基于時序InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變研究
——以西安市為例

劉 哲

(漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 漢中 723002)

0 引言

地面沉降可能會造成建筑物地基下沉、房屋開裂、地下管道受損等危害。近年來，地面沉降問題已成為制約城市發(fā)展的重大地質(zhì)災(zāi)害問題之一。目前，我國華北平原、長江三角洲以及汾渭地埑區(qū)域等均發(fā)生了不同程度的地面沉降[1]。西安位于渭河盆地，區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育強(qiáng)烈，自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)至今，西安已經(jīng)成為我國地面沉降最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。因此，為了控制西安市地面沉降及地裂縫的發(fā)展，急需開展大范圍、高精度的地表形變監(jiān)測，從而為此項工作提供技術(shù)支撐。

目前，常用的地表形變監(jiān)測手段有水準(zhǔn)測量、全站儀測量、GNSS測量等，這些常規(guī)的監(jiān)測手段均為點狀測量，監(jiān)測時間分辨率高，但空間分辨率低，無法進(jìn)行大面積的監(jiān)測。InSAR技術(shù)作為近年來新興的地表形變監(jiān)測手段，具有全天時、全天候、大面積、高精度的優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了地面沉降、滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中[3]。但是，DInSAR技術(shù)容易受時間失相干、空間失相干以及大氣延遲的影響，近年來發(fā)展的時間序列InSAR技術(shù)(PSInSAR[4]和SBAS[5]等)克服了DInSAR技術(shù)的缺點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到城市地表形變監(jiān)測中[6]。例如，彭米米等[7]于2018年利用InSAR技術(shù)監(jiān)測西安市2015—2017年地面沉降分布特征，并分析地面沉降和地裂縫的相互關(guān)系。

本文利用2020年1月—2021年12月共52景覆蓋西安地區(qū)的Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像和SBAS-InSAR技術(shù)對西安市地表形變進(jìn)行了監(jiān)測，分析近2年來西安市地表形變規(guī)律，為后續(xù)政府部門研究治理西安市地面沉降及地裂縫提供一定參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西安市位于關(guān)中平原的中部(33.42°～34.45°N，107.40°～109.49°E)，北至渭河，南接秦嶺。西安市區(qū)域內(nèi)除河流區(qū)域外均被濕陷性黃土覆蓋，濕陷性黃土在受到水浸潤后，土壤結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致地表發(fā)生沉降，甚至形成地裂縫，目前西安市已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地裂縫共有14條，嚴(yán)重制約了西安市的城市發(fā)展[8]。《西安市地質(zhì)災(zāi)害防治“十四五”規(guī)劃》顯示，全市地質(zhì)災(zāi)害隱患點共分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)，其中地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)占全市總面積的16.18%，發(fā)育有崩塌、滑坡、地裂縫、泥石流等。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

為了研究西安市的地表形變信息，本次研究采用了Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像。本次研究區(qū)域地理范圍位于34°04′23″～34°24′26″N，108°37′39″～109°10′49″E，采用了2020年1月—2021年12月共52景覆蓋西安地區(qū)的Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像。圖像中心入射角34.243°，分辨率為5 m×20 m，SAR影像覆蓋區(qū)域約為50 km×30 km，總面積1 500 km2。此外，還獲取了對應(yīng)時間的精密軌道信息以及30 m分辨率的STRM數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

(1)

式中，d(tj,x,r)和d(ti,x,r)分別為相對于t0時刻LOS向的累積形變量。為方便理解，式中并未考慮大氣誤差、噪聲誤差以及殘余地形誤差。

因此，M幅干涉圖可根據(jù)式(2)得到：

δφ(x,r)=Aφ(x,r)

(2)

式中，A為(M×N)矩陣，由0,1,-1組成。

當(dāng)所有數(shù)據(jù)位于一個小基線集時，此時M≥N，利用最小二乘方法可以得到:

φ(x,r)=(ATA)-1ATδφ(x,r)

(3)

當(dāng)所有數(shù)據(jù)不在同一個子集時，此時方程秩虧，方程得到無限組解。因此，為了得到唯一解，Berardino等[5]提出了SVD分解的方法得到最小范數(shù)上的最小二乘解，從而得到了LOS向的累積形變量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

首先，選取第一景SAR影像為主影像，將其余的SAR影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)；其次，設(shè)置時空基線閾值進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，為了避免大氣對干涉對的影響，人工篩選刪除了一些受大氣影響較為嚴(yán)重的干涉圖，最終得到188個干涉對進(jìn)行后續(xù)計算。利用DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位進(jìn)行差分干涉，將得到的差分干涉相位進(jìn)行濾波，再選定穩(wěn)定參考點后進(jìn)行相位解纏；由于本次實驗只有一個基線集，因此可直接通過最小二乘解算形變序列和平均形變速率，最后將結(jié)果投影到地理坐標(biāo)系下，得到WGS84坐標(biāo)系下的形變結(jié)果。

3 研究結(jié)果分析

3.1 LOS向平均速率結(jié)果

通過前文所述SBAS方法得到了西安市2020年1月—2021年12月的部分形變序列結(jié)果。通過形變序列結(jié)果，可以看出西安市近2年整體上形變保持穩(wěn)定，部分區(qū)域出現(xiàn)了沉降或抬升現(xiàn)象，最大累積形變量達(dá)-100～100 mm。根據(jù)形變序列結(jié)果，計算得到了西安市近2年LOS向平均形變速率結(jié)果：在2020年1月—2021年12月，西安市整體上保持穩(wěn)定狀態(tài)，形變速率在-60～55 mm/a，但局部地區(qū)出現(xiàn)了部分地面沉降及地面回彈現(xiàn)象。

3.2 西安市形變特征點分析

為了更好地分析西安市的形變信息，結(jié)合歷史光學(xué)遙感影像，選擇了具有明顯形變的2個形變特征點進(jìn)行形變序列分析。

(1)Ⅰ號形變區(qū)域位于灞河的東北方向，形變區(qū)域面積約1.16 km2，A點位于西安市灞橋區(qū)洪慶街道西侯村與東侯村交界處。特征點A 2020年1月—2021年12月LOS向最大累積形變量達(dá)-48 mm，其中在2020年3月、2021年3月形變速率加快，2021年5月出現(xiàn)地面回彈，最后趨于穩(wěn)定。結(jié)合光學(xué)影像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2019年7月后，該處區(qū)域城市建設(shè)進(jìn)程加快，修建了大量住宅，導(dǎo)致城市人口增多，地下水需求增大，從而大量抽取地下水，形成了地面沉降。

(2)Ⅱ號形變區(qū)域位于雁塔區(qū)西南部，形變區(qū)域面積約6.58 km2，B點位于西安市雁塔區(qū)電子城街道唐家村西側(cè)。特征點B 2020年1—12月出現(xiàn)下沉后，2020年12月—2021年12月出現(xiàn)大面積地面回彈，累積形變量達(dá)100 mm。結(jié)合前人研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域發(fā)生地面回彈的原因主要有政府進(jìn)行城中村改造，同時關(guān)閉了抽水井，并將處理過后的地表水注入地下，從而造成地面回彈現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文采用2020年1月—2021年12月共52景覆蓋西安地區(qū)的Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星影像對西安市地表形變進(jìn)行監(jiān)測，得到了西安市年平均LOS向地表形變速率，通過結(jié)合歷史谷歌地球影像數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)結(jié)合SBAS技術(shù)，本文對西安市SAR影像覆蓋的約50 km×30 km、總面積1 500 km2區(qū)域進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)在2020年1月—2021年12月，西安市整體上保持穩(wěn)定狀態(tài)，但局部地區(qū)出現(xiàn)了地面沉降及回彈現(xiàn)象，其LOS向平均形變速率在-60～55 mm/a。

(2)本次實驗共發(fā)現(xiàn)4個地表形變區(qū)域，其中Ⅰ區(qū)域為地面沉降區(qū)域，Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ區(qū)域為地表抬升區(qū)域。通過提取Ⅰ,Ⅱ區(qū)域特征點發(fā)現(xiàn)，Ⅰ，Ⅱ區(qū)域LOS向最大累積形變量分別達(dá)-48 mm，100 mm。

(3)結(jié)合歷史谷歌地球影像和前人文獻(xiàn)分析可得，西安市地表形變主要與地下水開采以及人口搬遷有關(guān)，過量開采地下水以及建筑物的附加荷載是造成地面沉降的主要原因。

(4)針對近2年西安市的InSAR形變結(jié)果，西安市的地面沉降逐漸減弱，但多種因素(承壓水開采、工程降水、潛水開采等)誘發(fā)地面沉降的風(fēng)險仍舊存在。因此，大力發(fā)展多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)(天-空-地)一體化監(jiān)測技術(shù)，才能有效防范化解地質(zhì)災(zāi)害的威脅，保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。