綜合SBAS-InSAR與CR-InSAR解譯安康膨脹土機場形變

任志鵬 張雙成,2,3 司錦釗 惠文華 李思潔子 胡興群 張昌波

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,西安市雁塔路126號,710054 2 長安大學(xué)地學(xué)與衛(wèi)星大數(shù)據(jù)研究中心,西安市雁塔路126號,710054 3 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室,西安市雁塔路126號,710054 4 陜西佳維空間地理信息科技有限公司,陜西省安康市鉆石南路1號,725000

膨脹土是一種非飽和土,主要由具有結(jié)晶膨脹潛力的粘土礦物組成,具有遇水膨脹、失水收縮的脹縮性,且其形變具有長期性、反復(fù)性[1-2],對工程建設(shè)安全性具有重要影響。安康富強機場是典型的膨脹土高填方機場,存在地基變形隱患。

傳統(tǒng)形變監(jiān)測方法如水準測量通常具有較高的觀測精度[3],但空間分辨率較低[4],要得到整個區(qū)域的形變信息需要大規(guī)模布設(shè)相應(yīng)設(shè)備。合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)作為一種新型的大地測量技術(shù),可以連續(xù)跟蹤觀測地表微小形變信息,實現(xiàn)大范圍、長時間監(jiān)測[5-6],能用于與土壤性質(zhì)相關(guān)的形變監(jiān)測[7-8]。

本文運用短基線集干涉測量(SBAS-InSAR)和人工角反射器干涉測量(CR-InSAR)技術(shù)對竣工后的安康膨脹土機場區(qū)域進行形變監(jiān)測,結(jié)合監(jiān)測結(jié)果及降雨數(shù)據(jù),分析研究區(qū)形變規(guī)律,為后續(xù)機場區(qū)域形變治理和膨脹土邊坡防治提供幫助。

1 InSAR解譯地表形變基本原理

1.1 SBAS-InSAR原理

短基線集干涉測量技術(shù)[9]是一種將單次觀測結(jié)果作為觀測值并基于最小二乘法則來獲取高精度形變時間序列的InSAR分析方法,通過短基線SAR影像對組合生成干涉圖合集,增加單個主影像條件下的干涉圖數(shù)量,從而減小時空失相干對干涉圖質(zhì)量的影響。經(jīng)過一系列去噪處理后,基于形變速率最小二乘法則,使用奇異值分解(singular value decomposition,SVD)方法獲取相干目標的視線向形變速率和時間序列。假設(shè)有N+1景影像,生成M幅干涉圖,以線性形變速率表示形變相位為:

(1)

M幅干涉圖可以組成一個方程組:

Bv=δφ

(2)

式中,B為M×N維矩陣。如果N景影像組成L個子集,則方程組有無窮多個解,在SBAS方法中可以通過奇異值分解法求得最小范數(shù)平差準則下的解。差分干涉圖中除形變相位以外還存在其他相位,可以在時間域和空間域內(nèi)對殘余相位進行濾波等處理,以分離大氣延遲相位和非線性形變相位[10]。

1.2 CR-InSAR原理

角反射器起初用于SAR系統(tǒng)的外部校準,通過精確測量所用角反射器的后向散射系數(shù),可以直接確定天線圖和處理器校準[11]。假設(shè)安裝M+1個角反射器,共有N+1幅SAR影像,選取其中一景影像作為主影像可生成N個干涉對,包含M+1個CR點相對于某一主影像的形變相位。在去除地平效應(yīng)之后,選取其中一個比較穩(wěn)定的CR點作為整個區(qū)域的參考點,則其他CR點相對于參考CR點的差分相位可表示為:

Δφ=-2πΔk+Δφtopo+Δφatmos+

(3)

式中,Δφ為該點相對于參考點的觀測相位;Δk為該點相對于參考點的整周未知數(shù);Δφtopo、Δφatmos、Δφnoise分別為CR點相對于參考點的高程相位、大氣延遲相位和噪聲相位;ΔR為該點相對于參考點的形變相位。Δφtopo可由GNSS數(shù)據(jù)計算得到,因此地形相位可認為已知。在差分干涉之后采用LAMBDA方法進行相位解纏,可得到CR點的相對形變信息。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

安康富強機場位于安康市漢濱區(qū)五里鎮(zhèn)東南,距安康市中心15 km。機場跑道長2 600 m,寬45 m,施工期間進行大規(guī)模挖填方工作,挖填方面積達52 000 m2,最大挖填方高差達94 m,導(dǎo)致機場在竣工后極易發(fā)生地基變形。安康機場地處月河流域,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,年均降水量975.5 mm。該區(qū)域分布有大量膨脹土,夏季降雨高發(fā)期,膨脹土吸收地表水分,體積發(fā)生膨脹;雨水匱乏期體積則會收縮。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

2.2 數(shù)據(jù)來源

2020-05機場整體施工基本完成,地基基本固定,可以進行 InSAR形變監(jiān)測。因此,本實驗選擇2020-05～2022-04共49 景Level-1 Sentinel-1A升軌SLC數(shù)據(jù)。Sentinel-1A衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)成像模式為干涉寬幅(IW),極化方式為VV與VH雙極化,入射角為39.5°,分辨率為5 m × 20 m(方位向×距離向),軌道號100,軌道配置為升軌,時空基線如圖2所示。實驗還用到空間分辨率為30 m的SRTM DEM數(shù)據(jù)和空間分辨率為3 m的無人機采集的DEM數(shù)據(jù)作為外部DEM模擬地形相位;使用歐空局提供的POD精軌數(shù)據(jù)提高軌道精度;降雨數(shù)據(jù)通過機場邊坡區(qū)域的雨量計裝置獲得。

圖2 時空基線Fig.2 Spatio-temporal baselines

2.3 監(jiān)測策略

機場邊坡坡向與雷達遙感衛(wèi)星LOS向垂直,適宜使用InSAR技術(shù)進行形變監(jiān)測。機場兩側(cè)膨脹土邊坡前期土壤裸露面積較大、植被稀少,相干性較為理想,適宜使用SBAS-InSAR技術(shù)進行形變監(jiān)測。在監(jiān)測后期,邊坡種植的低矮灌叢可能會影響SAR影像的相干性,在夏季植被生長茂盛時期(圖3),機場兩側(cè)邊坡區(qū)域相干性明顯降低。為研究低矮灌叢對監(jiān)測結(jié)果的影響,2021-04在機場邊坡區(qū)域加裝4個角反射器(圖3(d))。在夏季植被茂盛時期,加裝的角反射器比周圍植被區(qū)域具有更好的相干性。

圖3 不同季節(jié)機場邊坡相干性對比Fig.3 Comparison of airport slope coherence in different seasons

運用SBAS-InSAR和CR-InSAR解算安康機場區(qū)域形變,對安康機場區(qū)域進行為期2 a的形變監(jiān)測,其中SBAS-InSAR監(jiān)測周期為2020-05～2022-04, CR-InSAR監(jiān)測周期為2021-04～2022-04,實驗整體流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Flowchart of data processing

3 結(jié)果與分析

3.1 形變監(jiān)測結(jié)果

使用SBAS-InSAR技術(shù)解算機場區(qū)域2020-05-24～2022-04-20形變結(jié)果,年形變速率和標準差如圖5所示,所得形變速率結(jié)果投影在LOS方向上,正值表示反射信號區(qū)域向靠近衛(wèi)星方向移動,負值表示向遠離衛(wèi)星方向移動。年均形變速率標準差計算公式為[12]:

圖5 SBAS-InSAR形變速率及標準差Fig.5 Deformation rate and standard deviation of SBAS-InSAR

(4)

從圖5可以看出,機場大部分區(qū)域形變速率在-15～20 mm/a之間,形變速率標準差均小于7.9 mm/a,跑道附近區(qū)域較為穩(wěn)定。從SBAS結(jié)果可以看出,主要有A、B、C三處失穩(wěn)區(qū)域,A區(qū)域LOS向最大形變速率為48.8 mm/a;B區(qū)域LOS向最大形變速率為39.4 mm/a,形變速率標準差均小于6.7 mm/a;C區(qū)域為機場東側(cè)2個錐形填方邊坡,其沿LOS向最大形變速率大于50 mm/a,形變速率標準差均小于7.6 mm/a。其中,A、B區(qū)域為機場最大填方邊坡,且靠近飛機起降區(qū)和航站樓,需要進一步分析監(jiān)測結(jié)果。

3.2 時序InSAR監(jiān)測結(jié)果分析

角反射器可以在SAR影像獲取時同步得到研究區(qū)形變信息,能更加客觀地評價InSAR形變測量結(jié)果的可靠性[5]。將CR1作為解算參考點,CR2和CR3作為監(jiān)測點計算形變結(jié)果。圖6(a)為CR2點SBAS-InSAR結(jié)果與CR-InSAR結(jié)果形變趨勢比較,2種方法表現(xiàn)出相同的形變趨勢,在監(jiān)測期間均向遠離衛(wèi)星方向移動。通過建立回歸方程,計算得到2種方法所得時序結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.88。運用同樣方法得到CR3點2種結(jié)果的形變趨勢(圖6(c))與相關(guān)性(圖6(d))。由于SBAS-InSAR在處理數(shù)據(jù)過程中要進行多視處理,會損失空間分辨率,將其結(jié)果直接與角反射器相位中心形變進行比較會存在一定系統(tǒng)誤差。從散點圖擬合結(jié)果可以看出,SBAS-InSAR結(jié)果較為可靠。

圖6 CR-InSAR與SBAS-InSAR結(jié)果對比Fig.6 Comparison of CR-InSAR and SBAS-InSAR results

3.3 形變規(guī)律分析

富強機場區(qū)域原始地形以丘陵為主,因此在建設(shè)過程中要進行相當大規(guī)模的挖填方工程,具體挖填方區(qū)域如圖1(c)所示。機場填方區(qū)域的填土來自相鄰?fù)诜絽^(qū)域,主要是以膨脹土為主的粉質(zhì)粘土。機場內(nèi)部區(qū)域在建設(shè)過程中均進行膨脹土改良與土質(zhì)壓實施工,并進行混凝土澆灌,構(gòu)筑體強度有明顯提升。但機場南、北以及東側(cè)膨脹土高填方邊坡存在一定面積的裸露土壤,地質(zhì)體以膨脹土為主,該區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的地表裂隙[13]。

為了把握機場區(qū)域的形變特點,從整體到局部對機場區(qū)域進行分析。研究時段內(nèi)整個機場區(qū)域形變時序如圖7所示,對比圖1(c)可以發(fā)現(xiàn),機場形變主要位于填方區(qū)域,并且形變區(qū)域隨著時間推移逐漸變大。早期形變位于南北邊坡西側(cè)位置,與圖5中LOS向形變速率最大的區(qū)域一致,隨著時間推移,形變區(qū)域擴散到整個邊坡區(qū)域。機場東側(cè)為2個錐形邊坡,其形變最大區(qū)域位于邊坡最高點,隨著時間推移,錐形邊坡形變區(qū)域也由頂部逐漸擴散至整個邊坡。機場在建設(shè)時對內(nèi)部區(qū)域進行壓實施工,而外部邊坡只是進行邊坡加固,導(dǎo)致邊坡體與機場內(nèi)部壓實構(gòu)筑體剝離,從而表現(xiàn)出從頂部向底部的變形趨勢。

圖7 機場區(qū)域時序形變Fig.7 Time-series deformation of airport area

膨脹土填方體的表面形變會受降水影響,土壤含水量達到一定量時會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象[14]。由降雨數(shù)據(jù)可知,安康機場區(qū)域降雨季節(jié)性明顯且集中分布在7～9月。本文選擇4個邊坡區(qū)域特征點來分析降雨和膨脹土邊坡形變的關(guān)系。圖8(a)和8(b)特征點分別對應(yīng)圖5(a)中最大填方區(qū)域A、B,填方前后高差達到46.86 m,為典型的膨脹土高填方體。2個特征點對應(yīng)的形變速率分別為48.8 mm/a和39.4 mm/a,整體形變趨勢表現(xiàn)為沿LOS方向遠離衛(wèi)星,且形變速率逐漸變緩。區(qū)域A、B在降雨高發(fā)期形變速率減緩,在降雨達到一定量時甚至?xí)豅OS方向靠近衛(wèi)星移動。形變區(qū)域C中2個特征點(圖8(c)和 8(d))位于機場東側(cè)2個錐形邊坡,其形變趨勢基本一致,形變速率均大于50 mm/a。在竣工后的一段時間內(nèi),邊坡形變特征與膨脹土特性比較吻合,但竣工1 a后,在降雨高發(fā)期邊坡形變并未發(fā)生明顯減緩甚至抬升現(xiàn)象,這與Zhang等[15]在該區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果一致。

圖8 邊坡區(qū)域特征點時序形變Fig.8 Time-series deformation of feature points in slope area

綜合形變結(jié)果與降雨數(shù)據(jù)可知,在降雨高發(fā)時期,機場南、北膨脹土邊坡變形會減緩,甚至出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,這可能是由于邊坡區(qū)域膨脹土吸水發(fā)生膨脹變形,抵消了邊坡完工后填方土固結(jié)壓縮等引起的變形,因此安康機場邊坡特殊的形變方式可以認為是機場填方變形和膨脹土特有性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文基于SBAS-InSAR和CR-InSAR技術(shù),利用49 景Sentinel-1數(shù)據(jù)對安康富強機場進行為期2 a的形變監(jiān)測,獲得機場區(qū)域時序形變圖,同時結(jié)合當?shù)亟涤陻?shù)據(jù)分析安康機場膨脹土邊坡形變規(guī)律。結(jié)果表明,在2020-05～2022-04期間,機場邊坡區(qū)域形變沿LOS向遠離衛(wèi)星,且該區(qū)域與機場填方區(qū)域高度重合,這可能與機場填方施工后填方土發(fā)生固結(jié)壓縮有關(guān)。機場邊坡區(qū)域形變速率隨時間推移逐漸變緩,空間上表現(xiàn)出由點到面的形變趨勢,發(fā)生形變最大的區(qū)域為最先發(fā)生形變的區(qū)域。在邊坡上選取特征點分析形變時序并結(jié)合安康地區(qū)降雨數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)膨脹土邊坡形變在夏季降雨高發(fā)期會明顯變緩,甚至出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,這可能與膨脹土遇水膨脹的特性有關(guān)。安康機場形變?nèi)栽诔掷m(xù),對機場區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)測很有必要。