黃土灌溉區(qū)域地面沉降InSAR監(jiān)測結(jié)果分析

何 楊，趙超英,2*，張 勤,2（.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西?西安 70054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，陜西?西安 70054）

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黃土灌溉區(qū)域地面沉降InSAR監(jiān)測結(jié)果分析

何 楊1，趙超英1,2*，張 勤1,2
（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西?西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，陜西?西安 710054）

摘 要：合成孔徑雷達是近年發(fā)展起來的一種空間對地觀測技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于獲取地表信息及地表形變。地面沉降形變緩慢且影響范圍大，已成為國內(nèi)外城市主要地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)域位于涇河南岸下游，距陜西省西安市約50km。通過選取覆蓋涇陽南塬黃土灌溉區(qū)的11景X波段TerraSAR數(shù)據(jù)，采用短基線集技術(shù)（SBAS-InSAR技術(shù)）進行地面沉降監(jiān)測。結(jié)果表明涇陽南塬灌溉區(qū)具有兩個地面沉降區(qū)域，其在121天內(nèi)沿剖線累計形變分別達到了6.4cm和2.7cm。經(jīng)對地面沉降區(qū)域相關(guān)的水井分布情況的實地調(diào)查，分析了形變中心形變速率和附近水井地下水水位高程資料，發(fā)現(xiàn)地面沉降由灌溉引起合成孔徑雷達是近年發(fā)展起來的一種空間對地觀測技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于獲取地表信息及地表形變。地面沉降形變緩慢且影響范圍大，已成為國內(nèi)外城市主要地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)域位于涇河南岸下游，距陜西省西安市約50km。通過選取覆蓋涇陽南塬黃土灌溉區(qū)的11景X波段TerraSAR數(shù)據(jù)，采用短基線集技術(shù)（SBAS-InSAR技術(shù)）進行地面沉降監(jiān)測。結(jié)果表明涇陽南塬灌溉區(qū)具有兩個地面沉降區(qū)域，其在121天內(nèi)沿剖線累計形變分別達到了6.4cm和2.7cm。經(jīng)對地面沉降區(qū)域相關(guān)的水井分布情況的實地調(diào)查，分析了形變中心形變速率和附近水井地下水水位高程資料，發(fā)現(xiàn)地面沉降由灌溉引起。

關(guān)鍵詞：地面沉降；合成孔徑雷達干涉測量；小基線集技術(shù)；時間序列；黃土灌溉區(qū)

地面沉降是在自然因素和人為因素的共同作用下，由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致的區(qū)域性地面標高緩慢下沉的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象[1]，是地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)破壞所導(dǎo)致的惡果，嚴重時會發(fā)展成為一種地質(zhì)災(zāi)害[2]。據(jù)統(tǒng)計我國目前已先后有21個省90多個城市或地區(qū)發(fā)生不同程度的地面沉降，地面沉降總面積達到了近10萬km2，形成了華北平原、長江三角洲地區(qū)、汾渭盆地等地面沉降現(xiàn)象嚴重的典型區(qū)域。該類地面沉降主要是由于過量抽取地下水而引起，具有影響范圍大，緩變型且難以規(guī)避等特點，引起政府管理部門及科研學(xué)術(shù)界的高度重視，并開展了大量調(diào)查監(jiān)測和機理研究工作[3～5]。

而另有一類規(guī)模相對較小的、由于農(nóng)田灌溉引起地面沉降，其形變機理與城市地面沉降相反，還沒有引起足夠重視。如位于陜西涇陽南塬的黃土塬農(nóng)田區(qū)域，由于季節(jié)性灌溉，地下水位呈現(xiàn)上升趨勢，但該區(qū)域仍存在明顯的持續(xù)的地面沉降現(xiàn)象，而且在1km范圍的黃土塬邊形成系列黃土滑坡區(qū)。對于農(nóng)田灌溉引起的地面沉降的監(jiān)測，對于研究地面沉降機理、保護農(nóng)田以及研究其影響范圍內(nèi)的黃土滑坡均具有重要理論意義和實際價值。

合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)在相干性很好的城市區(qū)域得到成功的應(yīng)用[6～10]，而在農(nóng)田等相干性較低的區(qū)域進行形變監(jiān)測需要采取一些特殊措施。本文研究了基于最短時間間隔的德國空間局TerraSAR數(shù)據(jù)，采用小基線集（SBAS）InSAR技術(shù)監(jiān)測獲取了地面沉降的累計形變信息和時間序列結(jié)果，通過與區(qū)域歷史地下水變化結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)了灌溉型地面沉降的特殊形變機理。

1　SBAS InSAR技術(shù)原理

SBAS InSAR技術(shù)通過設(shè)置時間和垂直基線閾值，來減弱時間和基線引起的失相干[11]。增加SAR影像數(shù)據(jù)，可以有效提高InSAR形變監(jiān)測精度。假設(shè)第j幅干涉圖是由tA和tB時刻獲得的兩幅SAR圖像產(chǎn)生的，并已去除了地形相位部分，假設(shè)tB>tA，在方位距離像素坐標系(x,r)中，(x,r)處的差分解纏相位可以表示為：

其中λ為波長，M為干涉對個數(shù)。假設(shè)有N景影像，于是可得M滿足下列關(guān)系式（假設(shè)N為奇數(shù)）：

如果考慮到不同時間間隔的非線性形變，tA和tB時刻間的累積形變，可以表示成如下形式：

k為tA和tB時刻間SAR數(shù)據(jù)序列。最終得到了M個解纏干涉對，不同SAR數(shù)據(jù)間的累積形變將通過最小二乘（LS）或奇異值分解（SVD）獲得。

2　SBAS數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)域概況

陜西涇陽南塬位于涇河下游南岸，橫跨太平、蔣劉及高莊3個行政鄉(xiāng)，東西長達27.1km，塬區(qū)面積約70 km2[12]。由于臺塬抬升和涇河不斷側(cè)蝕，右岸階地逐漸缺失，塬邊形成了高陡的斜坡帶，陡坡高為40～90m，坡度為40～70°[13]。

2.2 實驗數(shù)據(jù)及處理

本文共獲取2011年11月至2012年3月近121天的TerraSAR數(shù)據(jù)。該時間段數(shù)據(jù)覆蓋兩個地面沉降區(qū)域，總數(shù)據(jù)量11景。

首先，將所有從影像統(tǒng)一與主影像進行粗、精配準，所選擇的主影像拍攝時間為2012-01-01；通過設(shè)置時間、空間基線閾值來削弱時空失相關(guān)對干涉對的影響，本文所選的時間基線閾值為66天，空間基線閾值為±300m，共得到14對符合條件的干涉對，如圖1所示。以其中一個干涉對為例進行處理過程說明，先將精確配準后主從影像進行干涉處理，為抑制噪聲，本文進行了方位向距離向為2:2的多視處理，得到的干涉對的空間分辨率約為3m×3m；由等高線插值成10m分辨率的DEM，去除地形相位，從而獲得差分干涉圖；利用改進的自適應(yīng)濾波方法對所有差分干涉圖進行頻域濾波；通過掩模方式削弱或避免低相干區(qū)域（海域或者孤島）對相位解纏的影響，使其不參與相位解纏，同時通過設(shè)置一定的相干性閾值（>0.2）來選擇相對穩(wěn)定的點進行最小費用流（MCF）解纏。其中，某些解纏后的相位圖中仍殘留部分的非線性軌道相位，因此進一步采用二次多項式對其進行去除。最后通過SBAS-InSAR技術(shù)得到研

圖1　基線分布圖Fig.1 Interferometric SAR configurations for time series deformation calculation

3　結(jié)果及分析

采用SBAS技術(shù)對上述數(shù)據(jù)進行解算，得到研究區(qū)域的地面沉降速率圖。圖2為研究區(qū)域121天地面沉降累積形變圖。編號Ⅰ位于蔣劉村正東邊，編號Ⅱ位于余家堡與蔣劉村之間。

圖2　121天累積形變Fig.2 Cumulative deformation maps in 121 days

兩個地面沉降區(qū)域Ⅰ和Ⅱ分別距離塬邊約620m和330m，其剖面線AB和CD如圖3所示。由圖3(a)可得，地面沉降Ⅰ呈條帶狀展布，長和寬分別為570m和130m，沿剖面線AB最大累積形變?yōu)?.39cm。由圖3(b)可得，地面沉降Ⅱ長和寬分別為360m和230m，沿剖面線CD最大累積形變?yōu)?.65cm。

圖3　地面沉降區(qū)域剖面線形變時間序列Fig.3 The time series of deformation along profile in land subsidence area

資料顯示涇陽南塬分布著許多水井，該監(jiān)測區(qū)域分布有四口水井（如圖2）。地面沉降Ⅱ位于井3與井4之間，地面沉降Ⅰ與井2相近，而井1位于地面沉降Ⅰ的東南方向。井1、井3、井4為灌溉水井，而井2為飲用水井。

選取地面沉降Ⅰ的形變中心，計算該點的地面沉降速率（如圖4），該速率呈現(xiàn)加速趨勢。2012年3月與2012年5月野外調(diào)查顯示井2處地下水位上升了5.7m[14]。由此可見，該地區(qū)的沉降非飲用取水所致，究其原因是由于農(nóng)田灌溉引起的。大量的農(nóng)田灌溉使得黃土的含水量不斷上升，導(dǎo)致黃土本身的結(jié)構(gòu)被破壞，黃土顆粒之間的空隙減小，在地表表現(xiàn)為地面沉降。

圖4　地面沉降I形變速率時間序列與井2地下水位高程Fig.4 The land subsidence rate and groundwater level elevation

4　結(jié)論

本文通過2011年11月至2012年3月11景TerraSAR數(shù)據(jù)，采用SBAS-InSAR技術(shù)成功獲取研究區(qū)域地面沉降地理位置、空間分布、累積形變和形變時間序列結(jié)果。野外實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)涇陽南塬地面沉降與灌溉引起的地下水上升有密切關(guān)系。

致謝

感謝德國空間局DLR提供的TerraSAR數(shù)據(jù)（No.LAN2471）。本文由國家重點基礎(chǔ)研究計劃項目（973計劃）（No.2014CB744703）和中國自然科學(xué)基金（No.41372375）聯(lián)合資助。

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InSAR monitoring result analysis of land subsidence in loess irrigation area

HE Yang1,ZHAO Chao-Ying1,2,ZHANG Qin1,2
(1.College of Geological Engineering and Surveying,Chang'an University,Shaanxi Xi'an 710054,China;2.Key Laboratory of Western China Mineral Resources and Geological Engineering,Ministry of Education of China,Shaanxi Xi’an 710054,China)

Abstract:Synthetic aperture radar interferometry is a newly developed technology with potential for terrestrial observation from space,and is now being used to obtain information about the earth’s surface.This technology can be used to monitor land subsidence deformation,which is a slow process that can affect large areas and a major geological hazard for cities.We monitored the characteristics of loess irrigated areas using short baseline set technology (SBAS-InSAR technique) with 11 X-band TerraSAR images of the South Jingyang platform.The region of study is located downstream of the Jinghe river’s south bank,about 50 km from Xi’an,Shaanxi.Results demonstrated that the South Jingyang platform has two ground subsidence areas and the accumulated deformation along the profile reached 6.4 cm and 2.7 cm,respectively,in 121 days.We investigated the distribution of water wells,which related to ground subsidence areas.Based on the deformation rate and water level elevation data analysis,we found that land subsidence is caused by irrigation.

Key words:land subsidence;InSAR;small baseline subsets (SBAS) InSAR;time series;loess irrigation area

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究計劃(973計劃)項目(2014CB744703);中國自然科學(xué)基金項目(41372375)*通訊作者:趙超英(博士/教授):zhaochaoying@163.com

作者簡介:何楊(1990-),男,碩士生,主要從事地質(zhì)災(zāi)害InSAR監(jiān)測分析.

修訂日期:2015-12-20

收稿日期:2015-11-18

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.015

中圖分類號：P642.26

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0066-03

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