河北邢臺隆堯地裂縫活動PS-InSAR監測與分析

劉沛然，楊成生,2,3，趙超英,2*

（1.長安大學地質工程與測繪工程學院，陜西·西安 710054；2.地理國情監測國家測繪地理信息局工程技術研究中心，陜西·西安 710054；3.地理信息工程國家重點實驗室，陜西·西安 710054）

河北邢臺隆堯地裂縫活動PS-InSAR監測與分析

劉沛然1，楊成生1,2,3，趙超英1,2*

（1.長安大學地質工程與測繪工程學院，陜西·西安 710054；2.地理國情監測國家測繪地理信息局工程技術研究中心，陜西·西安 710054；3.地理信息工程國家重點實驗室，陜西·西安 710054）

河北隆堯地裂縫是我國華北平原地區目前發育規模最大的一條地裂縫。為掌握和分析該地裂縫活動區域形變的變化特征及地裂縫發育特征、成因機理。本文利用2009～2010年間16景Envisat數據和2007～2011年間15景ALOS數據，采用PS-InSAR技術對該地區進行了監測。結果表明，在2007～2011四年間，邢臺地區地面沉降主要分布在城鎮、地下水開采區以及斷裂帶附近。最大年沉降速率達到60mm/a。結合河北斷裂帶地質構造資料分析，得出邢臺市隆堯地裂縫受到隆堯斷裂帶以及地下水開采的影響。

地裂縫； 斷裂帶；地下水開采；PS-InSAR技術；華北平原

邢臺地區地處華北地塊核心部位，為寧晉—衡水斷凸、邢衡隆起、臨清斷陷交接處。在研究區域內，發育著數條北北東向及東西向斷裂帶，在平面上成“三叉戟”狀圍限著這一區域，主斷裂有太行山前大斷裂、束鹿斷凹東緣斷裂、束鹿斷凹西緣斷裂，此外還發育著數條次級斷裂[1]。河北隆堯地裂縫位于邢臺地區隆堯縣（見圖1），東起東良鄉西至毛兒寨鄉，全長約為36km。地裂縫在地表雖然斷續出露，但地裂縫發育清晰可見。隆堯地裂縫總體上呈線性展布，整體走向穩定、連續，且不受沿線微地貌和地物的影響。所經之處，房屋、道路及管線均受到不同程度破壞[2]。

隆堯地裂縫是華北平原比較典型的地裂縫災害現象，許多專家和學者對其進行了一系列研究。李世雄等認為地裂縫是由于斷裂活動導致隱伏地裂縫發育，再加上地下水逐年下降，導致地裂縫發展加速，并在地表水在作用下產生地表開裂[3]。馬潤勇等對隆堯地裂縫進行構造應力場數值模擬，得出隆堯地裂縫為隆堯斷裂活動為主的最新地表響應，屬于構造型地裂縫，并與地震活動密切相關，是區域構造應力加強的表現[4]。宋偉等認為，隆堯地裂縫的地層錯斷現象主要原因是由于斷層蠕滑活動形成的，表現為地殼構造運動產生的內應力的積累與釋放[5]。徐繼山等認為隆堯斷裂的持續活動為地裂縫的形成提供了動力來源，導致拉應力區的擴展，甚至是破碎帶的形成[6]。盡管如此，目前對于隆堯地裂縫的成因機制、發育機理，都是基于區域構造背景及野外實際調查開展的推斷與分析，尚缺乏該地區大范圍地面沉降及地裂縫活動監測數據，容易導致對地裂縫成因機理解釋的誤判。

圖1 研究區范圍Fig.1 Study area

合成孔徑雷達測量（InSAR）是近二十年來發展起來的極具潛力的遙感新技術，具有全天候、大范圍、高精度監測地表形變的優點，已在多個地學研究中得到應用[7]，但在地裂縫的監測方面還處于探索實踐階段。鑒于此，本文采用Hopper于2004年提出的永久散射體PS-InSAR算法[8]，利用16景ENVISAT/ASAR降軌數據和15景ALOS/PALSAR升軌數據，對河北邢臺地區地面沉降及地裂縫活動進行了監測分析，為有效減災避災提供依據。

1 StaMPS-InSAR技術

PS-InSAR技術能克服常規差分干涉測量中大氣效應和時、空間失相關的影響，即使在無法獲得干涉條紋的情況下，也可利用時間序列SAR影像上具有穩定相位的PS點獲取毫米級的形變監測精度。2004年，Hopper提出StaMPS算法，該方法基于相位的特征，選取幅度值較小且相位穩定的點作為最終PS點。實例驗證該方法在常規PS算法不能處理的區域仍可選取足夠數量的PS點，極大拓展了PS技術的應用范圍。StaMPS技術的基本原理如下：

在差分干涉處理中，首先在序列SAR影像中挑選其中一幅作為差分干涉的公共主影像，該影像需要滿足與其他影像整體具有最佳的相關性[9]。然后通過統計分析振幅穩定性與相位穩定性之間的關系，選取出初始PS點。其中涉及的振幅離差是由Ferretti等人于2001年根據SAR影像數據振幅的標準差與均值給出的：

在對各個像素的相位分量進行分析并對其空間相關分量和非相關分量作進一步分解，然后以此為依據得到候選PS點的判定準則：該算法利用振幅離差指數作為PS初選點的探測閾值，探測的初選點上干涉相位均由形變相位、軌道殘差、地形誤差、大氣延遲相位等失相關噪聲相位構成[10,11]：

各初選點的形變具有高度的相關性，根據此假設結合SAR影像的分辨率利用自適應濾波依次求出一定相關空間窗口內前四項空間相關部分并去除，同時估計并剔除空間非相關的入射角誤差[12]。上述過程不斷迭代且收斂后，利用殘差分量估計PS候選點的相關系數：

Hopper等（2007）根據概率統計思想選取γx的閾值，認為非PS點也會有一定的概率具有較高的γx值，因此需要通過設置可接受的非PS點被誤選的概率值小于某一合理的閾值作為統計準則，其目的是最大化地保留真PS點[13]，可接受PS點被誤選的概率的表達式為式（4）：

除了所要求解形變相位外，還有一些誤差項的存在，如大氣、軌道等誤差。大氣效應主要表現為湍流大氣延遲誤差，是由于電離層中的總電子含量和對流層中的水汽含量變化所引起，一般認為大氣延遲相位是時間不相關的，在空間上具有強相關性。這里把空間相關部分又可分為時間相關與時間不相關部分，前者包括地表形變、主影像的大氣誤差和軌道誤差，存在于每一個干涉對中，后者包括其余的空間相關部分，從影像大氣誤差和軌道誤差等。針對空間相關誤差相位的分離綜合采用時、空域濾波算法實現[14]。

2 實驗數據及數據處理

實驗數據分別采用16景ENVISAT/ASAR降軌數據（Track 261），時間跨度為2009年1月到2010年10月，覆蓋范圍如圖1綠色框所示，以及15景ALOS/PALSAR升軌數據（Track 451），時間跨度為2007年2月到2011年2月，覆蓋范圍如圖1藍色框所示。試驗中采用的DEM數據為30m分辨率的SRTM DEM數據。

首先綜合考慮時間基線、空間基線及多普勒中心頻率的共同影響，使相干性之和達到最大。分別選取20090530和20100403作為ENVISAT/ASAR和ALOS/PALSAR數據的主影像。獲取的空間基線結果如圖2所示。在選取主影像之后，通過對主影像數據的讀取、裁剪，影像數據的配準、重采樣、干涉圖生成、差分干涉處理、初選PS點、空間相關和非相關視角誤差評估、PS點選取、空間非相關組分去除、相位解纏、相位分解和組分評估、形變提取，最終得到ENVISAT數據和ALOS數據的年均形變結果。利用StaMPS進行數據處理中采用的具體參數如表1所示。

圖2 空間基線分布Fig.2 Distribution of spatial perpendicular baseline

表1 數據解算中采用的參數Table1 The list of parameters used in the data processing

3 結果與分析

3.1 形變特征分析

通過InSAR數據處理，分別獲取了河北邢臺地區2009～2010年間（ENVISAT數據）及2007～2011年間（ALOS數據）的年均形變速率圖，分別如圖3和圖4所示，背景為該地區的DEM數據，圖中藍色實線為活動地裂縫位置，棕色虛線為斷裂位置。從圖3中可以看出，在2009至2010年間，邢臺地區的沉降主要在高邑縣，寧晉縣以及隆堯縣東南地區，其中寧晉縣是一個明顯的小沉降中心，年沉降速率約為40mm/a，在隆堯縣的東南地區，沉降速率約為30mm/a，而隆堯縣城區域西部范圍內存在有抬升趨勢。圖4中，在地裂縫的南側，出現了大片的沉降區域，其中主要包括兩個沉降中心，區域一位于地裂縫以南，形成了一個長橢圓形的沉降漏斗，區域二位于巨鹿縣一個近圓形沉降中心，兩個沉降中心的最大年沉降速率為60mm/a。

從圖4中則可以清楚看到，河北平原的形變從整體上受到束鹿斷凹東緣斷裂、隆堯斷裂等斷裂帶的控制，形變主要發生在斷裂帶附近。在隆堯地裂縫的南側，主要分布著兩個大片沉降中心，而兩處漏斗區已經連通，這說明地下水過量開采是造成地面加速沉降的主因[15]。

圖3 2009～2010年間邢臺地區地表形變年均速率圖（ENVISAT數據）Fig.3 Average deformation velocity in line of sight (LOS) of Xingtai region from 2009 to 2010 (ENVISAT)

3.2 特征點時序形變分析

為進一步定量分析2007～2011年間各時間段的地面沉降變化，選取ENVISAT數據和ALOS數據重疊區域的同名點進行分析。對圖3及圖4中的3個特征點，分別為巨鹿縣（A）、寧晉縣（B）、隆堯縣（C），進行形變時間序列分析。如圖5所示，藍色折線代表ALOS數據結果，紅色散點則代表ENVISAT數據結果。

圖4 2007～2011年間邢臺地區地表形變年均速率圖（ALOS數據）Fig.4 Average deformation velocity in line of sight (LOS) of Xingtai region from 2007 to 2011 (ALOS)

圖5 三處典型地面形變區域累積形變序列結果Fig.5 Accumulative deformation of 3 points from 2007 to 2011

從圖5可以看出，巨鹿縣、寧晉縣，在2007年2月至2011年2月的時間里沉降嚴重，累計沉降分別達到230mm和128mm，平均年沉降速率分別約為58mm/a和32mm/a。而隆堯縣（隆堯地裂縫北側）則累計抬升126mm。這說明由于不同地層結構差別大的地區產生地面的不均勻沉降而形成地裂縫[16]。并且可以看出，在大范圍華北農田區域，相比于C波段的ENVISAT數據，L波段的ALOS數據可以更好地克服時間去相干問題，可以獲取更多高相干點，所探測到的最大形變量也較大。

3.3 地裂縫活動分析

從圖3和圖4的結果圖中不難看出，在隆堯地裂縫的北側和南側分別存在著抬升和下降的形變趨勢，因此，初步分析由于不同地層結構差別導致的不均勻沉降是形成地裂縫的一個重要因素。另據 2007 年河北省水資源公報，寧晉、柏鄉、隆堯三縣圍繞地區降落漏斗面積達1956km2，中心地區地下水埋深 64.20m。由于地下水的過度開采，導致地面沉降引發底層節理延及地表開裂，這是地裂縫活動加劇不可忽略的因素[17～20]。

由地面沉降而造成的地裂縫與其他構造控制型地裂縫不同，有著自身發育特點和分布規律。地面沉降造成的地裂縫以線狀或串珠狀塌陷坑有限延伸在地面沉降區域，而隆堯地裂縫正是典型的線狀地裂縫[6]。同時，隆堯地裂縫形變受到隆堯斷裂的控制，從圖中可以看出，該條地裂縫錯開上下盤地層，北盤相對上升，南盤相對下降，為正斷層性質，這與隆堯斷裂性質相一致。因此推測地裂縫與深部斷層相接。

為分析隆堯地裂縫活動規律，根據地裂縫的走向，在圖4中提取出兩條平行于地裂縫走向位于南北兩側的剖面線A1和A2（圖6）以及兩條垂直于地裂縫的剖面線B1和B2（圖7）。

圖6 地裂縫水平剖線圖Fig.6 Parallel profles of Ground fssure

圖7 地裂縫垂直剖線圖Fig.7 Vertical profles of Ground fssure

從水平剖線圖A1可以看出地裂縫的北側區域相對穩定（有部分隆起趨勢），而南側的A2剖面存在明顯的地面沉降現象，地裂縫兩側最大沉降量較差超過5cm。各垂直剖線結果可以看出，B1、B2處地面形變特征非常明顯，均屬于陡降型，地裂縫兩側較差超過8cm。并且在地裂縫的北側均成上升趨勢，南側均成下降趨勢。

4 結論

本文采用StaMPS技術對河北省邢臺地區2009～2010年間的16景ENVISAT數據以及2007～2011年間的15景ALOS/ PALSAR數據進行處理，開展了該地區的大范圍地表形變監測，分別得到該地區的地表形變平均速率及典型區形變時間序列，并結合地面沉降、斷裂及地下水對隆堯地裂縫活動及形變進行了分析。研究得出：隆堯地區的沉降主要分布在高邑縣，寧晉縣以及隆堯縣東南地區，而在隆堯縣城區域西部范圍內存在有抬升趨勢；通過分析表明地下水開采是該地區地面沉降的主因，而地下水開采導致的不均勻沉降是加劇地裂縫活動的一個重要因素。通過分析地裂縫水平剖線和垂直剖線，可以看出地裂縫北盤上升而南盤下降，這與隆堯斷裂的正斷層活動性質相一致。

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PS-InSAR monitoring of Longyao ground fssure in Xingtai, Hebei province

LIU Pei-Ran1, YANG Cheng-Sheng1,2,3, ZHAO Chao-Ying1,2
(1.School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710054, China; 2.National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Engineering Research Center of National Geographic Conditions
Monitoring, Shaanxi Xi’an 710054, China; 3.State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Shaanxi Xi’an 710054, China)

Longyao ground fissure is the largest active ground fissures in the North China Plain.In order to master and analyze the characteristics of deformation of ground fssure activity area and development characteristic Formation mechanism, permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar (PS-InSAR) was used to process 15 L-band ALOS/ PALSAR images obtained from 2007 to 2011 and 16 C-band ENVISAT/ASAR images obtained from 2009 to 2010.The result shows that subsidence is mainly located in the towns, groundwater exploration area, and fault from 2007 to 2011.The maximum annual sedimentation rate reached 60 mm/a.Combined with geological structure information analysis, we come to Longyao ground fssures in the results of the Longyao fault zone and the infuence of groundwater exploitation.

ground fssure; fault zone; groundwater exploitation; PS-InSAR; the North China Plain

P642.26

A

2095-1329(2017)03-0078-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.018

2017-03-24

修回日期: 2017-06-28

劉沛然,男,碩士生,主要從事地面沉降及地裂縫活動監測PS-InSAR技術研究.

電子郵箱: 734562257@qq.com

聯系電話: 029-82339251

國家自然科學基金項目(41372375);中國地震局地震專項科研基金(201508009);地理信息工程國家重點實驗室開放研究基金資助項目(SKLGIE2014-M-3-5);中央高校基本科研業務費資助項目(310826161017)

*通訊作者: 趙超英(博士/教授): zhaochaoying@163.com