DInSAR技术监测青藏高原冻土形变的试验研究＊

胡 波 汪汉胜 贾路路 王 平 胡 俊 樊文静

(1)中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室,武汉 430077 2)中国科学院研究生院,北京 100049 3)中南大学信息物理工程学院,长沙 410083 4)长安大学地质工程与测绘工程学院,西安 710054)

DInSAR技术监测青藏高原冻土形变的试验研究＊

胡 波1,2)汪汉胜1)贾路路1,2)王 平3)胡 俊3)樊文静4)

(1)中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室,武汉 430077 2)中国科学院研究生院,北京 100049 3)中南大学信息物理工程学院,长沙 410083 4)长安大学地质工程与测绘工程学院,西安 710054)

以青藏铁路拉萨段为试验区,利用D InSAR技术和 Palsar数据监测得到了该地区的冻土形变,对形变图的分析表明,其形变非常吻合冻土冻胀融沉的物理变化规律,说明D InSAR技术适合在青藏高原大范围内监测冻土形变。

青藏高原;冻土;青藏铁路;冻胀融沉;D InSAR

1 引言

合成孔径雷达差分干涉 (D InSAR)是以合成孔径雷达复数影像的相位信息获取地表变化的技术,利用遥感卫星多时相的单视复数雷达图像的相干信息进行差分或利用外部DEM数据消除地形效应后,提取地面信息,最终达到探测地表微小形变的目的,视线向形变监测精度可达到毫米级[1]。D InSAR已发展成为一种专门监测地表形变的新技术,由于其具有高覆盖、全天候和高精度等优势,在监测大面积微小地面形变如地震、滑坡、泥石流、火山、构造活动、冰川消融、城市沉降等监测和预报方面有着广泛的应用。因此,D InSAR已成为监测环境灾害最有效的空间对地观测手段之一。

青藏高原冻土面积占该地区总面积的 57%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,温度的变化所引起的冻胀和融沉对冻土地区的工程安全有很大的影响。青藏高原大多属高温冻土,高原大气温度和地表温度随季节性变化较大,导致了青藏高原冻土的不稳定[2]。

高原冻土的冻胀和融沉归根结底是地表形变问题,我们尝试采用D InSAR技术进行监测,并对冻融区进行精确划分,详细给出冻土的冻胀融沉大小和深度。关于D InSAR监测冻土,国内外学者已做了大量研究。我国于 2001年在青藏高原北麓河附近建立了冻土工程研究基地,李震等[3]基于重复轨道的 ERS1/2 SAR图像,研究了利用干涉 SAR技术探测冻土形变的方法,得到了研究区冻土形变结果,通过与实测数据比较,表明重轨差分干涉测量可以精确地探测冻土表面形变。谢酬等[4]研究了利用PALSAR数据进行冻土形变检测的方法,并对其检测结果进行了分析,其结果也表明了该方法与水准测量方法有较好的一致性。本文将在前人工作的基础上,选择青藏铁路经过的拉萨及附近的某一段为试验区,研究青藏高原季节性的和长期变化的冻胀融沉规律。

2 研究区概况及数据来源

研究区内主要土地类型有冰川、积雪、裸岩、灌丛等,植被以高寒草原为主,混生有垫状植物。该研究区主要是高温多年冻土区。高温多年冻土由于冷蓄量比较小,对外界环境变化比较敏感,稳定性差,从而易引发冻胀融沉现象。冻土活动层的年变化过程一般分 4个阶段：夏季融化、秋季冻结、冬季降温、春季升温[5]。冻土的冻结和融化随温度和季节的变化交替出现,在这两种因素的作用下,地表就会反复的隆升和下降,引起地表不均匀沉降,从而引发一系列的地质灾害如滑坡、泥石流、建筑物塌陷等。

青藏高原地区地形、地貌、生态结构都比较复杂。我们知道波长越长,穿透性越强,故相对于 ERS和 ENV ISAT数据来说,日本ALOS卫星采用了先进的对地观测技术,可获得更高分辨率的雷达影像。在高植被覆盖和地形复杂多变地区,L波段的 PALSAR数据可以保持很高的相干性,尤其对于形变梯度大的区域,不易引起干涉条纹的混叠,因此,PALSAR数据比较适合地形复杂区域和冻土形变监测。故本试验选择 3景 PALSAR数据,其成像时间分别为2008年 12月 17日、2009年2月 1日和 2009年 3月 19日。图幅的 4个角坐标及中心坐标见表 1。

表1 PALSAR数据4角及中心坐标Tab.1 Coordinates of the four corners and the center of the PALSAR data

地形数据为美国宇航局提供的 90 m×90 m分辨率的DEM。图 1为青藏高原试验区的 SRT M数据,图 2为 SRT M数据的三维显示。

图1 青藏高原试验区的 SRT M数据Fig.1 SRT M data of test area in the Qinghai-Tibetan plateau

图2 SRT M数据的三维显示Fig.2 Three-dimensional display of the SRT M

3 数据处理

鉴于卫星的重返周期及复杂地形对地形相位的影响,外部DEM的辅助正好可以克服计算地形相位贡献值的缺陷[6]。因此,选用双轨法进行差分干涉提取地表形变。

以 2008年 12月 17日为主影像,2009年 2月 1日、2009年 3月 19日为从影像,分别进行干涉,形成 2个干涉对,分别命名为 20081217—20090201, 20081217—20090319,数据处理主要包括配准、干涉、滤波、解缠、地理编码等 5个步骤[7-9]。相干图、差分干涉图、形变图见图 3～8。

图 3 2008-12-17—2009-02-01相干图Fig.3 Coherence map of 2008-12-17—2009-02-01

图 4 2008-12-17—2009-03-19相干图Fig.4 Coherence map of 2008-12-17—2009-03-19

图 5 2008-12-17—2009-02-01差分干涉图Fig.5 Differential interferogram of 2008-12-17—2009-02-01

图 6 2008-12-17—2009-03-19差分干涉图Fig.6 Differential interferogram of 2008-12-17—2009-03-19

图 7 2008-12-17—2009-02-01形变图Fig.7 Defor mation map of 2008-12-17—2009-02-01

图 8 2008-12-17—2009-03-19形变图Fig.8 Defor mation map of 2008-12-17—2009-02-01

从图 7可以看出,研究区域发生了整体抬升,最大抬升量达 0.16 m。这是因为在 2008-12-17日—2009-02-01日时间段内,试验区经历了冬季降温过程从而引起冻土冻胀,故研究区域普遍发生抬升,同时,冻胀形变达到最大。从图 8可以看出,研究区域发生了大范围的沉降,最大沉降量达 0.28 m。这是因为从 2008-12-17日—2009-03-19日,天气转暖,冻土融沉而引起大范围的沉降。从形变图中,我们还可以分析出在没有出现人为活动的区域,由于热平衡保持完好,形变量相对较小,而在青藏铁路所经过的区域,地表发生了明显的沉降,这是因为大型工程活动改变了多年冻土的热量平衡,使得季节融化深度加深和次年回冻深度减薄。这一结果与马小杰[10]给出的利用水准测量的结果比较稳合。

4 结论与讨论

研究验证了 PALSAR数据在冻土形变监测方面具有巨大的优势,为青藏铁路的监测提供了一种便捷手段。同时也可指导冻土地区的工程建设活动,可以通过 PALSAR数据的监测结果来判断冻土地区的形变大小是否超出可承受范围,预防病害的发生。

下一步的研究将通过处理研究区域不同时段的数据,得到研究区域的冻土形变规律,拟合出形变随时间变化的关系。建立冻胀融沉预测模型,对各种特征区的时间序列形变观测结果,进行最小二乘回归分析,回归模型包括季节性变化、半年变化和长期线性变化等成分,建立各种特征区特别是铁路和公路的变形预测模型,可对冻土地区的冻融进行预测和预警。

致谢 感谢NASA与日本航空局提供 SRT M数据和PALSAR数据!

1 Xia Ye.Bam earthquake：Surface defor mation measurement using radar interferometry[J].Acta Seis mologica Sinica, 2005,18(4)：451-459.

2 答治华,童长江.建立青藏铁路多年冻土区工程的监测体系的必要性[J].铁道工程学报,2002,(2)：68-70.(Da Zhihua and Tong Changjiang.Necessity of the establishment monitoring system in the permafrost regions of the Qinghai-Tibet Railway[J].Railway Engineering,2002,(2)：68-70)

3 李震,等.差分干涉 SAR冻土形变检测方法研究[J].冰川冻土,2004,26(8)：389-396.(Li Zhen,et al.Differential interferometric SAR detection of permafrost deformation [J].glacial soil,2004,26(8)：389-396)

4 谢酬,等.基于 PALSAR数据的青藏高原冻土形变检测方法研究[J].国土资源遥感,2008,9(3)：15-19.(Xie Chou,et al.A study of deformation in permafrost regions of Qinghai-Tibet Plateau based on AloS/PALSAR D InSAR Interferometry[J].Journal of Remote Sensing,2008,9(3)：15-19)

5 赵林,等,青藏高原五道梁附近多年冻土活动层冻结和融化过程[J].科学通报,2000,45(11)：1 205-1 211. (Zhao Lin,et al.Qinghai-Tibet Plateau permafrost Wudaoliang active layer near the freezing and thawing process [J].Science Bulletin,2000,45(11)：1 205-1 211)

6 LiaoM S,et al.Reconstruction ofDEMS From ERS1/2 Tandem Data in Mountainous Area Facilitated by SRT M Data [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007,45(7)：2 325-2 335.

7 胡波,汪汉胜.二轨法 D InSAR技术监测城市地表沉降[J].测绘工程,2010,19(2)：37-41.(Hu Bo and Wang Hansheng.Two-pass method D InSAR technology to monitor ground subsidence[J].Engineering of Surveying and Mapping,2010,19(2)：37-41)

8 胡波,汪汉胜.D InSAR技术对地震同震形变场的研究[J].测绘工程,2010,19(1)：9-12.(Hu Bo and Wang Hansheng.Research on extract earthquake co-seis mic deformation by Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar[J].Engineering of Surveying andMapping,2010,19 (1)：9-12)

9 胡波,汪汉胜,PSInSAR技术监测地表形变的研究[J].大地测量与地球动力学,2010,(1)：34-39.(Hu Bo and Wan Hansheng.Monitoring ground subsidence with permanent scatterers interferometry[J].Geodesy and Geodynamics,2010,(1)：34-39)

10 马小杰,等.青藏铁路路基沉降变形的灰色预测模型研究[J].路基工程,2006(5)：1-3.(Ma Xiaojie,et al. The Qinghai-Tibet railway on the settlement of the gray prediction model[J].Foundation Engineering,2006,(5)：1 -3)

USING D InSAR TO MONITOR DEFORMATION OF FROZEN GROUND IN TIBETAN PLATEAU

Hu Bo1,2),Wang Hansheng1),Jia Lulu1,2),Wang Ping3),Hu Jun3)and FanWenjing4)

(1)Key Laboratory of Dynam ic Geodesy,Institute of Geodesyamp;Geophysics,CAS,W uhan 430077 2)Graduate Universty of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100049 3)Departm ent of Surveying and Land Infor m ation Engineering,Central South University,Changsha 410083 4)Shool of Geology Engineering and Geom atics of Chang’an University,Xi’an 710054)

The Lasa section of theQinghai-Tibet railwaywas selected as a test region.The defor mation of frozen ground in the test region were successfully monitored with D InSAR.Through the analysis of the deformation,it is found that the deformation conformes to the law of physical changes of frozen ground,frost heave and thawing settlement.It is shown that D InSAR technique has good prospects in defor mation monitoring for the frozen ground in Qinghai-Tibetan plateau.

Tibetan Plateau;frozen ground;Qinghai-Tibet rail way;frost heave and thawing settlement;D InSAR

1671-5942(2010)05-0053-04

2010-05-10

国家杰出青年科学基金(40825012)

胡波,男,1983年生,博士研究生,主要从事 InSAR研究.E-mail：hubo@asch.whigg.ac.cn

P227

A