基于SBAS-InSAR技術的慶陽北石窟寺區域穩定性監測與分析

張 雄,和法國,張景科,武金生,楊 鑫,劉 強

[1. 蘭州大學土木工程與力學學院,甘肅蘭州 730000; 2. 西部災害與環境力學教育部重點實驗室(蘭州大學),甘肅蘭州 730000]

0 引 言

石窟寺是佛教建筑中最古老的形式之一,是研究古代社會政治、經濟、文化、宗教、建筑等方面的重要資料[1]。石窟寺依托山體開鑿,受其所在區域的地質條件、構造運動和人類活動影響。一旦所在區域的穩定性發生改變,就會影響石窟寺的穩定性,嚴重時甚至導致毀滅性破壞。因此,對石窟寺區域穩定性監測是必要的。目前常用的監測方法主要有:利用全站儀、水準儀等高精度光學儀器和光電測量儀器的大地測量法[2]、利用全球導航衛星系統的GNSS技術[3]、利用無人機獲取多時態影像數據的遙感技術[4]等。但傳統方法常常受限于外業量大、監測周期長、監測成本高、測量精度、地形條件限制等因素影響,在石窟寺區域穩定性監測領域應用效果較差[5-6],本研究采用成本低、空間連續性好、持續性好,并具有可回溯性的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技術,對其區域穩定性進行監測。

InSAR技術是近30年來發展興起、用于解決區域地表變形監測的新技術,現已經在多個領域中廣泛應用。如1993年法國科學家Massonnet等將地形信息與地震前后獲取的SAR圖像相結合,構建干涉圖,得到地震后地表形變數據[7];1996年法國科學家F Bénédicte等首次將D-InSAR(Differential InSAR,D-InSAR)技術應用于滑坡監測領域[8];1999年Wegmiiller U等將InSAR技術應用于城市地區土地沉降的測繪中[9];2007年Muskett R R等利用InSAR技術對美國阿拉斯加冰河灣tidewater glaciers的移動進行監測[10];2013年Ji L等利用PS-InSAR(Permanent ScatterersIn SAR,PS-InSAR)技術獲取長白山天池火山的變形時間序列,分析得出長白山天池火山近年來異常活動明顯的結論[11];2017年楊瀟瀟等利用TCP-InSAR(Temporarily Coherent Points InSAR,TCP-InSAR)技術對三峽大壩形變進行監測研究[12];2018年Yufeng,Zhu等利用SBAS-InSAR(Small Base line Subset InSAR,SBAS-InSAR)技術對江西省豐城某礦區進行地表沉降監測[13]。但是,InSAR技術應用在文物保護領域的研究與應用非常少。本研究利用SBAS-InSAR技術獲取慶陽北石窟寺區域的地表形變信息,并加以分析,驗證InSAR技術在石窟寺區域穩定性監測的可行性。

1 研究區現狀

北石窟寺位于甘肅省慶陽市西峰區董志鄉寺溝川村的覆鐘山下(如圖1所示),蒲、茹兩河交匯形成的二級階地上,蒲河自北向南,與北石窟寺相距約300 m,茹河自西向東,在北石窟寺西南方向約800 m匯入蒲河,該地區屬于鄂爾多斯盆地的一部分。

圖1 北石窟寺立面圖Fig.1 Elevation of North Grotto Temple

北石窟寺所在的覆鐘山,基巖為白堊系砂巖,上覆黃土,是由董志黃土塬受蒲、茹兩河及溝壑切割而成的小山。其山體風化特征明顯,北石窟寺上方存在一個小型古滑坡,目前已基本穩定,未發現有活動跡象,山體局部裂縫的存在,嚴重威脅了北石窟寺的穩定。

石窟開鑿于覆鐘山腳下的直立崖面,崖體中發育有大量的裂隙,這些裂隙的存在為水分在崖體及其表面的運移提供了通道,導致北石窟寺砂巖表層風化病害嚴重發育,使得北石窟寺的造像及壁畫等文物本體遭受嚴重的損壞(圖2)。尤其構造裂隙的發育,使北石窟寺的保護受到嚴重的挑戰[14-16]。

圖2 北石窟寺內造像和壁畫遭受損壞Fig.2 Damaged statues and murals in North Grotto Temple

2 數據與方法

2.1 試驗數據

實驗數據選擇覆蓋北石窟寺區域的Sentinel-1A衛星IW模式下極化方式為VV的15景降軌(衛星沿軌道由北向南飛行)SLC(Single Look Complex,SLC)數據進行研究(如表1所示),其空間分辨率為5 m×20 m,時間跨度為2019.01.23～2019.12.25,時間間隔為24 d,并利用空間分辨率為30 m的SRTM(shuttle radar topography mission,SRTM)DEM(digital elevation model,DEM)數據用于去除地形相位,利用POD精密軌道數據去除平地相位。

2.2 試驗方法

在地表形變監測中D-InSAR技術被廣泛應用,但對于長時間緩慢變形,由于空間失相干、時間失相干和大氣延遲的影響,其監測精度受到限制。1999年,Ferretti等提出了PSI方法,該方法利用人工建筑、裸露巖石等長時間仍能保持相干性的地物,進行時序分析,減弱了時空失相干和大氣延遲的影像,提高了區域地表形變監測的精度[17]。但由于北石窟寺區域植被覆蓋,人工建筑物分布密度低等因素的影響,PS目標點選取受到了很大的限制。2002年,Berarrlino P等提出了小基線集干涉測量(SBAS-InSAR)技術[18]。SBAS-InSAR技術通過設置較短的時間基線和空間基線的閾值,得到多個主影像組成的干涉對,利用POD精密軌道數據去除平地相位,SRTM數字高程數據消除地形相位,并采用Goldstein濾波法進行濾波提高信噪比。采用基于目標相干性的相干系數閾值法對點目標進行提取,并建立方程,聯合最小二乘法和奇異值分解法進行求解,從而獲得高精度的長時序地表形變信息,彌補了PS-InSAR在山區地表形變監測的不足[19-21]。因此,本研究采用更加適合北石窟寺區域的小基線集干涉測量(SBAS-InSAR)方法。

3 結果與討論

3.1 研究區形變速率

本研究利用SBAS-InSAR技術對覆蓋北石窟寺區域的15景sentinel-1A數據進行處理,得到研究區雷達視線(line of sight,LOS)方向形變速率(圖3)。圖中形變速率負值表示沉降,正值表示抬升。顯示慶陽北石窟寺區域整體形變速率較小,形變速率集中在-15.6～5.1 mm/a,但空間差異性較大,相變速率大的區域大體沿著蒲河、茹河分布,在蒲茹兩河交匯處其變形尤其大,最大形變速率達-15.6 mm/a。北石窟寺所依附的覆鐘山形變速率較小,在-1.8～-8.7 mm/a之間,且呈現西南側山體(北石窟寺開鑿一側)形變速率較大,其他側山體形變速率較小的規律。

圖3 Kriging插值法得到的LOS方向形變速率Fig.3 LOS direction deformation rate obtained by the Kriging interpolation method

北石窟寺按賦存環境區域劃分屬于甘肅隴東區慶陽小區,其環境特征為區域內黃土地貌極為發育,受降水剝蝕、河流切割,塬高谷深,溝壑縱橫,分布有大小不等的塬、梁、峁、崾峴與坪、川等多階狀地貌,石窟開鑿于塬邊溝壑之地的砂巖陡壁之上,其為中生代白堊系底層,強度適中,利于石雕造像,但由于氣候較為潮濕,風化問題嚴重。構造上,慶陽地區屬于鄂爾多斯盆地西南部,基底較為穩定,活動性弱[22]。

由上述北石窟寺區域形變速率及其賦存環境可以推測出,北石窟寺賦存的覆鐘山整體穩定,存在微小形變,但不存在潛在滑坡蠕動變形特征。其形變產生的主要原因推測為土壤侵蝕,北石窟寺屬于黃土高原東南部溫帶大陸性半濕潤季風氣候區,根據其形變沿河分布的特征,可以看出該區域侵蝕方式主要為水力侵蝕,風力侵蝕為次要方式。在現場調查中能夠觀察到明顯的風化特征,局部有節理裂隙出露,且結果顯示北石窟寺上方形變速率較大,是造成崖體出現大量裂隙,導致北石窟寺的造像及壁畫等文物本體遭受損壞的原因之一,建議在今后的保護研究中采取持續的地表形變監測措施。

3.2 研究區累計形變

為了更直觀地分析北石窟寺區域地面形變變化趨勢及規律,以2019年1月23日為第一時相,設其位移量為0,繪制其后每個時相相對于第一時相的形變量,即累計位移量,得到近年來研究區時間序列形變結果(圖4)。圖中形變值負值表示沉降,正值表示抬升,該圖與圖3所示區域范圍大小、位置均一致。

圖4 北石窟寺區域時序形變結果Fig.4 Time-series deformation results in North Grotto Temple area

由圖4可知,蒲茹兩河交匯處率先開始產生形變,形變值隨著時間逐漸變大,形變面積隨著時間不斷擴張,對北石窟寺區域穩定性產生了一定的影響。

選取5個典型點(圖3)繪制地表的時序累計形變量圖(圖5)。圖中形變量負值表示沉降,正值表示抬升。

圖5 典型點時序累計形變量圖Fig.5 Diagram of cumulative deformation values of typical points

從圖5可以看出,該區域在1、2月份基本無形變發生,3～8月份為造成形變主要月份,且靠近河流處產生形變較大,遠離河流處產生形變較小,9～12月份基本穩定。

可以得出結論,研究區形變結果季節性變化的規律。土壤侵蝕同樣呈現出隨季節變化的規律性,其主要原因為氣候的季節變化造成土壤侵蝕的外營力如水力、風力、凍融和動物活動的變化。在春季2～4月份隨著氣溫上升,冬季凍結的土壤表層首先融化,而下部仍然凍結,形成隔水層,上部被水浸潤的土體成流塑狀態,受重力影響向下流動、蠕動或滑塌,凍融侵蝕活躍。且春季是該地區風力最強勁的季節,風力侵蝕也十分強烈。隨著夏季的到來,草木萌發,動物侵蝕開始增強。6月以后進入降雨季節,根據該地區年降水量分布,2019年6～8月降水量占全年降水量56.2%,水力侵蝕在該時間段最為強烈,也是一年中土壤侵蝕最主要的時候。隨后逐漸減弱,在11月份到來年2月份,風力、水力侵蝕都較弱,侵蝕作用不明顯[23]。由此導致了研究區形變結果的規律性同土壤侵蝕一致,造成其形變的主要因素為土壤侵蝕。

從圖3～4可以看出,2019年9月份開始研究區形變量顯著減少,其原因除上述季節性影響,風力、水力侵蝕均較弱外,分析主要為董志塬固溝保塬水土保持生態建設項目的順利完成,對研究區穩定性產生了積極的影響。據了解,早在2007年,為遏制董志塬溯源侵蝕嚴重的現象,慶陽市政府開展了董志塬治理保護專題研究和討論。并于2015年對危險性較高的12條溝道開展了先期治理。2017年董志塬固溝保塬水土保持生態建設項目正式由國家啟動,以“固溝保塬,以溝養塬”為保護理念,在塬面、溝頭、溝坡、溝底構筑四道防線——塬面徑流調控、溝頭溝岸加固防護、坡面林草植被恢復、溝道水沙集蓄。截至2019年年底,完成了33條大型搶救性溝頭溝道綜合治理項目,基本遏制了塬面萎縮、溝壑發展的趨勢[24]。該項目在遏制董志塬溯源侵蝕現象的同時,對慶陽北石窟寺區域的穩定性也產生了積極的作用,其遏制了覆鐘山崖體節理裂隙的發育,減弱了北石窟寺的造像及壁畫等文物的進一步損壞,對北石窟寺長期保護起到了不可忽視的積極作用。

4 結 論

本工作基于小基線集干涉測量(SBAS-InSAR)技術,利用2019年1月23日～2019年12月25日期間15景Sentinel-1A數據對慶陽北石窟寺區域穩定性進行監測。監測及分析結果如下:

1) 在2019年期間北石窟寺所在的覆鐘山形變速率為-1.8～-8.7 mm/a;山體相對穩定,未發現明顯滑坡變形特征的跡象;其中覆鐘山西南側(即北石窟寺開鑿一側)變形相對較大,形變速率為-5.2～-8.7 mm/a;覆鐘山其他側方向變形相對較小,形變速率為-1.8～-5.2 mm/a;

2) 北石窟寺西南方向約200 m處,蒲茹兩河交匯及其周邊區域形變速率較大,為-8.6～-15.6 mm/a;推測其原因為蒲、茹河兩河的侵蝕,以及周邊大量建筑的影響;

3) 從時序累計形變圖中可以看出,北石窟寺區域形變集中在3～8月份,根據該地區年降雨量分布得出,期間降雨量的增加增強了水力侵蝕,加速了對土壤的破環,進而使北石窟寺部分區域產生形變。但隨著2019年年底董志塬固溝保塬項目的順利實施,研究區土壤侵蝕現象的到了有效遏制,研究區在2019年9～12月份形變量微小,北石窟寺區域穩定性得到加強。

4) 本工作驗證了小基線集干涉測量(SBAS-InSAR)技術在文物保護領域,尤其是石窟寺區域穩定性的長期監測的可行性,為石窟寺遺址長期保護提供了新的思路和方法,也期待InSAR技術在文物保護領域更加深入的研究和應用。