基于InSAR技術(shù)的盤(pán)錦地區(qū)地面沉降研究

張靜，丁黃平，劉純，謝文然，時(shí)雨

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽(yáng) 110034;2.遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 沈陽(yáng) 110032

0 引言

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是利用對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)的兩景或多景SAR影像復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，獲取高精度的三維地形信息及微小形變信息的技術(shù)，具有精度高、覆蓋范圍大、全天候、全天時(shí)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測(cè)[1,2]。目前，D-InSAR利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息，進(jìn)行地表垂直形變量的提取，其精度已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)[3-5]，該技術(shù)為地表變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了全新方法，具有常規(guī)觀測(cè)手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。已較廣泛地應(yīng)用于礦區(qū)沉陷、地面沉降、滑坡等方面的監(jiān)測(cè)中[6,7]。SBAS-InSAR是基于D-InSAR的一種方法，能夠極大限度地克服時(shí)間和空間失相干的影響，提高精度[8]。為準(zhǔn)確掌握近幾年盤(pán)錦地區(qū)地面沉降的分布及動(dòng)態(tài)演化特征，本文利用中、高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別采用SBAS-InSAR和D-InSAR技術(shù)獲取了2013—2016年間和2007—2009年間盤(pán)錦地區(qū)的地面沉降時(shí)空分布特征，為該區(qū)地面沉降防治提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

盤(pán)錦市位于遼寧省西南部，遼河三角洲中心地帶，瀕臨渤海。研究區(qū)位于盤(pán)錦市的西部，地形平坦開(kāi)闊，海拔一般在2～4 m之間。地勢(shì)北高、南低，由北向南逐漸微微傾斜，比降為10-4±，坡降平緩，為廣闊的沖海積三角洲低平原。區(qū)內(nèi)主要水系有遼河和繞陽(yáng)河。

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北臺(tái)地的東北部，在區(qū)域構(gòu)造上位于遼河斷陷地帶。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活躍，位于負(fù)向垂直運(yùn)動(dòng)的坳陷區(qū)，下降速率一般為3～5 mm/a，對(duì)地面沉降有影響作用，只是其引起沉降的量級(jí)較小。

地下水類(lèi)型主要為第四系松散巖類(lèi)孔隙水和新近系深層碎屑巖類(lèi)孔隙-裂隙水。第四系松散巖類(lèi)孔隙水廣布，為咸水，含水層厚度70～360 m，地下水埋深0.4～2.4 m，具潛水-微承壓性。新近系深層碎屑巖類(lèi)孔隙-裂隙水，主要賦存于明化鎮(zhèn)組和館陶組地層中，屬深層孔隙-裂隙承壓水。明化鎮(zhèn)組孔隙-裂隙水埋深230～450 m，咸水底板差異較大。館陶組孔隙-裂隙水是重要的供水含水層，其頂板埋深420～1 060 m，含水層厚度100～300 m[9]。由于長(zhǎng)期開(kāi)采新近系地下水，現(xiàn)已形成明顯的地下水位降落漏斗，且呈逐年加深擴(kuò)大趨勢(shì)。

研究區(qū)位于穩(wěn)定性較差的沖海積低平原工程地質(zhì)區(qū)，鹽堿土和沼澤化區(qū)及濕地大面積分布，淤泥質(zhì)層廣泛分布。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)

為提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別選取不同時(shí)段的Radarsat-2和Envisat-1 ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行盤(pán)錦地區(qū)的地表形變反演研究，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相互驗(yàn)證。SAR影像及研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area

覆蓋研究區(qū)域的19期C波段(波長(zhǎng)5.6 cm)Radarsat-2雷達(dá)影像編程數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間為2013年5月30日到2016年2月8日(表1)，數(shù)據(jù)分辨率為8 m，多視精細(xì)模式，極化方式HH，數(shù)據(jù)格式為單波段tiff格式，所有數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確的地理參考信息和精確的軌道參數(shù)。

表1 Radarsat-2影像數(shù)據(jù)列表

覆蓋研究區(qū)域的3期ASAR雷達(dá)影像存檔數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間分別為2007年4月至2009年6月(表2)，數(shù)據(jù)分辨率為30 m，Image圖像模式，極化方式HH，數(shù)據(jù)格式為單波段tiff格式，所有數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確的地理參考信息和精確的軌道參數(shù)。

DEM數(shù)據(jù)集利用SRTM3 V4.1版本的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工得來(lái)，空間分辨率為90 m。

表2 ASAR影像數(shù)據(jù)列表

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

由于兩種不同的雷達(dá)數(shù)據(jù)具有不同的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)量也不同，因此Radarsat-2數(shù)據(jù)運(yùn)用小基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)采用GAMMA軟件SARScape平臺(tái)進(jìn)行處理，ASAR數(shù)據(jù)運(yùn)用D-InSAR技術(shù)中的二軌法采用SARmap公司研發(fā)雷達(dá)圖像處理軟件ENVI SARScape進(jìn)行處理。

小基線集，又稱(chēng)短基線集，是目前有代表性的高級(jí)(多基線)InSAR方法之一。該方法最初由Berardino提出，其初衷是用于提取低分辨率、大尺度地表形變。小基線集方法根據(jù)獲取SAR影像序列在時(shí)間、空間基線的分布，將數(shù)據(jù)組合成若干個(gè)集合，即集合之內(nèi)，干涉對(duì)空間基線距小，而集合間干涉對(duì)空間基線距大。在地表形變反演階段，為連接多個(gè)小基線集合，提高數(shù)據(jù)處理的時(shí)間采樣率，引入奇異值分解方法，獲取最小范數(shù)解[10]。

二軌法采用形變前和形變后的SAR組成干涉對(duì)，干涉得到包含形變值的干涉相位，依據(jù)已有的高程信息(如DEM)和SAR成像參數(shù)模擬參考相位和地形相位，將干涉相位和模擬的相位進(jìn)行差分得到地表形變相位，進(jìn)而將形變相位轉(zhuǎn)換為形變值。二軌差分干涉測(cè)量處理流程圖如圖2所示。

圖2 二軌法差分干涉流程圖Fig.2 Two track differential interference flow chart

3 結(jié)果與分析

3.1 地面沉降現(xiàn)狀

根據(jù)19期Radarsat-2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，得到2013年5月至2016年2月盤(pán)錦地區(qū)累積沉降量圖(圖3)和沉降速率圖(圖4)。圖中存在一些數(shù)據(jù)空白區(qū)域，主要是由于研究區(qū)位于盤(pán)錦濕地內(nèi)，大部分區(qū)域被蘆葦覆蓋，而且水系較發(fā)達(dá)，冬季有近4個(gè)月被冰雪覆蓋，雷達(dá)影像的相干性受到較大的影響。整個(gè)影像范圍內(nèi)存在兩個(gè)較大的沉降區(qū)，一個(gè)位于曙光采油廠曙四聯(lián)(區(qū)域A)，沉降區(qū)面積約為43.6 km2，其中沉降嚴(yán)重區(qū)面積約2.62 km2，最大沉降量為-551.71 mm，最大沉降速率為-151.49 mm/a；另一個(gè)位于凌海市安屯鎮(zhèn)龍王村(區(qū)域B)，沉降區(qū)面積約為33.28 km2，沉降較嚴(yán)重區(qū)面積約2.28 km2，最大沉降量為-385.76 mm，最大沉降速率為-119.55 mm/a(表3)。

表3 13-16時(shí)相內(nèi)各級(jí)沉降區(qū)域面積

利用20070406-20090619數(shù)據(jù)進(jìn)行D-InSAR分析，得到2007年至2009年的沉降情況(圖5，圖6)。圖中存在三個(gè)沉降區(qū)，總體分布于圖像的中上部分。如圖7所示，一個(gè)位于曙光采油廠(A區(qū))，沉降區(qū)總面積47.4 km2，其中沉降嚴(yán)重區(qū)位于曙光七分廠，面積約3.16 km2，最大沉降量為-287.91 mm，最大沉降速率為-151.49 mm/a。一個(gè)位于安屯鎮(zhèn)孔家鋪—龍王村附近(B區(qū))，面積約40.62 km2，最大沉降量為-179.24 mm，最大沉降速率為-66.33 mm/a。還有一個(gè)位于右衛(wèi)鎮(zhèn)的苗屯昌盛村附近(C區(qū))，面積約62.54 km2，最大沉降量為-115.85 mm，最大沉降速率為-28.59 mm/a(表4)。

圖3 20130530-20160208時(shí)相內(nèi)沉降量Fig.3 Cumulative settlement from 20130530 to 20160208

圖4 20130530-20160208時(shí)相內(nèi)沉降速率Fig.4 Settlement rate from 20130530 to 20160208

圖5 20070406-20090619時(shí)相內(nèi)沉降量Fig.5 Cumulative settlement from 20070406 to 20090619

圖6 20070406-20090619時(shí)相內(nèi)沉降速率Fig.6 Settlement rate from 20070406 to 20090619

圖7 07-09時(shí)相內(nèi)的主要沉降區(qū)域Fig.7 Main subsidence areas in 07-09 time phases

通過(guò)對(duì)比13-16時(shí)相和07-09時(shí)相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方法均得到兩個(gè)較大的沉降區(qū)，分別位于曙光采油廠附近和孔家鋪—龍王村附近。從07-09到13-16時(shí)相，曙光采油廠沉降區(qū)面積由47.4 km2變?yōu)?3.6 km2，沉降中心由曙光七分廠向西偏移為曙四聯(lián)；孔家鋪—龍王村沉降區(qū)面積由40.62 km2減小到33.28 km2，沉降中心由孔家鋪向西偏移為龍王村。初步分析認(rèn)為，這是由于ASAR數(shù)據(jù)量少，且分辨率較低(30 m)，誤差較大造成的。

表4 07-09時(shí)相內(nèi)各級(jí)沉降區(qū)域面積

3.2 累積沉降量時(shí)序分析

在曙光采油廠選取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行累積沉降量時(shí)序分析。依據(jù)Radarsat-2監(jiān)測(cè)結(jié)果，SG01的累積沉降量為-416.27 mm，SG02的累積沉降量為-545.46 mm，兩者的折線圖如圖8。由圖可知，SG01在2013年5月—2014年1月之間沉降相對(duì)比較緩慢，后面沉降逐漸加深，進(jìn)入2015年后沉降進(jìn)一步加快，呈現(xiàn)出愈演愈烈的趨勢(shì)，累積沉降量達(dá)-416.27 mm。SG02也呈類(lèi)似的沉降趨勢(shì)，在2013年5月—2013年11月之間沉降相對(duì)比較緩慢，之后逐漸加速，2015年7月—2016年2月之間達(dá)到最快，累積沉降量達(dá)-545.46 mm。

圖8 SG01、SG02點(diǎn)累積沉降量隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of cumulative settlement of SG01 and SG02 with time

在龍王村選取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行累積沉降量時(shí)序分析。依據(jù)Radarsat-2監(jiān)測(cè)結(jié)果，LW01的累積沉降量為-280.67 mm，LW02的累積沉降量為-234.81 mm，兩者的折線圖分別如圖9。

圖9 LW01、LW02點(diǎn)累積沉降量隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of cumulative settlement of LW01 and LW02 with time

由圖9可知，LW01在2013年5月—2014年12月之間沉降相對(duì)比較緩慢，后面沉降逐漸加深，到2015年11月后沉降有一個(gè)突然加速的過(guò)程，累積沉降量達(dá)-280.67 mm。LW02的沉降在2013年5月—2014年3月之間沉降相對(duì)比較緩慢，2014年3月—2014年5月之間突然加速，之后呈現(xiàn)出穩(wěn)定的沉降趨勢(shì)，累積沉降量達(dá)-234.81 mm。

圖10和圖11分別為曙四聯(lián)沉降區(qū)2007—2008、2007—2009及2013—2014、2013—2015和2013—2016的沉降量。從圖10看出，2007—2008沒(méi)有嚴(yán)重沉降區(qū)(紅色區(qū)域)和較嚴(yán)重沉降區(qū)(橙色區(qū)域)，只有中等沉降區(qū)。到2009年，沉降上升了1～2個(gè)等級(jí)，中等沉降區(qū)轉(zhuǎn)化成了嚴(yán)重沉降區(qū)和較嚴(yán)重沉降區(qū)。沉降區(qū)面積由37.28 km2增大到47.4 km2，增加了10.12 km2。從圖11可以看出自2013年5月至2016年2月的整個(gè)觀測(cè)期間，曙四聯(lián)發(fā)生地面沉降的區(qū)域不斷擴(kuò)大，累積沉降量明顯逐年增大。至2014年1月，該區(qū)不存在嚴(yán)重、較嚴(yán)重沉降區(qū)域；到了2015年1月，嚴(yán)重、較嚴(yán)重沉降區(qū)域面積分別達(dá)到了0.15 km2、4.76 km2；2016年2月嚴(yán)重、較嚴(yán)重沉降區(qū)域面積分別增大到2.62 km2、6.16 km2。沉降區(qū)總面積由28.56 km2增大到43.6 km2，增加了15.04 km2。

圖10 2007—2009曙四聯(lián)累積沉降量時(shí)間序列變化Fig.10 Time series of cumulative settlement of Shusilian in 2007—2009

圖11 2013—2016曙四聯(lián)累積沉降量時(shí)間序列變化Fig.11 Time series of cumulative settlement of Shusilian in 2013—2016

3.3 水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

在曙四聯(lián)沉降區(qū)內(nèi)布設(shè)有39個(gè)地面沉降水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)。為驗(yàn)證InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，獲取了2014年9月至2015年9月之間與Radarsat-2同時(shí)期的水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于受到天氣和下墊面的影響，有些水準(zhǔn)點(diǎn)處沒(méi)有衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后共有16組同名觀測(cè)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星反演值與水準(zhǔn)觀測(cè)值之間的誤差絕對(duì)值<10 mm的有7個(gè)點(diǎn)，10～20 mm之間的有6個(gè)點(diǎn)，20～30 mm之間的有2個(gè)點(diǎn)，>30 mm的有1個(gè)點(diǎn)。以水準(zhǔn)觀測(cè)值為橫坐標(biāo)，衛(wèi)星反演值為縱坐標(biāo)，得到散點(diǎn)圖12。由圖12可知，水準(zhǔn)觀測(cè)與衛(wèi)星InSAR反演結(jié)果比較接近，兩者的均方根誤差約為15.81 mm，InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)有兩個(gè)地面沉降區(qū)：曙四聯(lián)沉降區(qū)，面積約為43.6 km2，最大沉降速率為-151.49 mm/a；龍王村沉降區(qū)，面積約為33.28 km2，最大沉降速率為-119.55 mm/a。

(2)2007—2009年Envisat-1 ASAR數(shù)據(jù)得到的兩個(gè)沉降區(qū)與2013—2016年Radarsat-2數(shù)據(jù)得到的沉降區(qū)基本一致，證明了數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。

(3)研究區(qū)兩個(gè)地面沉降區(qū)域的累積沉降量和沉降區(qū)范圍均隨著時(shí)間不斷增大。

圖12 水準(zhǔn)觀測(cè)與衛(wèi)星InSAR反演結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.12 Scatter plot of level observation and InSAR inversion results

(4)衛(wèi)星反演值與水準(zhǔn)觀測(cè)值比較接近，InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性。