基于SBAS-InSAR的合肥市地面沉降監(jiān)測研究

陳厲麗, 熊 立, 劉建敏, 陳義華, 李振生

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.江西省應(yīng)急管理廳減災(zāi)備災(zāi)中心,江西 南昌 330030)

地面沉降是指在自然或人為因素作用下引起的區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象,是一種不可補償?shù)挠谰眯缘刭|(zhì)災(zāi)害[1],會引發(fā)內(nèi)澇加重、地面水環(huán)境惡化、地裂縫等危害。地面沉降的發(fā)生具有緩變、不易察覺的特點,防治也具有一定難度。傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測方法雖然精度高,但是存在監(jiān)測點位密度低、測量周期長、工作量大、經(jīng)濟成本高等問題。起源于20世紀(jì)60年代的合成孔徑雷達干涉測量 (interferometric synthetic aperture radar,InSAR) 技術(shù)有效彌補了傳統(tǒng)沉降監(jiān)測方法的缺點,為進行大范圍、長時間的地面沉降監(jiān)測提供了新的解決方案。合成孔徑雷達差分干涉測量(differential interferometric synthetic aperture radar,D-InSAR)技術(shù)是InSAR技術(shù)在應(yīng)用方面的一個延伸,理論上可以捕捉到mm級至cm級的地面形變信息。然而,隨著D-InSAR技術(shù)的廣泛應(yīng)用,人們發(fā)現(xiàn)該方法會在監(jiān)測長時間范圍內(nèi)的微小形變時出現(xiàn)時空失相干的現(xiàn)象,使得形變監(jiān)測的精度降低[2]。為了彌補D-InSAR技術(shù)的不足,獲取長時序、高精度的地面形變,國內(nèi)外研究者在D-InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上,對InSAR時間序列進行研究,常用技術(shù)有永久散射體InSAR(persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar, PS-InSAR)[3]技術(shù)、短基線集InSAR(small baseline subset interferometric synthetic aperture radar, SBAS-InSAR)[4]技術(shù)、干涉圖堆疊InSAR(stacking-InSAR)[5]技術(shù)、臨時相干點InSAR(temporarily coherent point interferometric synthetic aperture radar,TCP-InSAR)[6]技術(shù)及SqueeSAR技術(shù)(分布永久散射體衛(wèi)星雷達監(jiān)測技術(shù))[7]。

本文以合肥地區(qū)為研究區(qū)域,以Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,采用 SBAS-InSAR技術(shù)得到研究區(qū)地面形變值和形變速率,并利用同期實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果進行精度驗證;在此基礎(chǔ)上,分析合肥地區(qū)地面沉降過程與機理,以期為合肥城市建設(shè)和發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)處理流程

1.1 研究區(qū)域

合肥市是安徽省省會,位于江淮之間、長江三角洲西端;從區(qū)域構(gòu)造位置看,合肥市位于合肥斷陷盆地東緣中部;地形以平原、丘陵為主,第四紀(jì)松散堆積物廣泛分布,基巖零星出露。本文研究區(qū)域為合肥市市區(qū)及周邊地區(qū),大致經(jīng)緯度范圍為117°00′～117°40′E,31°30′～32°10′N。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文收集覆蓋合肥地區(qū)17景Sentinel-1A衛(wèi)星升軌干涉寬帶(interferometric wide swath,IW)模式VV極化影像數(shù)據(jù),時間跨度為2016年8月29日至2018年4月9日。精密軌道數(shù)據(jù)采用成像 21 d后發(fā)布的精密定軌(precise orbit determination,POD)數(shù)據(jù),定位精度可以達到5 cm。數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)選擇分辨率為90 m的STRM3(Shuttle Radar Topography Mission Global Coverage,航天飛機雷達地形測繪使命全球覆蓋)數(shù)據(jù)。驗證數(shù)據(jù)選擇研究時段內(nèi)2016年11月10日、2018年4月11日的33個水準(zhǔn)點實測資料。

1.3 數(shù)據(jù)處理流程

采用SBAS-InSAR技術(shù)反演地表形變,具體數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。數(shù)據(jù)處理中的主要內(nèi)容如下:

圖1 研究區(qū)數(shù)據(jù)處理流程圖

(1) 選定2017年3月9日的影像為超級主影像,作為統(tǒng)一配準(zhǔn)的基準(zhǔn),將其他影像與超級主影像進行配準(zhǔn),得到干涉像對時空基線圖。

(2) 用D-InSAR技術(shù)處理連接的干涉像對,進行相干性計算,結(jié)合分辨率為90 m的SRTM3 DEM數(shù)據(jù)消除平地和地形相位影響。

(3) 相位解纏是將干涉圖中的纏繞相位還原成真實相位的過程,是SBAS-InSAR技術(shù)處理中的關(guān)鍵一步,相位解纏的結(jié)果直接關(guān)系到形變結(jié)果的精度。傳統(tǒng)的二維相位解纏是將干涉圖上相鄰兩點之間的相位差分別在水平和垂直方向上進行積分,易受到“平地效應(yīng)”和噪聲等因素的影響,導(dǎo)致相位數(shù)據(jù)不完整。本文研究數(shù)據(jù)為時間序列數(shù)據(jù),為了充分發(fā)揮研究數(shù)據(jù)的三維特性,對滿足條件的像對采用三維相位解纏方法,針對相干性低的區(qū)域,參考其他像對的相應(yīng)區(qū)域進行處理,可獲得比二維相位解纏更精確的結(jié)果;此外,研究數(shù)據(jù)的時相選擇與時空基線相對擴大的閾值可保證緊湊的三角網(wǎng),因而沒有空缺和很多的邊界連接,同時也保證了三維相位解纏的精度。

(4) 根據(jù)干涉圖的相干性和條紋質(zhì)量,結(jié)合相干系數(shù)圖和解纏結(jié)果,評價干涉像對的質(zhì)量,剔除質(zhì)量較差的像對,然后通過外部地面控制點(ground control point,GCP)進行軌道精煉與重去平,扣除殘余地形相位與軌道誤差。

(5) 結(jié)合奇異值分解(singular value decomposition,SVD)法,通過每個相干點的形變速率和高程系數(shù)組成的方程求解線性形變速率和高程誤差。

(6) 采用時間高通濾波、空間低通濾波去除大氣相位的影響,得到非線性形變相位;最后將線性形變相位與非線性形變相位疊加,得到完整的時序形變信息。

2 合肥市地面沉降結(jié)果驗證與分析

2.1 地面沉降SBAS-InSAR反演結(jié)果驗證

在研究區(qū)選取2016年11月10日和2018年4月11日獲取的33個實測水準(zhǔn)點數(shù)據(jù),計算地面累計沉降量,并將其與SBAS-InSAR技術(shù)反演結(jié)果進行對比驗證,結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,SBAS-InSAR技術(shù)反演結(jié)果與實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示的地面沉降趨勢大致吻合,2種方法獲取的數(shù)據(jù)之間差值不超過5 mm,這表明SBAS-InSAR技術(shù)反演的地面沉降結(jié)果是可靠的,精度可以達到mm級。

圖2 33個測點水準(zhǔn)測量與SBAS-InSAR技術(shù)反演結(jié)果對比

2.2 地面沉降結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得到2016年11月10日至2018年4月11日合肥市年平均形變速率和累計形變量,如圖3、圖4所示。

圖3 合肥市2016-11-10—2018-04-11年平均形變速率

圖4 合肥市2016-11-10—2018-04-11累計形變量

5個沉降區(qū)與5個抬升區(qū)位置及斷裂分布如圖5所示。

圖5 2016-11-10—2018-04-11合肥市地面5個沉降區(qū)與5個抬升區(qū)位置及斷裂分布

由圖3～圖5可知:合肥市地面形變總體較平穩(wěn),大部分區(qū)域地面形變速率為-4～4 mm/a,累計形變量為-5～5 mm;年平均形變速率超過10 mm/a的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的4%,可劃分為5個明顯的沉降區(qū)和5個明顯的抬升區(qū)。

地面沉降明顯的區(qū)域大都呈斑點狀分布,5個明顯沉降區(qū)分別位于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、合肥北站、萬達城、三十埠村及肥東縣小王中份附近。其中,沉降速率最大處位于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),該處地面形變區(qū)域處于斷裂F2、F4構(gòu)成的三角區(qū)域中,形成多個沉降漏斗,最大沉降速率為-24 mm/a,累計沉降量為31 mm;面積最大的沉降區(qū)位于合肥北站附近,該處位于斷裂F1、F6和F11構(gòu)成的三角區(qū)中,沉降區(qū)面積累計約為2 350 hm2。

地面抬升明顯的區(qū)域呈不規(guī)則幾何狀,5個明顯抬升區(qū)分布在竹溪站、南艷湖、徽商大市場、包河經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和撮鎮(zhèn)火車站附近。其中抬升速率最大區(qū)與抬升面積最大區(qū)均位于竹溪站附近,該處地面最大抬升速率為12 mm/a,累計抬升量為20 mm,抬升區(qū)面積累計約為3 420 hm2。

3 合肥市地面形變原因分析

考慮到合肥市地質(zhì)背景和所處地理環(huán)境,推測引起地面形變的因素可能有構(gòu)造活動、地下水過量開采和建筑工程活動等。

3.1 地下水開采的影響

合肥市水資源較豐富,天然河流、人工渠道縱橫交錯,天然湖泊及大、中、小水庫星羅棋布,地下水僅零星開采,而且近年來合肥市對地下水開采開展嚴(yán)格管制,因此地下水開采引起的地面沉降可能性較小?；诙袒€的研究也證實,合肥地區(qū)由地下水開采所引發(fā)的地面沉降目前尚不明顯[8]。

3.2 斷裂構(gòu)造的影響

合肥地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造特征受南部的大別造山帶和東側(cè)的郯廬斷裂帶控制,分布近東西向、北東—北北東向和北西—北北西向3組斷裂。近東西向斷裂形成最早,屬于大別造山帶印支期前陸變形的產(chǎn)物,早期為南傾的逆沖斷裂,晚期轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜嗔?控制白堊系至古近系沉積。北東—北北東向斷裂及其伴生的北西—北北西向斷裂形成較晚,與斜貫合肥地區(qū)東部的郯廬斷裂帶密切相關(guān),多形成于中生代,其中北東—北北東向斷裂多為北西傾逆斷裂,北西—北北西向斷裂多為北東傾張扭性斷裂[9]。晚第三紀(jì)以來,合肥地區(qū)新構(gòu)造運動較為活躍,主要表現(xiàn)為間歇性的差異升降運動,3組斷裂仍有活動。本文的分析結(jié)果顯示,沉降區(qū)明顯受到3組斷裂的控制,位于斷裂控制的三角沉降帶內(nèi),大多數(shù)沉降區(qū)位于北東—北北東向斷裂的西北盤、北西—北北西向斷裂的東北盤及近東西向斷裂的南盤。合肥地區(qū)多條活動斷裂的運動可能造成地表發(fā)生形變[10],肥中斷裂(F1)、啞巴店—大興集(肥東)斷裂(F11)、烏云山—合肥(西山驛)斷裂(F6)3條斷裂在 2017—2019年期間的形變模擬顯示,這些斷裂附近的形變差異主要受斷裂活動的影響[11]。盡管合肥地區(qū)剪應(yīng)力值自2002年以來一直處于較低的水平[12],區(qū)內(nèi)活動斷裂的運動仍是地面沉降的主要控制因素。

3.3 工程建設(shè)的影響

引起合肥市地面形變的可能因素還有工程建設(shè)。結(jié)合地圖可以發(fā)現(xiàn),重點形變區(qū)域多位于正在建設(shè)中的新區(qū)、工業(yè)園區(qū),或沿鐵路或市區(qū)外主干道線狀分布,表明工程建設(shè)是合肥地區(qū)地面形變的影響因素之一。典型實例有竹溪站附近、三十埠村和徽商大市場附近的形變。

竹溪站附近地面抬升與鐵路和公路建設(shè)有明顯相關(guān)性,形變區(qū)域北側(cè)為合肥應(yīng)流工業(yè)園與在建中的繁華大道,東側(cè)為東湖高新合肥創(chuàng)新中心和在建中的合九線鐵路,西側(cè)為應(yīng)流工業(yè)園。2016—2018年4個時間點竹溪站附近地面衛(wèi)星影像如圖6所示,竹溪站附近地面累計形變量如圖7所示。

圖6 2016—2018年4個時間點竹溪站附近地面衛(wèi)星影像

圖7 2016—2018年竹溪站附近地面累計形變量

從圖6、圖7可以看出,整個研究時段內(nèi)鐵路工程動土痕跡明顯,對應(yīng)該區(qū)域整體上呈抬升狀態(tài),累計最大抬升量為18 mm左右;從圖6b、圖6c可以看出,在2017年2月28日至2017年10月27日,鐵路建設(shè)痕跡不明顯,但新增了1條公路,即集賢路,由于汽車相較于火車對地基壓力小,因此公路路基厚度也低于鐵路路基,由圖7可知,對應(yīng)該時段內(nèi)的地面抬升較為平緩。

三十埠村與徽商大市場相距較近,均發(fā)生了幅度比較大的小面積地面形變,前者沉降,而后者抬升,地面形變與持續(xù)的工程建設(shè)有明顯的關(guān)系。其中沉降區(qū)三十埠村附近靠近徽商新驛科技平臺物流園與在建中的合寧鐵路,在整個研究時段內(nèi)地面持續(xù)沉降,最大累計沉降量為-25 mm左右;抬升區(qū)徽商大市場附近地面累計抬升量最大為16 mm。從衛(wèi)星影像圖中可以看出,整個研究時段內(nèi),該區(qū)域一直存在工程建設(shè),西南方向有正在修建中的東風(fēng)大道公路與商杭高速鐵路,中間區(qū)域與南側(cè)新修建了幾個食品公司,其中包括安徽瑪仕達可食品有限公司、安徽新希望白帝乳業(yè)有限公司等。

綜合來看,合肥市地面沉降的主控因素是斷裂活動,其次是工程建設(shè)擾動,地下水過量開采影響不明顯;地面抬升的主控因素是工程建設(shè)擾動。

4 結(jié) 論

本文采用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測2016年8月29日至2018年4月9日合肥地區(qū)地面形變,結(jié)果表明,研究區(qū)地面形變總體不明顯,顯著形變區(qū)域有5個沉降區(qū)和5個抬升區(qū)。地面沉降區(qū)位于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、合肥北站、萬達城、三十埠村及小王中份附近;地面抬升區(qū)位于竹溪站、南艷湖、徽商大市場、包河經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和撮鎮(zhèn)火車站附近。

合肥地區(qū)地面形變主要受斷裂和工程建設(shè)影響,其中沉降區(qū)域分布主控因素是斷裂和工程建設(shè),抬升區(qū)域分布主控因素是工程建設(shè)。