江西萍鄉(xiāng)時序InSAR形變監(jiān)測

侯靖鑰 夏元平

(東華理工 大學測繪工程學院, 江西 南昌 330032)

0 引言

地面沉降是當今通常發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害之一,是由于自然或人為因素引起的地下物體體積減小和孔隙增加而產(chǎn)生的土地表面逐漸下沉的現(xiàn)象。20世紀初,不僅上海和天津開始出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象,世界上許多國家也都存在著嚴重地面沉降的問題。如中國的北京等地，西班牙、美國等[1]。中國具有較為豐富的煤炭資源,其儲量占據(jù)全球儲量的13%,為全球第三大煤炭儲備國[2]。被譽為“江南煤都”的萍鄉(xiāng),有著安源煤礦這樣久負盛名的百年老礦,但在長時間煤礦開采下,城市中出現(xiàn)了不同程度的建筑物崩裂、地面塌陷等問題,存在著極大安全隱患,易引發(fā)重大安全事故造成巨大經(jīng)濟損失和不良社會影響。因此,對萍鄉(xiāng)進行沉降監(jiān)測是一項重要工作,對預防潛在的地質(zhì)災(zāi)害具有十分重要的意義[3-4]。利用傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測手段,對礦區(qū)的連續(xù)監(jiān)測有一定的局限性,同樣的問題存在于其他地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中,由此遙感技術(shù)得到了快速的發(fā)展。合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)由于其具有全天時、全天候觀測的顯著優(yōu)勢,在地質(zhì)調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

近年來,InSAR技術(shù)由于其觀測精度高、范圍廣的優(yōu)勢已成為監(jiān)測地表形變的重要手段,同時諸多學者對于InSAR技術(shù)進行了深入研究。黃潔慧[6]等針對淮南謝家集礦區(qū)以InSAR技術(shù)對地鐵線擬穿過礦區(qū)進行沉降區(qū)監(jiān)測;楊宏山、鄭文潘[7-8]等通過短基線集雷達干涉(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技術(shù)監(jiān)測到城市多個沉降區(qū)。然而,該技術(shù)針對江西萍鄉(xiāng)地面沉降監(jiān)測應(yīng)用較少。本文主要以江西省萍鄉(xiāng)市安源區(qū)為研究區(qū)域,以Sentinel-1A數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,采用SBAS-InSAR技術(shù)對安源區(qū)開展監(jiān)測分析,并重點分析安源區(qū)附近地表的沉降變化特征。

1 研究區(qū)概況

萍鄉(xiāng)是江西的“西大門”,在贛西經(jīng)濟發(fā)展格局中處于中心位置,地處26°57′N～28°01′N,113°35′E～114°17′E之間。研究區(qū)位于安源區(qū),以丘陵地貌為主,地勢東南高、西北低。但山地、盆地、丘陵錯綜分布,地貌較為復雜,地質(zhì)條件復雜多變。320、319國道,滬瑞、萍栗高速等多條連接中國東西部的重要公路貫穿安源區(qū)。據(jù)氣象站觀測數(shù)據(jù),該地區(qū)年平均氣溫為17.3℃;2003年8月極端最高氣溫41℃,1991年極端最低氣溫-9.3℃。年均降水量1 603.2 mm。安源煤礦是江西省主力煤礦之一,已有120多年的開采歷史,現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模為0.78 Mt/a。近年來,隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展,大量建筑的建設(shè),煤礦的持續(xù)開采,逐漸導致安源區(qū)城市出現(xiàn)多個不均勻地表沉陷區(qū)。且安源煤礦礦區(qū)周圍靠近房屋和道路,煤礦開采導致的地面下沉將直接影響附近居民的生活。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)影像是Sentinel-1A數(shù)據(jù)。哨兵一號(Sentinel-1)衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計劃于2014年發(fā)射的第一顆C波段衛(wèi)星,由Sentinel-1A和Sentinel-1B目前在軌道上運行的兩顆衛(wèi)星組成。使用干涉寬幅(interferometric wide,IW)模式下的單視復數(shù)圖像(single look complex image,SLC)圖像,影像幅寬為250 km?？臻g分辨率為5 m×20 m,軌道方向為升軌,成像中心入射角為39.1°。選取時間為2018年1月13日至2019年12月22日共24景數(shù)據(jù),極化模式為VV。此外,去除平地相位采用歐洲航天局(European Space Agency,ESA)發(fā)布的精密定軌星歷(precise orbit ephemerides,POD)數(shù)據(jù),去除地形相位采用美國航空航天局提供的30 m分辨率的外部數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)。

2.2 方法與處理

使用SBAS-InSAR技術(shù)進行處理。SBAS-InSAR是由Berardino等提出的一種時間序列分析方法[9]。減小了合成孔徑雷達差分干涉測量(differential-interferometry synthetic aperture radar, D-InSAR)技術(shù)引起的失相干、大氣誤差等制約。SBAS-InSAR技術(shù)主要通過選取多個主影像,設(shè)置合理的時空基線閾值,通過對干涉對差分干涉后多視處理,提取高相干像元,進行奇異值分解,求得影像序列間地表形變速率的最小二乘解[10-11]。具體步驟如下：

(1)導入下載的Sentinel-1A 數(shù)據(jù),并結(jié)合每景對應(yīng)的精密軌道文件,對數(shù)據(jù)集進行裁剪,獲得監(jiān)測時段內(nèi)相同的研究區(qū)域。

(2)時間基線設(shè)置為120 d,空間基線閾值設(shè)置為4%,空間基線為58.27 m。共生成82對干涉圖像,2018年7月24日的影像作為主影像,其余副影像相對主影像的空間基線最長為171.38 m,最短為0.8 m。

(3)對82個像對進行干涉處理。采用Goldstein濾波方法設(shè)置相位解纏相干性系數(shù)為0.2,并利用Minimum Cost Flow方法進行相位解纏;根據(jù)干涉圖、相干系數(shù)圖選擇遠離形變明顯區(qū)、相干性較好的36個地面控制點。為去除軌道誤差和殘余相位,根據(jù)生成的控制點進行軌道精煉與重去平。

(4)通過第一次反演來初步估計形變速率和殘余地形。通過大氣高低通濾波去除大氣相位,進行二次解纏,計算時間序列上的位移。并選擇地面控制點來去除殘余的相位或者相位斜坡。得到最終位移結(jié)果。

(5)對SBAS-InSAR處理結(jié)果從SAR坐標轉(zhuǎn)成DEM地理坐標系,以平均強度圖確定在垂直發(fā)射垂直接收(vertical transmit,vertical receive;VV)極化下最終得到的平均沉降速率圖。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 沉降率圖

圖1顯示了2018年1月—2019年12月期間,使用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測所得到的整個研究區(qū)的平均形變速率分布圖;該圖疊加在萍鄉(xiāng)市安源區(qū)的光學影像上。黑色矩形標記的區(qū)域P1—P3是安源區(qū)主要沉降區(qū)。該地區(qū)在監(jiān)測時段內(nèi)沉降分布不均,范圍較廣泛嚴重。其中,安源區(qū)的沉降速率從-46～23 mm/a不等。研究區(qū)北部、東部和西部地區(qū)大部分地區(qū)相對穩(wěn)定,中部八一街街道、東大街街道、城郊管委會、丹江街街道等地方地表沉降較小,多數(shù)沉降速率都小于5 mm/a。北部中心靠近中心城區(qū)的鳳凰街街道及白源街街道周圍均出現(xiàn)沉降漏斗,最大沉降速率達-35 mm/a。東西部大部分區(qū)域累計沉降范圍在-10～10 mm/a之間。由實驗獲取的地表沉降形變監(jiān)測結(jié)果來看,安源區(qū)的東南側(cè)沉降速率明顯高于西南側(cè),且分布面積最大，見圖1。

圖1 安源區(qū)2018—2019年沉降速率圖

研究期間識別出位于P1區(qū)、P2區(qū)內(nèi)多個形變區(qū),其特征是突出的大部分地區(qū)經(jīng)歷了不均勻的沉降。P1區(qū)的主要沉降區(qū)分布在現(xiàn)存年開采產(chǎn)量仍達90 t的安源煤礦礦區(qū),最大沉降速率達-46 mm/a,沉降中心位于燈盞窩、洪水眼中間片區(qū)。P2區(qū)最大年平均沉降速率達-43 mm/a,主要沉陷區(qū)為高坑煤礦礦區(qū)及錫坑采挖一帶。沉降中心位于錫坑、老虎沖與龍家沖中間片區(qū)。自2018年1月至2019年12月,P1、P2作為主要沉降區(qū),兩區(qū)的沉降幅度及規(guī)模有著逐年增加、逐年擴大趨勢。說明該區(qū)域有著非常嚴重的因長年累積礦區(qū)開采導致礦區(qū)周圍均出現(xiàn)不同程度沉陷的問題,并且已成為當?shù)丨h(huán)境保護和礦山修復的重難點。

P3區(qū)存在兩個明顯沉降碗以及多個小型沉降碗,其形變速率范圍為-35～9 mm/a。P3區(qū)位于萍鄉(xiāng)市中心,向東北延伸,是商業(yè)、工業(yè)和生活活動中心。白源火車站、天虹購物中心、安源工業(yè)園等地標都位于該區(qū)域。近年來已有計劃為促進萍鄉(xiāng)市的發(fā)展,開始在該區(qū)啟動大量建設(shè)項目。該區(qū)域也出現(xiàn)分布不均勻的沉降,但嚴重程度小于P1、P2區(qū)。

3.2 沉降時間序列

監(jiān)測時期內(nèi)最大累積沉降出現(xiàn)在P1區(qū)安源煤礦區(qū)域,達-92 mm。P2區(qū)最大累積沉降量約為-85 mm,該沉降帶隨時間變化向東南方向為中心沉降邊緣逐漸擴大。P3區(qū)在2018—2019時段內(nèi)出現(xiàn)兩個顯著的沉降中心,P3沉降區(qū)最大累積量約為-71 mm,沉降中心位于市區(qū),受其影響較大的區(qū)域主要包括贛能小區(qū)、和諧公寓、登岸別墅山莊。其他沉降區(qū)沉陷范圍相對較小。

3.2.1降雨量對地面形變的影響

在監(jiān)測周期內(nèi),最大沉降速率達到-46 mm/a,平均值為-0.6 mm/a。將2018年至2019年間三個月劃分為一個組,期間平均沉降速率、最大累積沉降量如表1所示。其中2019年7—9月、10—12月兩個時間階段沉降累積量較大。為研究地表沉降在時間序列上的演變,本文在P1、P2兩區(qū)選擇了AY、XK、GK三個典型沉降點(圖1),分別繪制AY、XK、GK三點的累計沉降量與降雨量的關(guān)系圖來分析地表沉降的時間演變及地表沉降與降雨量之間的關(guān)系,如圖2所示。根據(jù)萍鄉(xiāng)市氣息數(shù)據(jù)分析表明,研究區(qū)內(nèi)降水時空分布不均,近兩年降雨量較往年呈上升趨勢2019年5、6、7三個月降雨量增幅最大,為研究時期內(nèi)降水量最高,與往年同期相比增加約70%。該地區(qū)的地表沉降經(jīng)歷明顯季節(jié)變化,AY、XK、GK等點在2019年5—7月的沉降速率均顯著放緩,城市降雨量的增加在一定程度上有效地補充了地下水資源,在發(fā)生地面沉降時有一定緩和作用[12]。而沉降不僅與降雨量有關(guān),也與其他因素相關(guān)。

圖2 降雨量與形變特征點時間序列

表1 研究區(qū)累積沉降表 單位：mm

3.2.2人類活動對地面形變的影響

在這些嚴重沉降區(qū)的沉降中心位置選取該時間段內(nèi)以下五個沉降特征點P1區(qū)的AY點;P2區(qū)的XK、GK點;P3區(qū)的FH點。BY點進行對比分析,由圖3可知,AY點沉降速率為-17 mm/a,累計沉降量達到-29 mm;P2區(qū)XK、GK兩點的沉降速率和最大累積沉降量分別為：-30 mm/a、-56 mm;-33 mm/a、-65 mm;根據(jù)本文監(jiān)測結(jié)果可知,安源區(qū)P1—P3三個區(qū)域的沉降速率正在逐步加劇。

圖3 沉降區(qū)特征點分布

P3區(qū)域的沉降與人口密度有著密切關(guān)系,據(jù)第六次全國人口普查結(jié)果,安源區(qū)鳳凰街街道常住人口為萍鄉(xiāng)市最多達137 830人,為安源區(qū)人口密度最大的街道。作為萍鄉(xiāng)市的經(jīng)濟文化中心,如圖5所示,FH點的沉降速率為-10 mm/a,最大沉降量達-18 mm/a,鳳凰街街道及白源街道較近旁街道城郊管委會、后阜街街道地區(qū)相比沉降嚴重,在該區(qū)域的人口密度影響范圍下,萍鄉(xiāng)市處于城市發(fā)展的關(guān)鍵時期,18年4月在安源工業(yè)園有多達84個重大項目集中開工,多個建筑都在同步建設(shè)中,萍鄉(xiāng)市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)位于白源區(qū)區(qū)內(nèi),產(chǎn)業(yè)多以煤炭、鋼鐵、建材、陶瓷、化工為主。該區(qū)域BY點最大沉降量為-41 mm,平均沉降速率為-21 mm/a。工業(yè)分布主要有萍鄉(xiāng)安源鋼鐵公司、鋼翔礦業(yè)公司、安源節(jié)能風機廠。這些產(chǎn)業(yè)的分布及大面積城市建設(shè)加上地面大型建筑物的長時間負荷會在一定程度上表現(xiàn)出地面沉降,則在P3區(qū)域的沉降中起主導作用。同時,近幾年隨著建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的增加,城市的開發(fā)工程建設(shè)不斷推進,萍安北大道西側(cè)與東側(cè)均有樓盤在監(jiān)測時間段內(nèi)的施工,施工建設(shè)過程中會增大對地下水開采需求量,導致地下水位下降,增長地下水壓力,壓縮土壤,最終導致沉陷發(fā)生[13-15]。

4 結(jié)束語

本文基于VV極化影像進行SBAS-InSAR技術(shù)處理,獲取了2018—2019年萍鄉(xiāng)市安源區(qū)沉降的整體分布情況以及地表沉降速率。同時獲得了相應(yīng)時間段的土地利用分類圖。得到以下結(jié)論：

(1)安源區(qū)沉降不均勻,研究期間年平均沉降速率范圍為-46～23 mm/a。這些沉降主要分布在東南部和北部。同時監(jiān)測到形變顯著的P1、P2、P3三個區(qū)域。P1、P2兩個區(qū)域分別位于安源煤礦、高坑煤礦附近均出現(xiàn)不同程度的沉降,P1區(qū)監(jiān)測時間段平均沉降速率最大達到-46 mm/a,P2區(qū)平均沉降速率最大值為-43 mm/a。P3區(qū)監(jiān)測到兩個沉降碗,最大平均沉降速率達-36 mm/a,沉降速率范圍為-35～9 mm/a。

(2)安源區(qū)的沉降,在空間分布上呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,在時間上有著季節(jié)性。在研究時間段內(nèi)最大累積沉降量達-92 mm,沉降趨勢為以東南側(cè)為中心向東部和南部逐漸擴大。詳細分析了地面沉降不僅與自然條件相關(guān)而且與人類活動相關(guān),降雨量(沉降的季節(jié)性變化與降水有關(guān))及城市的擴張(研究區(qū)工業(yè)的發(fā)展和建筑建設(shè))有著聯(lián)系密切。相比之下,人類的活動是對地面沉降影響作用更甚。