利用SBAS技術監測洛杉磯地區地表形變

詹景祥,千喜俊，閆成龍

(1.廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800;2.黑龍江綠野工程咨詢有限公司,黑龍江 哈爾濱 150036；3.黑龍江第三測繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150086)

南加州洛杉磯位于美國東南部，該地區干旱缺水，同時隨著經濟的發展和人口的暴漲，該地區對水的需求不斷增加，不斷抽取地下水，導致某些地區的含水量已降至歷史新低。由于每年只有少量的降雨滲透到地下補給地下水，地下水循環失去平衡，最終導致土層下陷，地面下沉。同時美國南加州洛杉磯地區分布許多斷層，斷層在一定程度上可以阻止地下水的運動，造成區域局部長時間的沉降、抬升或地表季節性的形變[1], 易引起環境惡化，給城市建設、工農業生產、交通運輸以及人民生活造成危害和經濟損失，在濱海區域或濱江易受海水或河水的侵襲，引起江水和潮水倒灌，給城市、農田造成嚴重經濟損失；地面沉降也使內陸平原地區遭受洪水災害的頻率增大，危害程度加重[2]；造成城市公共設施、水利設施、交通運輸及港口碼頭的損害。同時地面沉降的不均勻往往使地面和地下建筑遭受巨大的破壞，危及建筑物穩定、安全。例如，北京市由于過度抽取地下水導致地面嚴重沉降,沉降面積達到1 800 km2，其中沉降量大于200 mm的地區有650 km2 [3]。每年耗資數以億元治理地面下沉觸發的次生災害，給當地發展帶來嚴重阻礙。

因此研究地下水過度抽采導致的地面形變問題，不僅具有很強的理論意義，而且具有很強的實際應用價值。InSAR作為一種新型的空間對地形變監測技術，具有全天候、全天時、范圍廣、精度高等諸多優勢[4]。常規D-InSAR技術可以檢測出厘米級形變[5]，但結果會很大程度地受到時空去相干和大氣效應等影響，降低監測精度，甚至極端情況下無法進行干涉。以D-InSAR技術為基礎發展起來的小基線集方法(SBAS)，將所有滿足基線要求的干涉對都進行解算，采用奇異值分解法(SVD)得出最小范數解，從而能監測長時間的地表形變，有效克服時空去相干和大氣效應的影響，可提高監測精度至毫米級,已取得很多成功應用，如文獻[6-7]中利用SBAS成功監測了北京地區由于過度超采地下水引起的地表形變。本文將采用2003年10月～2009年2月的34景ENVISAT衛星數據和SBAS技術對美國南加州洛杉磯地區進行研究，獲取長時間段上的形變速率場，監測數據可用于充分掌握地表時空變化，迅速監測形變異常區域，并為當地政府提供決策依據，預防災害發生。

1 SBAS技術原理

短基線集(SBAS) 方法是新近發展的一種D-InSAR時間序列分析方法，最先由Berardino[8-11]和Lanari[9-13]等研究人員提出，用于研究低分辨率、大尺度上的形變。SBAS方法通過自由組合基線較短的影像對，產生的一系列基于不同主影像的時間序列干涉圖子集，再利用矩陣的奇異值分解(SVD)方法，將多個短基線集聯合起來求解[10]，有效地解決各數據集間空間基線過長造成的時間不連續問題，改善大氣延遲的影響，提高監測的時間分辨率，得到覆蓋整個觀測時間的形變序列和平均沉降速率。SBAS的基本步驟如下：

1)獲取同一區域按照時間順序t0,……,tN排列的N+1幅SAR影像，選取其中一幅影像作為主影像，并將其它SAR影像配準到主影像上。N+1幅SAR影像可生成M幅差分干涉圖。需要注意的是，每一幅解纏后的差分干涉圖都已經通過圖中某個穩定區域或形變量已知的參考像素點進行絕對校正。

2)對于從影像tA和主影像tB(tB>tA)時刻獲取的SAR影像生成的第j幅差分干涉圖，方位向坐標為x和距離向坐標r的像素的干涉相位可以寫為

d(tA,x,r)]+ΔΦtopo(x,r)+

(1)

δφj(x,r)=φB(x,r)-φA(x,r)≈

(2)

3)為了獲得具有物理意義的沉降序列，將式(2)中相位表示為兩個獲取時間之間平均相位速度和時間的乘積,得

(3)

第j幅干涉圖的相位值可以寫為

(4)

即各時段速度在主、從影像時間間隔上的積分。寫成矩陣形式為

Bν=δφ.

(5)

式(5)是一個M*N的矩陣。由于小基線集的差分干涉圖采用了多主影像策略，因此，矩陣B容易產生秩虧。采用SVD方法就可以得到矩陣B的廣義逆矩陣，進而得到數據矢量的最小范數解，最后通過各個時間段內速度的積分就可以得到各個時間段的形變量。

2 利用SBAS監測洛杉磯地表形變

2.1 實驗數據

本文實驗采用2003-10-29—2009-02-04期間34景ENVISAT數據，具體參數見表1。基于這些數據，設置時間閾值(Temporal Baseline)為550 d，臨界基線最大百分比為45%，最后組合生成158個干涉對，時空基線圖見圖1。在生成干涉圖時，在距離向和方位向分別做1視和5視的多視處理以降低數據存儲量，提高程序的運算速度和抑制相位噪聲，并采用改進的Goldstein濾波法[11]對生成的干涉圖進行濾波，以提高干涉圖的質量。使用SRTM90 m精度的DEM去除地形相位，再使用最小費用流法(MCF)對差分干涉圖進行相位解纏[12]。對解纏結果進行反演，估計殘余高度和位移相關信息，用來對合成的干涉圖進行重新去平，再次進行相位解纏和精煉，估計高度和位移速度。最后進行大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，得到更加優化的位移結果，并假定2003-10-29的地表形變為0 m。

表1 ENVISAT數據參數

圖1 時空基線圖

圖2 平均形變速率圖

2.2 時間序列結果分析

經過SBAS技術處理得出研究區域在2003年10月到2009年2月的平均形變速率圖, 如圖2所示。

從圖2中可以看出，該研究區域絕大部分地表處于相對穩定的狀態，平均形變速率在-5～5 mm/y。此外，波莫納、莫雷諾、圣貝納迪諾和圣塔安娜4處區域為較為明顯的沉降區域，其中沉降漏斗中心最大形變速率可達-35 mm/y。同時圣菲斯普林斯區域為抬升區域,抬升中心的最大形變速率可達11.2 mm/y。從時間序列形變圖可以看出，多個沉降漏斗逐漸形成，形變范圍在逐漸擴大，造成沉降漏斗的主要原因是地下水超采，導致水位下降，形成區域性沉降。

分別選取形變最為明顯的5個區域并編號：區域1圣菲斯普林斯、區域2波莫納、區域3圣貝納迪諾、區域4莫雷諾、區域5圣塔安娜，同時選出較為穩定的城市區域6、7、8作對照，在每個區域內選取3個特征點進行時序分析。結果分別見圖3—圖10。

圖3 區域1圣菲斯普林斯的累積形變曲線圖

由圖3可知，在2003年10月至2009年2月期間，區域1圣菲斯普林斯區域地表抬升的形變量可達60 mm。推測區域1圣菲斯普林斯的地表抬升是由注水造成。因為區域1圣菲斯普林斯是一個油藏區域，該油藏是采取早期注水方法開發。在正常油藏的注水開發過程中，施工單位會使累計注水量與累計產油量近似，使得油田地層壓力應保持在原始地層壓力附近。但地區局部油層物性差，連通性不好，就會在高壓注水層中形成高壓區域，或者注水在井間、層間產生異常高壓帶，導致局部壓力上升，巖石骨架膨脹，水層厚度增加，最終地層逐漸抬升。

圖4 區域2波莫納的累積形變曲線圖

圖5 區域3圣貝納迪諾的累積形變曲線圖

圖6 區域4莫雷諾的累積形變曲線圖

圖7 區域5圣塔安娜的累積形變曲線圖

由圖4—圖7可知，區域2波莫納沉降漏斗的形變量可達-143 mm，區域3圣貝納迪諾沉降漏斗的形變量可達-69 mm，區域4莫雷諾沉降漏斗的形變量可達-161 mm,區域5圣塔安娜沉降漏斗的形變量可達-56 mm，4個沉降漏斗區域的3個特征點的沉降速率基本一致。查閱地圖可得，區域2、區域3和區域5為城市地區，而區域4為農田地。沉降的主要原因為人們過量抽取地下水，沒有及時進行地下水人工回灌，使地層內的氣、液壓降低，土粒間的有效應力增加，地層壓密，最終形成區域性沉降。而區域3圣貝納迪諾區域的左側沉降漏斗并沒有往外擴散，推測該區域有一斷層，阻止地下水的運動。

由圖8—圖10可知，穩定區的累積形變曲線以0 mm為基準線上下波動，且波動幅度在±10 mm以內。可以看出該區域的形變有著較為明顯的季節性變化，在五月至九月旱季期間，地區普遍沉降；而在每年十月起至翌年四月雨季期間，地區普遍抬升。

圖8 區域6的累積形變曲線圖

圖9 區域7的累積形變曲線圖

圖10 區域8的累積形變曲線圖

綜上所述，以穩定區作對照，圣菲斯普林斯、波莫納、圣貝納迪諾和莫雷諾等地區形變明顯，最大形變量可達-161 mm，應引起相關部門注意，注意地下水的抽采和油藏開采過程，以防發生生產事故和二次災害等。

3 結 論

簡述SBAS小基線集技術的基本原理，最后利用ENVISAT衛星的34景SAR數據獲得美國南加州洛杉磯地區的形變場，得到34景數據生成的時間序列分析圖、研究區域的平均形變速率圖和累積形變曲線圖。經過分析得出以下結論：

1)ENVISAT衛星影像可作為監測美國南加州洛杉磯地區的地表形變的有效數據源。除了部分山區之外，ENVISAT衛星影像對絕大部分區域能保持良好的相干性。使用SBAS技術進行時間序列分析，能客觀地、大范圍地反映研究區域的地表形變情況，為政府部門和生產單位提供決策依據，同時具有一定的科學意義。

2)美國南加州洛杉磯地表形成多個沉降漏斗，最大沉降量已超過161 mm，沉降中心的形變速率可達35 mm/yr，主導因素為超量開采地下水造成的地下水位下降，不排除構造運動的影響。但可以認為美國南加州洛杉磯地表沉降的漏斗產生的機理主要是地下水位下降導致的地面沉降，根據此機理，可以進一步研究構建基于沉降漏斗的沉降-地下水模型，開展預測分析。

3)在整個區域趨向沉降的情況下，圣菲斯普林斯區域由于石油抽采過程中注水導致地表抬升，形變量達到66 mm，平均形變速率為11.2 mm/yr。對周邊的城市帶來不良影響，應引起重視。

4)今后在城市區域的地面沉降災害治理重點依然放在地下水開采管控上，條件具備時應該采用回灌措施，抑制不可恢復的沉降。

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