基于PS-InSAR技術(shù)的淄博市地面沉降監(jiān)測(cè)

邢立鵬，曲國(guó)慶，黃潔慧，鄧曉景

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

淄博市礦產(chǎn)資源豐富，煤礦、鐵礦、鋁土礦等資源的大量開采產(chǎn)生了大面積的采空區(qū)，容易造成地面不均勻沉降。據(jù)相關(guān)資料顯示，地面沉降已成為淄博市的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。地面沉降會(huì)使建筑物、構(gòu)筑物墻體開裂，損害鐵路與道路路基，還會(huì)破壞現(xiàn)有管道設(shè)施，影響人們的生產(chǎn)和生活安全[1]。山東省全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站綜合服務(wù)系統(tǒng)(Shandong Continuous Operational Reference Systerm，SDCORS)在淄博市有12個(gè)站點(diǎn)，空間密度過小，難以獲得連續(xù)的空間形變分布場(chǎng)[2]，而利用水準(zhǔn)測(cè)量的方法監(jiān)測(cè)地面沉降工作量大，觀測(cè)周期長(zhǎng)。

與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry，D-InSAR)利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的雷達(dá)圖像相位信息，提取地表形變量，具有連續(xù)空間覆蓋和髙度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)地表形變的能力[3-4]。相關(guān)專家學(xué)者利用D-InSAR技術(shù)對(duì)香港、臺(tái)灣、天津、北京、江蘇鹽城等地區(qū)進(jìn)行了地面沉降研究，分析了D-InSAR在地面沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)要點(diǎn)，證明D-InSAR技術(shù)精度可達(dá)亞厘米級(jí)[5-9]。部分學(xué)者利用InSAR技術(shù)研究了山東省內(nèi)的沂沭斷裂帶、黃河三角洲以及濟(jì)寧等地區(qū)的地表形變，對(duì)地表形變與板塊運(yùn)動(dòng)、地下水采集和礦產(chǎn)開采之間的關(guān)系展開分析[10-12]，豐富了山東地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域。由于D-InSAR技術(shù)受時(shí)空基線、大氣效應(yīng)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的制約，導(dǎo)致難以獲取連續(xù)的地表形變場(chǎng)。基于永久性散射體(Permanent Scatterers，PS)的InSAR技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)大氣效應(yīng)和時(shí)空去相干的影響[13-15]，從穩(wěn)定的PS單元上獲得高密度的地表形變場(chǎng)，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)毫米級(jí)[16-17]。自2001年Ferretti等人率先提出PS概念以來，PS-InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越多，不僅解決了非線性運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)問題，還通過與傳統(tǒng)InSAR技術(shù)比較，證明了PS-InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[18]。

1 PS-InSAR技術(shù)地面沉降監(jiān)測(cè)原理

(1)

和

(2)

(3)

(4)

式(3)、(4)表明，PS-InSAR技術(shù)獲取的高程以及形變速率精度是時(shí)間相干性和時(shí)空基線分布的函數(shù)，該模型與干涉像對(duì)的組合方式無關(guān)。

2 淄博市地面沉降分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采用2007年10月3日—2011年2月26日的25景L波段的ALOS PALSAR SLC影像，影像的軌道方向?yàn)樯墸瑯O化方式為HH極化，時(shí)間信息如表1所示，在25景數(shù)據(jù)中，22景相鄰數(shù)據(jù)相隔1個(gè)重訪周期(ALOS的重訪周期為46 d)，3景相鄰數(shù)據(jù)之間相隔2個(gè)重訪周期，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

表1 SLC影像獲取時(shí)間表

實(shí)驗(yàn)綜合考慮時(shí)空基線對(duì)干涉像對(duì)的影響，選取2010年1月8日的SLC影像作為主影像，其它SLC影像作為輔影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)和干涉處理，得到24幅干涉圖，各干涉像對(duì)的空間基線如表1所示，24個(gè)干涉像對(duì)的空間基線均小于1/2 ALOS PALSAR數(shù)據(jù)的空間基線閾值(±9 797.055 m)，保證了干涉像對(duì)的質(zhì)量，其中最短空間基線為321.939 m，最長(zhǎng)空間基線為3 564.540 m。在PS點(diǎn)的篩選方面，采用振幅離差指數(shù)法與設(shè)定相干系數(shù)閾值相結(jié)合的方法來提取相干點(diǎn)目標(biāo)，在一定程度上提高了低相干區(qū)域PS點(diǎn)的密度和估算精度。

2.2 形變場(chǎng)分析

實(shí)驗(yàn)共得到203 265個(gè)相干性大于0.8的PS點(diǎn)，PS點(diǎn)的密度約為50個(gè)/km2。PS點(diǎn)在城市地區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民區(qū)密度較大，在博山區(qū)南部和西南部以及淄川區(qū)東南部等山地、丘陵地區(qū)PS點(diǎn)較少。從圖1可以看出，2007年10月3日—2011年2月26日期間，影像覆蓋范圍內(nèi)平均沉降速率在10 mm/a以內(nèi)，淄博市內(nèi)共存在四個(gè)沉降嚴(yán)重的區(qū)域。其中，沉降區(qū)1位于張店區(qū)東北部與臨淄區(qū)的交界處，最大沉降速率為37 mm/a，最大沉降量為126 mm；沉降區(qū)2位于張店區(qū)西南部與淄川區(qū)北部，最大沉降速率為66 mm/a，最大沉降量為206 mm；沉降區(qū)3位于周村區(qū)西南部與淄川區(qū)西部交界地帶，最大沉降速率為45 mm/a，最大沉降量為141 mm；沉降區(qū)4位于博山北部—淄川中部，最大沉降速率為60 mm/a，最大沉降量為182 m。

圖1 2007-10-03—2011-02-26形變速率圖Fig. 1 The deformation rate from 20071003 to 20110226

為解譯區(qū)域沉降結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用Kriging算法對(duì)沉降區(qū)內(nèi)的PS點(diǎn)進(jìn)行插值，剔除沉降較小的區(qū)域，繪制等值線圖，選取沉降量和沉降范圍較大的沉降區(qū)4進(jìn)行重點(diǎn)分析，如圖2和圖3所示。通過Kriging插值和等值線繪制，能夠直觀看出沉降區(qū)4的沉降詳情及其空間分布特征，沉降區(qū)整體沿張博鐵路呈西南—東北分布，沉降最大的區(qū)域位于博山區(qū)西南部，最大沉降量為182 mm。

圖2 沉降區(qū)4沉降量克里金插值Fig.2 Settlement Kriging interpolation of the settlement area 4

圖3 沉降區(qū)4沉降量等值線圖 Fig.3 Contour map of the settlement area 4

如圖4所示，通過對(duì)淄博市地表形變場(chǎng)的時(shí)間序列處理，獲取了研究區(qū)的地表演變過程。圖4(a)中整個(gè)研究區(qū)內(nèi)沉降量較小，最大沉降量為85 mm，沉降較大的PS點(diǎn)分布較分散，無明顯的沉降區(qū)。圖4(b)中4個(gè)沉降區(qū)已初顯輪廓，最大沉降量為107 mm；至2010年10月11日，沉降區(qū)的空間分布更加明顯，沉降區(qū)范圍和沉降量均有所增大，最大沉降量為151 mm，如圖4(c)所示。圖4(d)中沉降區(qū)1的沉降水平最低，沉降較大的PS點(diǎn)分布相對(duì)離散，沉降區(qū)4的沉降水平最高，沉降較大的PS點(diǎn)分布比較集中。綜上所述，淄博市的地面沉降在時(shí)間和空間上存在明顯的差異，沉降主要集中在4個(gè)區(qū)域，在2008年10月5日—2010年10月11日期間沉降區(qū)范圍擴(kuò)展較快，沉降量逐年增大。

(a)2007-10-03—2008-10-05 (b)2007-10-03—2009-10-08

(c)2007-10-03—2010-10-11 (d)2007-10-03—2011-02-26圖4 淄博市2007-10-03—2011-02-26地面沉降演變圖Fig.4 Evolution Chart of ground subsidence in Zibo from 20071003 to 20110226

綜合圖4(d)、圖5、圖6，通過對(duì)比分析沉降區(qū)分布、礦山地質(zhì)環(huán)境影響分布和地質(zhì)災(zāi)害分布情況，發(fā)現(xiàn)4個(gè)沉降區(qū)均處于礦山地質(zhì)環(huán)境影響嚴(yán)重區(qū)和采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，說明礦產(chǎn)開采是造成淄博市地面沉降的主要因素。

圖5 淄博市礦山地質(zhì)環(huán)境影響分布圖Fig.5 Distribution of geological and environmental effects by mines in Zibo

2.3 精度分析

相關(guān)研究顯示，在雷達(dá)影像大于或等于25景的條件下，距地面參考控制點(diǎn)(Ground Control Point，GCP)小于5 km范圍內(nèi)PS點(diǎn)的形變速率精度最高可達(dá)0.1 mm/a。實(shí)驗(yàn)選取25景ALOS PALSAR SLC數(shù)據(jù)，每3到5 km選取一個(gè)形變量小于0.1 mm的GCP點(diǎn)，理論精度可達(dá)毫米級(jí)。

(5)

(6)

對(duì)淄博市地表形變場(chǎng)精度進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，見表2、表3。在研究區(qū)內(nèi)選擇了兩個(gè)SDCORS站點(diǎn)，運(yùn)用最臨近點(diǎn)位法、最小差值法、100 m算數(shù)平均法、200 m算數(shù)平均法和300 m算數(shù)平均法統(tǒng)計(jì)了SDZB站與ZCHW站距離最近的PS點(diǎn)、差異最小的PS點(diǎn)以及周邊100 m、200 m、300 m范圍內(nèi)所有PS點(diǎn)的形變速率精度以及在相同時(shí)間內(nèi)與CORS站監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異。如表2所示，四種方法求得的形變速率精度均小于3 mm/a，說明形變速率的內(nèi)符合精度為毫米級(jí)。在表3中，SDZB站的監(jiān)測(cè)結(jié)果與最接近該站的PS點(diǎn)的形變量誤差為-7.76 mm，ZCHW站的監(jiān)測(cè)結(jié)果與最接近該站的PS點(diǎn)的形變量誤差為-3.75 mm；CORS站周邊100 m范圍內(nèi)與SDZB站監(jiān)測(cè)結(jié)果相差最小的PS點(diǎn)與其誤差為-0.12 mm，與ZCHW站監(jiān)測(cè)結(jié)果相差最小的PS點(diǎn)與其誤差為-0.62 mm；CORS站周邊100 m、200 m和300 m內(nèi)所有PS點(diǎn)形變量的平均值與CORS站的監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差都在1 cm以下，說明實(shí)驗(yàn)的外符合精度也為毫米級(jí)。綜合表2與表3，驗(yàn)證了PS-InSAR技術(shù)對(duì)淄博市地面沉降的監(jiān)測(cè)精度在毫米級(jí)。

表2 地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果內(nèi)符合精度評(píng)定

表3 地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果外符合精度評(píng)定

3 結(jié)束語(yǔ)

利用PS-InSAR技術(shù)，采用ALOS PALSAR SLC數(shù)據(jù)獲取了淄博市的地表形變速率場(chǎng)，明確了淄博市主要沉降區(qū)的演變過程，結(jié)果表明：

1)研究區(qū)內(nèi)存在4個(gè)大范圍沉降區(qū)，主要分布在張店區(qū)東北和西南部、周村區(qū)南部、博山區(qū)北部、淄川區(qū)中部和西北部等區(qū)域，其分布與淄博市的主要礦區(qū)、采空區(qū)分布較為一致。

2)礦產(chǎn)資源開采使得淄博市各沉降區(qū)發(fā)育異常，地面沉降時(shí)空分布差異性大，在2007年10月3日至2011年2月26日期間，淄博市最大沉降點(diǎn)位于張店區(qū)，沉降速率為66 mm/a，沉降量為206 mm。

3)通過與SDCORS站數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證，證實(shí)PS-InSAR對(duì)淄博市地面沉降的監(jiān)測(cè)精度為毫米級(jí)。

4)試驗(yàn)中的PS點(diǎn)均為相干性大于0.8的房屋角點(diǎn)或者裸露的巖石，在地形起伏較大的山區(qū)與丘陵地區(qū)PS點(diǎn)較少，對(duì)于一些非線性形變和形變較大區(qū)域的監(jiān)測(cè)略顯不足，可以利用D-InSAR技術(shù)輔助進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，或利用SBAS-InSAR的方法彌補(bǔ)。