江西萍鄉(xiāng)時(shí)序InSAR形變監(jiān)測(cè)

侯靖鑰 夏元平

(東華理工 大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330032)

0 引言

地面沉降是當(dāng)今通常發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害之一,是由于自然或人為因素引起的地下物體體積減小和孔隙增加而產(chǎn)生的土地表面逐漸下沉的現(xiàn)象。20世紀(jì)初,不僅上海和天津開(kāi)始出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象,世界上許多國(guó)家也都存在著嚴(yán)重地面沉降的問(wèn)題。如中國(guó)的北京等地，西班牙、美國(guó)等[1]。中國(guó)具有較為豐富的煤炭資源,其儲(chǔ)量占據(jù)全球儲(chǔ)量的13%,為全球第三大煤炭?jī)?chǔ)備國(guó)[2]。被譽(yù)為“江南煤都”的萍鄉(xiāng),有著安源煤礦這樣久負(fù)盛名的百年老礦,但在長(zhǎng)時(shí)間煤礦開(kāi)采下,城市中出現(xiàn)了不同程度的建筑物崩裂、地面塌陷等問(wèn)題,存在著極大安全隱患,易引發(fā)重大安全事故造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。因此,對(duì)萍鄉(xiāng)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)重要工作,對(duì)預(yù)防潛在的地質(zhì)災(zāi)害具有十分重要的意義[3-4]。利用傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)手段,對(duì)礦區(qū)的連續(xù)監(jiān)測(cè)有一定的局限性,同樣的問(wèn)題存在于其他地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中,由此遙感技術(shù)得到了快速的發(fā)展。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)由于其具有全天時(shí)、全天候觀測(cè)的顯著優(yōu)勢(shì),在地質(zhì)調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

近年來(lái),InSAR技術(shù)由于其觀測(cè)精度高、范圍廣的優(yōu)勢(shì)已成為監(jiān)測(cè)地表形變的重要手段,同時(shí)諸多學(xué)者對(duì)于InSAR技術(shù)進(jìn)行了深入研究。黃潔慧[6]等針對(duì)淮南謝家集礦區(qū)以InSAR技術(shù)對(duì)地鐵線擬穿過(guò)礦區(qū)進(jìn)行沉降區(qū)監(jiān)測(cè);楊宏山、鄭文潘[7-8]等通過(guò)短基線集雷達(dá)干涉(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技術(shù)監(jiān)測(cè)到城市多個(gè)沉降區(qū)。然而,該技術(shù)針對(duì)江西萍鄉(xiāng)地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用較少。本文主要以江西省萍鄉(xiāng)市安源區(qū)為研究區(qū)域,以Sentinel-1A數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,采用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)安源區(qū)開(kāi)展監(jiān)測(cè)分析,并重點(diǎn)分析安源區(qū)附近地表的沉降變化特征。

1 研究區(qū)概況

萍鄉(xiāng)是江西的“西大門(mén)”,在贛西經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中處于中心位置,地處26°57′N(xiāo)～28°01′N(xiāo),113°35′E～114°17′E之間。研究區(qū)位于安源區(qū),以丘陵地貌為主,地勢(shì)東南高、西北低。但山地、盆地、丘陵錯(cuò)綜分布,地貌較為復(fù)雜,地質(zhì)條件復(fù)雜多變。320、319國(guó)道,滬瑞、萍栗高速等多條連接中國(guó)東西部的重要公路貫穿安源區(qū)。據(jù)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù),該地區(qū)年平均氣溫為17.3℃;2003年8月極端最高氣溫41℃,1991年極端最低氣溫-9.3℃。年均降水量1 603.2 mm。安源煤礦是江西省主力煤礦之一,已有120多年的開(kāi)采歷史,現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模為0.78 Mt/a。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,大量建筑的建設(shè),煤礦的持續(xù)開(kāi)采,逐漸導(dǎo)致安源區(qū)城市出現(xiàn)多個(gè)不均勻地表沉陷區(qū)。且安源煤礦礦區(qū)周?chē)拷课莺偷缆?煤礦開(kāi)采導(dǎo)致的地面下沉將直接影響附近居民的生活。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)影像是Sentinel-1A數(shù)據(jù)。哨兵一號(hào)(Sentinel-1)衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計(jì)劃于2014年發(fā)射的第一顆C波段衛(wèi)星,由Sentinel-1A和Sentinel-1B目前在軌道上運(yùn)行的兩顆衛(wèi)星組成。使用干涉寬幅(interferometric wide,IW)模式下的單視復(fù)數(shù)圖像(single look complex image,SLC)圖像,影像幅寬為250 km。空間分辨率為5 m×20 m,軌道方向?yàn)樯?成像中心入射角為39.1°。選取時(shí)間為2018年1月13日至2019年12月22日共24景數(shù)據(jù),極化模式為VV。此外,去除平地相位采用歐洲航天局(European Space Agency,ESA)發(fā)布的精密定軌星歷(precise orbit ephemerides,POD)數(shù)據(jù),去除地形相位采用美國(guó)航空航天局提供的30 m分辨率的外部數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)。

2.2 方法與處理

使用SBAS-InSAR技術(shù)進(jìn)行處理。SBAS-InSAR是由Berardino等提出的一種時(shí)間序列分析方法[9]。減小了合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(differential-interferometry synthetic aperture radar, D-InSAR)技術(shù)引起的失相干、大氣誤差等制約。SBAS-InSAR技術(shù)主要通過(guò)選取多個(gè)主影像,設(shè)置合理的時(shí)空基線閾值,通過(guò)對(duì)干涉對(duì)差分干涉后多視處理,提取高相干像元,進(jìn)行奇異值分解,求得影像序列間地表形變速率的最小二乘解[10-11]。具體步驟如下：

(1)導(dǎo)入下載的Sentinel-1A 數(shù)據(jù),并結(jié)合每景對(duì)應(yīng)的精密軌道文件,對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行裁剪,獲得監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)相同的研究區(qū)域。

(2)時(shí)間基線設(shè)置為120 d,空間基線閾值設(shè)置為4%,空間基線為58.27 m。共生成82對(duì)干涉圖像,2018年7月24日的影像作為主影像,其余副影像相對(duì)主影像的空間基線最長(zhǎng)為171.38 m,最短為0.8 m。

(3)對(duì)82個(gè)像對(duì)進(jìn)行干涉處理。采用Goldstein濾波方法設(shè)置相位解纏相干性系數(shù)為0.2,并利用Minimum Cost Flow方法進(jìn)行相位解纏;根據(jù)干涉圖、相干系數(shù)圖選擇遠(yuǎn)離形變明顯區(qū)、相干性較好的36個(gè)地面控制點(diǎn)。為去除軌道誤差和殘余相位,根據(jù)生成的控制點(diǎn)進(jìn)行軌道精煉與重去平。

(4)通過(guò)第一次反演來(lái)初步估計(jì)形變速率和殘余地形。通過(guò)大氣高低通濾波去除大氣相位,進(jìn)行二次解纏,計(jì)算時(shí)間序列上的位移。并選擇地面控制點(diǎn)來(lái)去除殘余的相位或者相位斜坡。得到最終位移結(jié)果。

(5)對(duì)SBAS-InSAR處理結(jié)果從SAR坐標(biāo)轉(zhuǎn)成DEM地理坐標(biāo)系,以平均強(qiáng)度圖確定在垂直發(fā)射垂直接收(vertical transmit,vertical receive;VV)極化下最終得到的平均沉降速率圖。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 沉降率圖

圖1顯示了2018年1月—2019年12月期間,使用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)所得到的整個(gè)研究區(qū)的平均形變速率分布圖;該圖疊加在萍鄉(xiāng)市安源區(qū)的光學(xué)影像上。黑色矩形標(biāo)記的區(qū)域P1—P3是安源區(qū)主要沉降區(qū)。該地區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沉降分布不均,范圍較廣泛嚴(yán)重。其中,安源區(qū)的沉降速率從-46～23 mm/a不等。研究區(qū)北部、東部和西部地區(qū)大部分地區(qū)相對(duì)穩(wěn)定,中部八一街街道、東大街街道、城郊管委會(huì)、丹江街街道等地方地表沉降較小,多數(shù)沉降速率都小于5 mm/a。北部中心靠近中心城區(qū)的鳳凰街街道及白源街街道周?chē)霈F(xiàn)沉降漏斗,最大沉降速率達(dá)-35 mm/a。東西部大部分區(qū)域累計(jì)沉降范圍在-10～10 mm/a之間。由實(shí)驗(yàn)獲取的地表沉降形變監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,安源區(qū)的東南側(cè)沉降速率明顯高于西南側(cè),且分布面積最大，見(jiàn)圖1。

圖1 安源區(qū)2018—2019年沉降速率圖

研究期間識(shí)別出位于P1區(qū)、P2區(qū)內(nèi)多個(gè)形變區(qū),其特征是突出的大部分地區(qū)經(jīng)歷了不均勻的沉降。P1區(qū)的主要沉降區(qū)分布在現(xiàn)存年開(kāi)采產(chǎn)量仍達(dá)90 t的安源煤礦礦區(qū),最大沉降速率達(dá)-46 mm/a,沉降中心位于燈盞窩、洪水眼中間片區(qū)。P2區(qū)最大年平均沉降速率達(dá)-43 mm/a,主要沉陷區(qū)為高坑煤礦礦區(qū)及錫坑采挖一帶。沉降中心位于錫坑、老虎沖與龍家沖中間片區(qū)。自2018年1月至2019年12月,P1、P2作為主要沉降區(qū),兩區(qū)的沉降幅度及規(guī)模有著逐年增加、逐年擴(kuò)大趨勢(shì)。說(shuō)明該區(qū)域有著非常嚴(yán)重的因長(zhǎng)年累積礦區(qū)開(kāi)采導(dǎo)致礦區(qū)周?chē)霈F(xiàn)不同程度沉陷的問(wèn)題,并且已成為當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)和礦山修復(fù)的重難點(diǎn)。

P3區(qū)存在兩個(gè)明顯沉降碗以及多個(gè)小型沉降碗,其形變速率范圍為-35～9 mm/a。P3區(qū)位于萍鄉(xiāng)市中心,向東北延伸,是商業(yè)、工業(yè)和生活活動(dòng)中心。白源火車(chē)站、天虹購(gòu)物中心、安源工業(yè)園等地標(biāo)都位于該區(qū)域。近年來(lái)已有計(jì)劃為促進(jìn)萍鄉(xiāng)市的發(fā)展,開(kāi)始在該區(qū)啟動(dòng)大量建設(shè)項(xiàng)目。該區(qū)域也出現(xiàn)分布不均勻的沉降,但嚴(yán)重程度小于P1、P2區(qū)。

3.2 沉降時(shí)間序列

監(jiān)測(cè)時(shí)期內(nèi)最大累積沉降出現(xiàn)在P1區(qū)安源煤礦區(qū)域,達(dá)-92 mm。P2區(qū)最大累積沉降量約為-85 mm,該沉降帶隨時(shí)間變化向東南方向?yàn)橹行某两颠吘壷饾u擴(kuò)大。P3區(qū)在2018—2019時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)顯著的沉降中心,P3沉降區(qū)最大累積量約為-71 mm,沉降中心位于市區(qū),受其影響較大的區(qū)域主要包括贛能小區(qū)、和諧公寓、登岸別墅山莊。其他沉降區(qū)沉陷范圍相對(duì)較小。

3.2.1降雨量對(duì)地面形變的影響

在監(jiān)測(cè)周期內(nèi),最大沉降速率達(dá)到-46 mm/a,平均值為-0.6 mm/a。將2018年至2019年間三個(gè)月劃分為一個(gè)組,期間平均沉降速率、最大累積沉降量如表1所示。其中2019年7—9月、10—12月兩個(gè)時(shí)間階段沉降累積量較大。為研究地表沉降在時(shí)間序列上的演變,本文在P1、P2兩區(qū)選擇了AY、XK、GK三個(gè)典型沉降點(diǎn)(圖1),分別繪制AY、XK、GK三點(diǎn)的累計(jì)沉降量與降雨量的關(guān)系圖來(lái)分析地表沉降的時(shí)間演變及地表沉降與降雨量之間的關(guān)系,如圖2所示。根據(jù)萍鄉(xiāng)市氣息數(shù)據(jù)分析表明,研究區(qū)內(nèi)降水時(shí)空分布不均,近兩年降雨量較往年呈上升趨勢(shì)2019年5、6、7三個(gè)月降雨量增幅最大,為研究時(shí)期內(nèi)降水量最高,與往年同期相比增加約70%。該地區(qū)的地表沉降經(jīng)歷明顯季節(jié)變化,AY、XK、GK等點(diǎn)在2019年5—7月的沉降速率均顯著放緩,城市降雨量的增加在一定程度上有效地補(bǔ)充了地下水資源,在發(fā)生地面沉降時(shí)有一定緩和作用[12]。而沉降不僅與降雨量有關(guān),也與其他因素相關(guān)。

圖2 降雨量與形變特征點(diǎn)時(shí)間序列

表1 研究區(qū)累積沉降表 單位：mm

3.2.2人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地面形變的影響

在這些嚴(yán)重沉降區(qū)的沉降中心位置選取該時(shí)間段內(nèi)以下五個(gè)沉降特征點(diǎn)P1區(qū)的AY點(diǎn);P2區(qū)的XK、GK點(diǎn);P3區(qū)的FH點(diǎn)。BY點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,由圖3可知,AY點(diǎn)沉降速率為-17 mm/a,累計(jì)沉降量達(dá)到-29 mm;P2區(qū)XK、GK兩點(diǎn)的沉降速率和最大累積沉降量分別為：-30 mm/a、-56 mm;-33 mm/a、-65 mm;根據(jù)本文監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,安源區(qū)P1—P3三個(gè)區(qū)域的沉降速率正在逐步加劇。

圖3 沉降區(qū)特征點(diǎn)分布

P3區(qū)域的沉降與人口密度有著密切關(guān)系,據(jù)第六次全國(guó)人口普查結(jié)果,安源區(qū)鳳凰街街道常住人口為萍鄉(xiāng)市最多達(dá)137 830人,為安源區(qū)人口密度最大的街道。作為萍鄉(xiāng)市的經(jīng)濟(jì)文化中心,如圖5所示,FH點(diǎn)的沉降速率為-10 mm/a,最大沉降量達(dá)-18 mm/a,鳳凰街街道及白源街道較近旁街道城郊管委會(huì)、后阜街街道地區(qū)相比沉降嚴(yán)重,在該區(qū)域的人口密度影響范圍下,萍鄉(xiāng)市處于城市發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期,18年4月在安源工業(yè)園有多達(dá)84個(gè)重大項(xiàng)目集中開(kāi)工,多個(gè)建筑都在同步建設(shè)中,萍鄉(xiāng)市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)位于白源區(qū)區(qū)內(nèi),產(chǎn)業(yè)多以煤炭、鋼鐵、建材、陶瓷、化工為主。該區(qū)域BY點(diǎn)最大沉降量為-41 mm,平均沉降速率為-21 mm/a。工業(yè)分布主要有萍鄉(xiāng)安源鋼鐵公司、鋼翔礦業(yè)公司、安源節(jié)能風(fēng)機(jī)廠。這些產(chǎn)業(yè)的分布及大面積城市建設(shè)加上地面大型建筑物的長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷會(huì)在一定程度上表現(xiàn)出地面沉降,則在P3區(qū)域的沉降中起主導(dǎo)作用。同時(shí),近幾年隨著建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的增加,城市的開(kāi)發(fā)工程建設(shè)不斷推進(jìn),萍安北大道西側(cè)與東側(cè)均有樓盤(pán)在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的施工,施工建設(shè)過(guò)程中會(huì)增大對(duì)地下水開(kāi)采需求量,導(dǎo)致地下水位下降,增長(zhǎng)地下水壓力,壓縮土壤,最終導(dǎo)致沉陷發(fā)生[13-15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于VV極化影像進(jìn)行SBAS-InSAR技術(shù)處理,獲取了2018—2019年萍鄉(xiāng)市安源區(qū)沉降的整體分布情況以及地表沉降速率。同時(shí)獲得了相應(yīng)時(shí)間段的土地利用分類(lèi)圖。得到以下結(jié)論：

(1)安源區(qū)沉降不均勻,研究期間年平均沉降速率范圍為-46～23 mm/a。這些沉降主要分布在東南部和北部。同時(shí)監(jiān)測(cè)到形變顯著的P1、P2、P3三個(gè)區(qū)域。P1、P2兩個(gè)區(qū)域分別位于安源煤礦、高坑煤礦附近均出現(xiàn)不同程度的沉降,P1區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)間段平均沉降速率最大達(dá)到-46 mm/a,P2區(qū)平均沉降速率最大值為-43 mm/a。P3區(qū)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)沉降碗,最大平均沉降速率達(dá)-36 mm/a,沉降速率范圍為-35～9 mm/a。

(2)安源區(qū)的沉降,在空間分布上呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,在時(shí)間上有著季節(jié)性。在研究時(shí)間段內(nèi)最大累積沉降量達(dá)-92 mm,沉降趨勢(shì)為以東南側(cè)為中心向東部和南部逐漸擴(kuò)大。詳細(xì)分析了地面沉降不僅與自然條件相關(guān)而且與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān),降雨量(沉降的季節(jié)性變化與降水有關(guān))及城市的擴(kuò)張(研究區(qū)工業(yè)的發(fā)展和建筑建設(shè))有著聯(lián)系密切。相比之下,人類(lèi)的活動(dòng)是對(duì)地面沉降影響作用更甚。