時序InSAR在南水北調中線形變監(jiān)測中的應用

張永光，田 凡，李迎春，劉豪杰

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，鄭州 450003； 2.西安科技大學 測繪科學與技術學院，西安 710054)

1 研究背景

南水北調中線工程作為我國華北平原水資源調動的戰(zhàn)略性工程，是保障和改善民生的重大戰(zhàn)略性基礎設施，其正式通水優(yōu)化了我國水資源配置的格局、促進了經濟社會可持續(xù)發(fā)展[1]。由于總干渠所經過區(qū)域地形地質條件所具有的一般性和特殊性，以及自然人文環(huán)境的復雜性，干渠的渠堤及堤岸基礎出現(xiàn)不穩(wěn)定，因此對干渠及其周邊進行形變監(jiān)測對其安全運營和管理具有重要的意義。

圖1 輝縣段位置信息及干渠覆蓋信息Fig.1 Location of Huixian segment and the main canal coverage

′傳統(tǒng)的形變監(jiān)測方法如水準測量、視準線法(利用全站儀、經緯儀進行測量)、分層豎向位移監(jiān)測等雖然精度高[2]，但卻有如下缺點：①耗費大量的人力、物力，而且需要長期維護監(jiān)測點的完整性[3]；②只能獲取離散點的形變量，監(jiān)測范圍受到限制，無法在宏觀上把握形變的趨勢。合成孔徑雷達干涉測量(Synthetic Aperture Interferometry，InSAR)技術作為雷達遙感的重要分支，近年來迅速發(fā)展并取得了重大的突破，引起了遙感領域的廣泛關注。由于其可以全天候、全天時地監(jiān)測地表形變，同時監(jiān)測面積大，成本低、精度高，被廣泛應用于各個領域[4]。

20世紀末至21世紀初40余年間，時間序列InSAR技術包括永久性散射體干涉測量技術(Permanent Scatterers Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR)[5]和小基線集技術(Small Baseline Subset Interferometric Synthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR)[6]提出后，國內外眾多學者利用InSAR技術對大型線性工程沿線的地表沉降進行形變監(jiān)測探討。2013年蔣亞楠等[7]基于15景TerraSAR-X數(shù)據(jù)，采用時序InSAR技術，提取到上海磁懸浮列車專線上的微小形變。2014年馬超等[8]利用9景ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)獲取了南水北調中線工程豫北段的形變信息，結果表明，豫北段干渠基礎總體穩(wěn)定性較差，地質構造活動和城市地表沉降是其主要原因。2017年郭山川等[9]利用PS-InSAR和SBAS-InSAR技術，處理了2016-06-15至2016-09-11的TerraSAR-X數(shù)據(jù)，獲得了徐州地鐵1號線東部工程場地的形變信息，結合實驗場地的水準數(shù)據(jù)，證明了時序InSAR技術在線性地鐵工程形變監(jiān)測應用的可行性。2018年王茹等[10]利用高分辨率PS-InSAR技術對上海市高架道路進行形變信息提取，進一步聯(lián)合多種影響因素分析了高架路沉降的空間分布及時間演化行為，沉降結果與同期的水準數(shù)據(jù)基本保持一致。

本文綜合考慮南水北調中線干渠跨度大、走向不一、數(shù)百公里同步測量以及所經區(qū)域的自然人文環(huán)境的復雜性等特點[11]，基于歐空局的Sentinel-1A影像，利用適合實際需求的時間序列InSAR技術獲得2015年4月至2019年3月期間輝縣段干渠的形變結果，探討輝縣段干渠膨脹土渠段的沉降規(guī)律，為干渠基礎出現(xiàn)的不穩(wěn)定性提供詳查指導意見。

2 研究區(qū)域概況及SAR數(shù)據(jù)

南水北調中線干渠工程起于丹江口水岸東岸，終于北京市頤和園團城湖[12]。而輝縣段處于河南省境內，開始于紙坊河倒虹吸出口，結束于孟墳河倒虹吸出口。輝縣段干渠全長47.622 km，其中明渠長43.631 m，研究區(qū)域如圖1所示。沿線地質情況復雜，以黏礫多層結構為主，其次為黏性土均一結構；其他有黏性多層和黏礫多層均一結構、泥礫均一結構；大官莊段為巖體雙層結構挖深大，上部為黃土狀土重粉質壤土、重粉質壤土、粉質黏土和卵石，下部為黏土巖、泥灰?guī)r、礫巖和奧陶系灰?guī)r，其中黏土巖、泥灰?guī)r具有膨脹潛勢；蘇門山段(百泉鎮(zhèn))巖性主要是奧陶系灰?guī)r、白云質灰?guī)r，構造裂隙發(fā)育，為硬質巖，抗剪強度大，承載力高。其中土質渠段長40.888 km，石質渠段長1.993 km。

為了獲取南水北調中線輝縣段干渠膨脹土渠段的時序變化，選取歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星系統(tǒng)自2015-04-11至2019-03-19期間的90景SAR影像進行研究，該影像的距離向和方位向分辨率分別為2.33 m和13.91 m，設2017-12-21為主影像，衛(wèi)星影像覆蓋范圍及研究區(qū)域如圖2所示，由于研究時間較長，需多個軌道數(shù)據(jù)才能滿足時間要求。

圖2 研究區(qū)域地理位置示意圖Fig.2 Geographical sketch map of the studied area

使用航天飛機雷達地形測繪使命(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)30 m分辨率的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和精密軌道數(shù)據(jù)進行高精度配準、去除地形相位及地理編碼的參考[13]，檢查并挑選時間基線和空間基線分別在72 d、130 m的160個干涉質量好的差分干涉圖進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，其時空基線分布如圖3所示。

圖3 時空基線分布Fig.3 Spatiotemporal baseline distribution

3 改進的時序InSAR方法

時序InSAR處理方法包括永久性散射體雷達干涉測量(PS-InSAR)技術、短基線(SBAS-InSAR)技術等等。PS技術需要大量的SAR影像(大約20景)，采取的是單一主影像的方法，而且只能生成時序上保持相位穩(wěn)定的點目標的形變，所以像素密度不高。而SBAS技術采用多主影像短基線干涉組合的方法進行測量，有效減弱了空間基線引起的失相干問題；同時滿足短基線條件的所有干涉圖都參與解算，而且引入了奇異值分解方法(Singular Value Decomposition,SVD)，獲得觀測時間序列最小范數(shù)解，提高解的穩(wěn)定性和可靠性[14]。本文融合PS-InSAR和SBAS-InSAR技術，在傳統(tǒng)的SBAS技術方法的技術上，引入PS-InSAR選點方法，提高了相干點的密度。改進的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 改進時序InSAR數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Flowchart of data processing by improved time series InSAR

差分干涉圖的相位構成為：

?φj=φtA-φtB；

其次，提取研究區(qū)域相干性閾值>0.4、強度閾值>0.3的穩(wěn)定的相干目標點，并選取輝縣市苗圃場作為穩(wěn)定的參考點，然后根據(jù)參考點對每一個干涉圖進行相位解纏，對觀測方程進行二元回歸分析，回歸分析的結果包括高程校正值、線性形變速率、殘差相位以及用于質量評估的相位標準差。第一次回歸分析迭代處理時，為兼顧DEM精度和處理效率，設置高程改正值和線性形變速率的初始范圍分別為[-30，30]m、[-0.15，0.01] m/a，可獲得每一個高程相干干涉點對的高程誤差、形變速率以及殘余相位。由于殘余相位中仍包含大氣延遲相位、非線性形變和噪聲信息，這3種相位信息可根據(jù)在時空域的不同表現(xiàn)特性分離開來。大氣延遲相位在大區(qū)域地表形變時序分析中具有較大的影響，在空間域表現(xiàn)為低通且高相關，空間域差分回歸分析可以削弱大氣對形變速率解算的影響；非線性形變相位在時空域一般是低通的；噪聲信息在時空域均是隨機高頻的，因此可以通過空間域最小二乘濾波濾除噪聲，在殘余相位中分離出大氣延遲相位和非線性形變相位，更新差分干涉相位并迭代回歸分析。再通過時間域最小二乘濾波從殘余相位中分離出非線性形變相位，將其和線性形變疊加獲得最終沿視線向的形變時序結果。

圖5 2015—2019年輝縣段干渠及其周邊的年平均形變速率Fig.5 Annual average rate of deformation of main canal in Huixian segment and its surroundings from 2015 to 2019

圖6 2015—2019年膨脹土渠段年平均形變速率Fig.6 Annual average rate of deformation of expansive soil segment from 2015 to 2019

4 監(jiān)測結果與分析

4.1 輝縣段及其周邊InSAR形變結果

應用改進的時序InSAR技術提取南水北調中線輝縣段及其附近地面垂直方向的年平均形變速率，如圖5所示。結果表明，2015—2019年輝縣段干渠及其周邊的沉降區(qū)域主要分布在輝縣市市中心的西南區(qū)域和峪河鎮(zhèn)的北部區(qū)域，在吳村鎮(zhèn)、趙屯村、南王河村、趙固鄉(xiāng)以及大梁冢村形變速率為-180～-40 mm/a，而南水北調中線干渠基礎基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有出現(xiàn)大尺度沉降，其他地方零星分布著一些小范圍沉降。由于本文主要研究輝縣段干渠膨脹土渠段的形變情況，所以對沉降漏斗的成因不作詳細分析，僅對輝縣段膨脹土渠段的沉降及其成因進行分析。

4.2 膨脹土渠段InSAR監(jiān)測結果與分析

南水北調中線干渠是我國合理分配水資源的重要手段，干渠的正常運營是保障受水區(qū)人民的生活與經濟發(fā)展水平的重要措施。然而在干渠運營過程中產生的地面沉降給周邊建筑物和人民的安全帶來了巨大的威脅，嚴重影響工程的安全。為了研究與膨脹土渠段相關的沉降，避免和預防由此引起的災害，根據(jù)收集到的設計基本資料，獲得干渠左右1 km范圍的膨脹土渠段年平均形變速率,如圖6所示，并分別結合降雨和土壤濕度數(shù)據(jù)進行對比分析。從圖6可以看出，膨脹土渠段的形變速率范圍為-10～6 mm/a，局部區(qū)域的沉降速率>14 mm/a，位于韭山路跨渠公路橋、三里莊以及路固村附近。從Google歷史影像上看，較大速率沉降即圖6中深黃色的部分,距離干渠最小直線距離為300 m，由新型農村發(fā)展和長期使用耕地導致；在干渠100 m范圍內沒有呈現(xiàn)大速率形變，所以對干渠的沉降沒有直接的影響；距離干渠500 m范圍之外，韭山路跨渠公路橋和路固村附近的不均勻沉降，與城市化發(fā)展、建筑設施的增加密不可分。對于三里莊附近而言，由于南水北調中線工程施工對其干渠沿線的農田和村莊等造成破壞，通水以后前2 a，對其周邊進行生態(tài)環(huán)境修復，近幾年，部分耕地被作為其他土地類型等因素，都給干渠的沉降帶來一定的影響。

圖8 2015—2019年的累積沉降量與降雨量和土壤濕度的關系Fig.8 Relations of cumulative settlement against rainfall and soil moisture in 2015-2019

4.2.1 膨脹土渠段沉降特征

監(jiān)測結果中的膨脹土渠段區(qū)域位于輝縣市城區(qū)及趙雷村、韭山路跨渠公路橋、楊莊西跨渠公路橋、路固村附近。圖7為膨脹土渠段的時序形變，由圖7可知，2015—2019年間，膨脹土渠段的累積形變量高達8 mm，并且膨脹土渠段累積形變量呈現(xiàn)周期性變化，在0附近波動。每年的11月份至翌年5月份的累積形變量趨于平穩(wěn)，6—10月份之間累積形變量的波動比較大，呈現(xiàn)先驟增后驟減然后再驟增的趨勢，存在一定程度的滯前或滯后現(xiàn)象。2016年的SAR影像存檔數(shù)據(jù)的不連續(xù)性導致2016年5月的SAR影像直接獲取到2016年10月，雖然沉降規(guī)律存在特殊性，但不失一般性。這主要是由于膨脹土內部含有大量的石英、黏土礦物成分以及絮狀結構的蒙脫石等大量的強親水性礦物成分，吸水后膨脹、脫水后收縮為該土質的特殊表現(xiàn)[15]。當雨水較為充沛時，裂縫發(fā)育密集處及其周邊的巖土吸水膨脹，并且達到飽和狀態(tài)，土體抗剪強度降低，從而在表層引起膨脹土渠段的淺層滑坡。

圖7 2015—2019年膨脹土渠段累積形變Fig.7 Cumulative deformation in the expansive soil segment from 2015 to 2019

4.2.2 膨脹土渠段沉降與侵蝕力降雨和土壤濕度關系

由膨脹土渠段沉降特性可知，膨脹土渠段的沉降呈現(xiàn)周期性變化的特點。由于引起膨脹土渠段沉降因素眾多，根據(jù)輝縣段膨脹土礦物質的成分，降雨是引起膨脹土吸水膨脹、失水收縮的一個重要因素，將膨脹土渠段的累積沉降量與侵蝕力降雨進行對比。在華北平原，降水量不夠充沛，但集中于生長旺季，地區(qū)、季節(jié)、年際間差異大。輝縣市位于河南省的西北部，7月份降雨量最多，8—10月份其次，屬于輝縣市的梅雨季節(jié)。再加上華北平原地勢平坦，是我國重要的糧食產地，夏季氣溫高，土壤蒸發(fā)量大，導致每年都會有農田灌溉期，大量的灌水也將直接影響膨脹土渠段。由于缺乏每年灌溉期灌水量的數(shù)據(jù)，本文采用土壤濕度這一間接的影響因素與累積沉降量進行對比。

圖8為2015—2019年的累積沉降量與降雨量和土壤濕度的關系。由于數(shù)據(jù)觀測時間間隔不相等，雖然沉降規(guī)律存在特殊性、但是不失一般性，9、10月份土壤濕度最高時，降雨量出現(xiàn)驟減的趨勢，只是存在一定程度的滯前和滯后現(xiàn)象，前后在一個月的范圍之內。而沉降量處于一年中最低的時候，降雨量反而處于最高的狀態(tài)；當沉降量處于穩(wěn)定的狀態(tài)時，降雨量也處于一年中的平穩(wěn)期。并且，土壤濕度和累積沉降量存在一定的周期性。由此可以看出來，土壤濕度和降雨量對膨脹土渠段的影響是非常重要的。

5 結 論

采用改進的SBAS-InSAR技術監(jiān)測南水北調中線輝縣段地面沉降，具有覆蓋范圍大、數(shù)萬公里同步監(jiān)測等特點，將該技術轉為工程應用是十分的必要。本文利用Sentinel-1A衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲得了南水北調中線輝縣段2015—2019年地面沉降速率，主要的沉降分布在輝縣市市中心的西南區(qū)域和峪河鎮(zhèn)的北部區(qū)域。結合膨脹土的特性，對輝縣段膨脹土渠段沉降進行詳細分析，結果表明，膨脹土渠段沉降與降雨量、土壤濕度等因素存在高相關性。