管 威
(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610059)
自從2018年3月30日以來,四川省自貢市榮縣和內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2019年9月10日,兩地共發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害高達(dá)19次。對(duì)附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后對(duì)礦區(qū)周邊地表形變探測(cè)及穩(wěn)定性評(píng)估在今后預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害方面具有重要意義。
地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性和不確定性,基于雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技術(shù)為災(zāi)害發(fā)生后地表形變探測(cè)提供了新的技術(shù)途徑。InSAR技術(shù)是監(jiān)測(cè)地殼形變的有力手段,對(duì)于研究減災(zāi)具有重要的意義[1]。InSAR技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、空間分辨率高等特點(diǎn),可以大范圍、高靈敏度、無接觸的觀測(cè)地表變形,反演發(fā)震斷層幾何參數(shù)和滑動(dòng)參數(shù)[2]。InSAR通過對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)刻獲取的SAR影像的相位信息進(jìn)行干涉處理,并從干涉相位中提取地表形變信息,其中的地表形變信息可通過D-InSAR技術(shù)獲得,測(cè)量精度可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)[3]。基于歐洲空間局哨兵一號(hào)(Sentinel-1)雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù),反演了斷層滑動(dòng)分布[4]。隨著雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)硬件的不斷提升,雷達(dá)遙感在未來將會(huì)發(fā)揮更加重要的作用[5]。
本文將利用D-InSAR技術(shù),基于降軌Sentinel-1雷達(dá)影像獲取礦區(qū)地表形變情況,對(duì)榮縣和威遠(yuǎn)縣區(qū)域因地質(zhì)災(zāi)害造成的地表形變進(jìn)行探測(cè),為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后穩(wěn)定性評(píng)估提供有力支持,同時(shí)也為地質(zhì)災(zāi)害的防治工作提供思路與借鑒。
本文研究區(qū)域位于我國四川省東南部(圖1),主要包含自貢市榮縣和內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣(經(jīng)緯度范圍:104.3°E~104.7°E,29.35°N~29.62°N)。研究區(qū)域地貌為盆地和丘陵,西北部地勢(shì)較高,區(qū)域平均海拔500m。
圖1 研究區(qū)位置
圖2 用D-InSAR技術(shù)分析范圍
本文所采用的研究數(shù)據(jù)為Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Sentinel-1衛(wèi)星是ESA(European Space Agency,歐洲航天局)執(zhí)行哥白尼全球觀測(cè)計(jì)劃所研制,由Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座,可以進(jìn)行全球全天候、全天時(shí)高分辨率監(jiān)測(cè),采用C波段成像,波長(zhǎng)約5.6cm。本文采用的是Sentinel-1數(shù)據(jù)對(duì)地觀測(cè)默認(rèn)成像模式為IW(干涉寬幅),幅寬為250km,地面分辨率為5m×20m。本文研究研究區(qū)域根據(jù)榮縣多次地質(zhì)災(zāi)害所發(fā)生的時(shí)間和范圍(圖2),采用25景Sentinel-1A降軌數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)精密軌道數(shù)據(jù),軌道號(hào)為164。
DInSAR技術(shù)的物理機(jī)制源自1801年Thomas Young設(shè)計(jì)的“楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”?;诖嗽?,利用衛(wèi)星雷達(dá)沿重復(fù)軌道獲取同一地區(qū)兩幅影像,然后進(jìn)行類似楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的相位干涉處理,得到干涉相位,進(jìn)而從干涉相位中分離和提取出不同的相位分量。SAR影像記錄了地面目標(biāo)雷達(dá)回波信號(hào)的散射強(qiáng)度信息和相位信息,DInSAR正是利用了兩幅影像斜距相位差。干涉相位Δφ由多個(gè)分量構(gòu)成,主要包括參考橢球面相位Δφref,地形相位Δφtop,形變相位Δφdef,大氣相位Δφatm和噪聲相位Δφnoi,具體如下 :
從干涉相位中提取Δφdef,得到地標(biāo)形變?chǔ),關(guān)系式如下:
本文采用DInSAR技術(shù),分別將2018年3月~2019年9月自貢榮縣和內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣的多次地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理,使用AW3D30M的30m分辨率的高程數(shù)據(jù)消除地形相位,采用自適應(yīng)濾波的方法減少相位噪聲,并采用最小費(fèi)用流法進(jìn)行解纏。最后處理得到15幅相位干涉圖(圖3)是纏繞在一個(gè)相位周期(-π~π)內(nèi)的觀測(cè)結(jié)果。
圖3 干涉圖
從干涉圖結(jié)果中,發(fā)現(xiàn)”20190216~20190228”干涉結(jié)果中有一處明顯形變,其他干涉圖中并未發(fā)現(xiàn)有明顯形變的地方。
將”20190216~20190228”干涉結(jié)果解算為礦區(qū)周邊地表形變值(圖4),得到形變量值在-22.9mm~22.3mm之間,負(fù)值代表地表沉降,正值代表地表抬升。將形變圖與斷層(地質(zhì))數(shù)據(jù)結(jié)合(黑線代表斷層),紅色圓點(diǎn)代表3次地質(zhì)災(zāi)害所發(fā)生的位置。
圖4 20190216-20190228地表形變
如圖3,Ⅰ區(qū)域?yàn)榈V區(qū)周邊地表形變抬升區(qū)域,面積約24km2,Ⅱ區(qū)域?yàn)榈乇硇巫兂两祬^(qū)域,面積約為8km2。Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域分別位于斷層兩側(cè),地表形變呈現(xiàn)相反的結(jié)果。四川省內(nèi)的地震具有西強(qiáng)東弱的特點(diǎn),榮縣地處四川東部,從歷史記載和實(shí)際構(gòu)造來看,榮縣沒有發(fā)生6級(jí)以上強(qiáng)烈地震的構(gòu)造基礎(chǔ)。圖4中地表形變結(jié)果也表明,斷層?xùn)|部抬升區(qū)域(Ⅰ區(qū)域)面積明顯大于斷層西部部沉降區(qū)域(Ⅱ區(qū)域)。
本文利用降軌Sentinel-1雷達(dá)影像采用D-InSAR技術(shù)獲取了礦區(qū)周邊地表的形變。通過分析2019年02月24日、2019年02月25日的幾次地質(zhì)災(zāi)害:兩天之內(nèi)發(fā)生,深度均為5km,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾次地質(zhì)災(zāi)害引起較大范圍礦區(qū)周邊地表的形變。因此使用DInSAR技術(shù)和sentinel-1A數(shù)據(jù),能探測(cè)到短時(shí)間、小范圍多次地質(zhì)災(zāi)害所造成礦區(qū)周邊區(qū)域地表形變。