地裂縫，在深2m～3m部位與斷層直接相接，斷層的地裂縫效應明顯。地裂縫在1983年至1999年發(fā)展迅速，總長度已達34km，為快速的擴展期[1]。2000年以來大同地裂縫發(fā)育趨緩，現(xiàn)今已基本進入平靜期。但是地面沉降又成為大同市最為嚴重的地址災害。地面沉降用傳統(tǒng)測量方法難以提取，只能通過水準測量獲取特征點的沉降值，不能獲取面狀信息，不能反映整個城市的沉降現(xiàn)狀和沉降規(guī)律。InSAR技術可以提取面狀信息，在地面沉降的監(jiān)測領域有很好的應用前景[2][3]。

2 InSAR技術基本原理

InSAR是利用兩幅合成孔徑雷達影像中的回波信號相位信息來獲取大范圍、高精度的地表三圍信息和形變信息的技術，該技術使得人們從空間對全球地表進行長時間序列的監(jiān)測成為可能。其中，獲取地表形變的InSAR技術被稱為差分InSAR（D-InSAR），根據(jù)差分干涉測量數(shù)據(jù)處理時所用的影像數(shù)目不同，又可將D-InSAR分為兩軌法、三軌法和四軌法。其中二軌法要求至少有2景數(shù)據(jù)，并且要有當?shù)氐腄EM數(shù)據(jù)；三軌法要求至少有3景數(shù)據(jù)，不需要當?shù)谼EM數(shù)據(jù)；四軌法要求至少有4景數(shù)據(jù)，不需要當?shù)谼EM數(shù)據(jù)[4]。在InSAR數(shù)據(jù)處理過程中，對影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量有很高的要求。數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到提取的地面沉降信息的精度和可靠性。因此在使用影像數(shù)據(jù)時，必須對影像數(shù)據(jù)做檢核工作。

3 大同市InSAE影像數(shù)據(jù)

為了獲取大同市地面沉降量值，針對該地區(qū)的地址條件，制定觀測方案。2000年后該地區(qū)地裂縫穩(wěn)定，我們把2003年至2010年作為研究是的時間區(qū)間，搜集相關衛(wèi)星的SAR影像數(shù)據(jù)。為了獲取高精度的地面沉降觀測結果，選取的數(shù)據(jù)為歐空局下載的2003年8月17日至2010年9月19日觀測的ENVISAT數(shù)據(jù)，數(shù)量為40景。大同市的研究區(qū)域選為東經(jīng)113.1°-113.45°，北緯40°-40.25°，包含整個大同市市區(qū)。

4 數(shù)據(jù)處理

在處理大同市影像數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)量大，采用了小基線集（SBAS-InSAR）技術[5]，具體實施過程如下：

4.1 數(shù)據(jù)準備

ENVISAT數(shù)據(jù)為raw數(shù)據(jù)，研究時選用的軟件為gamma軟件，不能直接處理raw數(shù)據(jù)，因此在處理前要進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將raw數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為slc數(shù)據(jù)以及對應的配置參數(shù)文件。

4.2 建立影像列表

采用SBAS-InSAR技術，中間過程數(shù)據(jù)量大，為了便于進行處理，需對文件進行分類整理，所有slc數(shù)據(jù)和相應的par文件進行整理，將對應的文件名以文本文檔格式存儲。這樣處理便于結果的統(tǒng)計和檢查。

4.3 配準，生成強度圖

4.4 DEM與主影像的配準

DEM與主影像的配準精度直接關系到結果的可靠性，為了獲取高精度的監(jiān)測結果，選用的DEM數(shù)據(jù)為NationalAeronauticsandSpaceAdministration（NASA）提供的精度為±30米、分辨率為90米數(shù)據(jù)。

4.5 多次差分并解纏

為了約束和加快我們數(shù)據(jù)處理過程，在干涉對的選取上，我們在時間和空間基線的選取上，選取時間間隔為35天至550天區(qū)間內(nèi)的影像進行相干得到相干圖。這樣，我們得到了91對干涉對，這里，為了提高精度，根據(jù)相干性大小需將相干性較差，以及出現(xiàn)嚴重大氣效應的干涉對刪掉，這樣，我們得到了72對干涉對。所得的平均相干圖如圖2所示。我們可以看到，相干性很好。這也可以說明我們由這些干涉圖得到的結果有很高的精度。

我們進一步對這72對干涉對進行濾波，差分干涉，并進行解纏。得到72幅解纏圖。這樣，我們就能清楚地看到每張干涉對解纏后的對比結果。其中兩幅解纏圖如圖3所示。可以看到在大同市區(qū)出現(xiàn)明顯的沉降漏斗。

4.6 時間序列分析

4.7 生成形變圖，地理編碼

根據(jù)生成的時間序列，得到對應的形變圖。可以看出我們得到形變信息很好，在研究地面沉降的區(qū)域出現(xiàn)明顯的沉降漏斗。其中2幅形變圖如圖4所示。

接下來我們就要對得到的形變圖進行地理編碼，所得的地理編碼后的形變圖其中2幅如圖5所示。這里我們就能看到與實際經(jīng)緯度對應的形變信息，但是這里的性變信息不能夠直接讀取，需要進行進一步的形變量的提取工作。

5 結果分析

大同地區(qū)地表形變量的提取

由所得出的形變圖中可以看出，大同地區(qū)地面沉降的空間分布極不均降較大的區(qū)域主要分布市中心，郊區(qū)比較穩(wěn)定。在沉降較大的地方呈漏斗狀。

6 結束語

山西大同市隨著現(xiàn)階段工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高速發(fā)展，城市人口急驟增加，對水資源的需求量逐年增加，強采已有地下水，勢必導致地下水位持續(xù)下降。在上述兩個條件下，山西大同市地面沉降將繼續(xù)發(fā)展，時間上可能持續(xù)30年左右。據(jù)山西大同市自來水公司資料，大同市地下水補給量約133km3/a，開采量約為151km3/a，開采量大于補給量，導致地下水位逐年下降，降落漏斗面積逐年擴大。

參考文獻

[1]彭建兵，蘇生瑞.渭河盆地活斷層與地質(zhì)災害的分維特征[J].西北大學學報，1993，23（6）：555-561.

[2]吳立新，高均海，葛大慶，等.工礦區(qū)地表沉陷D-InSAR監(jiān)測試驗研究[J].東北大學學報，2005，26（8）：778-782.

[3]路旭，匡紹君，賈有良，等.用InSAR作地面沉降監(jiān)測的試驗研究[J].大地測量與地球動力學，2002，22（4）：66-70.

[4]李振洪，劉經(jīng)南，許才軍.D-INSAR數(shù)學模型的探討[J].大地測量與地球動力學，2003，23（2）：88-9.

[5]胡樂銀，張景發(fā)，商曉青.SBAS-InSAR技術原理及其在地殼形變監(jiān)測中的應用[J].地殼構造與地殼應力文集，2010（22）.