河北邢台隆尧地裂缝活动PS-InSAR监测与分析

刘沛然，杨成生,2,3，赵超英,2*

（1.长安大学地质工程与测绘工程学院，陕西·西安 710054；2.地理国情监测国家测绘地理信息局工程技术研究中心，陕西·西安 710054；3.地理信息工程国家重点实验室，陕西·西安 710054）

河北邢台隆尧地裂缝活动PS-InSAR监测与分析

刘沛然1，杨成生1,2,3，赵超英1,2*

（1.长安大学地质工程与测绘工程学院，陕西·西安 710054；2.地理国情监测国家测绘地理信息局工程技术研究中心，陕西·西安 710054；3.地理信息工程国家重点实验室，陕西·西安 710054）

河北隆尧地裂缝是我国华北平原地区目前发育规模最大的一条地裂缝。为掌握和分析该地裂缝活动区域形变的变化特征及地裂缝发育特征、成因机理。本文利用2009～2010年间16景Envisat数据和2007～2011年间15景ALOS数据，采用PS-InSAR技术对该地区进行了监测。结果表明，在2007～2011四年间，邢台地区地面沉降主要分布在城镇、地下水开采区以及断裂带附近。最大年沉降速率达到60mm/a。结合河北断裂带地质构造资料分析，得出邢台市隆尧地裂缝受到隆尧断裂带以及地下水开采的影响。

地裂缝； 断裂带；地下水开采；PS-InSAR技术；华北平原

邢台地区地处华北地块核心部位，为宁晋—衡水断凸、邢衡隆起、临清断陷交接处。在研究区域内，发育着数条北北东向及东西向断裂带，在平面上成“三叉戟”状围限着这一区域，主断裂有太行山前大断裂、束鹿断凹东缘断裂、束鹿断凹西缘断裂，此外还发育着数条次级断裂[1]。河北隆尧地裂缝位于邢台地区隆尧县（见图1），东起东良乡西至毛儿寨乡，全长约为36km。地裂缝在地表虽然断续出露，但地裂缝发育清晰可见。隆尧地裂缝总体上呈线性展布，整体走向稳定、连续，且不受沿线微地貌和地物的影响。所经之处，房屋、道路及管线均受到不同程度破坏[2]。

隆尧地裂缝是华北平原比较典型的地裂缝灾害现象，许多专家和学者对其进行了一系列研究。李世雄等认为地裂缝是由于断裂活动导致隐伏地裂缝发育，再加上地下水逐年下降，导致地裂缝发展加速，并在地表水在作用下产生地表开裂[3]。马润勇等对隆尧地裂缝进行构造应力场数值模拟，得出隆尧地裂缝为隆尧断裂活动为主的最新地表响应，属于构造型地裂缝，并与地震活动密切相关，是区域构造应力加强的表现[4]。宋伟等认为，隆尧地裂缝的地层错断现象主要原因是由于断层蠕滑活动形成的，表现为地壳构造运动产生的内应力的积累与释放[5]。徐继山等认为隆尧断裂的持续活动为地裂缝的形成提供了动力来源，导致拉应力区的扩展，甚至是破碎带的形成[6]。尽管如此，目前对于隆尧地裂缝的成因机制、发育机理，都是基于区域构造背景及野外实际调查开展的推断与分析，尚缺乏该地区大范围地面沉降及地裂缝活动监测数据，容易导致对地裂缝成因机理解释的误判。

图1 研究区范围Fig.1 Study area

合成孔径雷达测量（InSAR）是近二十年来发展起来的极具潜力的遥感新技术，具有全天候、大范围、高精度监测地表形变的优点，已在多个地学研究中得到应用[7]，但在地裂缝的监测方面还处于探索实践阶段。鉴于此，本文采用Hopper于2004年提出的永久散射体PS-InSAR算法[8]，利用16景ENVISAT/ASAR降轨数据和15景ALOS/PALSAR升轨数据，对河北邢台地区地面沉降及地裂缝活动进行了监测分析，为有效减灾避灾提供依据。

1 StaMPS-InSAR技术

PS-InSAR技术能克服常规差分干涉测量中大气效应和时、空间失相关的影响，即使在无法获得干涉条纹的情况下，也可利用时间序列SAR影像上具有稳定相位的PS点获取毫米级的形变监测精度。2004年，Hopper提出StaMPS算法，该方法基于相位的特征，选取幅度值较小且相位稳定的点作为最终PS点。实例验证该方法在常规PS算法不能处理的区域仍可选取足够数量的PS点，极大拓展了PS技术的应用范围。StaMPS技术的基本原理如下：

在差分干涉处理中，首先在序列SAR影像中挑选其中一幅作为差分干涉的公共主影像，该影像需要满足与其他影像整体具有最佳的相关性[9]。然后通过统计分析振幅稳定性与相位稳定性之间的关系，选取出初始PS点。其中涉及的振幅离差是由Ferretti等人于2001年根据SAR影像数据振幅的标准差与均值给出的：

在对各个像素的相位分量进行分析并对其空间相关分量和非相关分量作进一步分解，然后以此为依据得到候选PS点的判定准则：该算法利用振幅离差指数作为PS初选点的探测阈值，探测的初选点上干涉相位均由形变相位、轨道残差、地形误差、大气延迟相位等失相关噪声相位构成[10,11]：

各初选点的形变具有高度的相关性，根据此假设结合SAR影像的分辨率利用自适应滤波依次求出一定相关空间窗口内前四项空间相关部分并去除，同时估计并剔除空间非相关的入射角误差[12]。上述过程不断迭代且收敛后，利用残差分量估计PS候选点的相关系数：

Hopper等（2007）根据概率统计思想选取γx的阈值，认为非PS点也会有一定的概率具有较高的γx值，因此需要通过设置可接受的非PS点被误选的概率值小于某一合理的阈值作为统计准则，其目的是最大化地保留真PS点[13]，可接受PS点被误选的概率的表达式为式（4）：

除了所要求解形变相位外，还有一些误差项的存在，如大气、轨道等误差。大气效应主要表现为湍流大气延迟误差，是由于电离层中的总电子含量和对流层中的水汽含量变化所引起，一般认为大气延迟相位是时间不相关的，在空间上具有强相关性。这里把空间相关部分又可分为时间相关与时间不相关部分，前者包括地表形变、主影像的大气误差和轨道误差，存在于每一个干涉对中，后者包括其余的空间相关部分，从影像大气误差和轨道误差等。针对空间相关误差相位的分离综合采用时、空域滤波算法实现[14]。

2 实验数据及数据处理

实验数据分别采用16景ENVISAT/ASAR降轨数据（Track 261），时间跨度为2009年1月到2010年10月，覆盖范围如图1绿色框所示，以及15景ALOS/PALSAR升轨数据（Track 451），时间跨度为2007年2月到2011年2月，覆盖范围如图1蓝色框所示。试验中采用的DEM数据为30m分辨率的SRTM DEM数据。

首先综合考虑时间基线、空间基线及多普勒中心频率的共同影响，使相干性之和达到最大。分别选取20090530和20100403作为ENVISAT/ASAR和ALOS/PALSAR数据的主影像。获取的空间基线结果如图2所示。在选取主影像之后，通过对主影像数据的读取、裁剪，影像数据的配准、重采样、干涉图生成、差分干涉处理、初选PS点、空间相关和非相关视角误差评估、PS点选取、空间非相关组分去除、相位解缠、相位分解和组分评估、形变提取，最终得到ENVISAT数据和ALOS数据的年均形变结果。利用StaMPS进行数据处理中采用的具体参数如表1所示。

图2 空间基线分布Fig.2 Distribution of spatial perpendicular baseline

表1 数据解算中采用的参数Table1 The list of parameters used in the data processing

3 结果与分析

3.1 形变特征分析

通过InSAR数据处理，分别获取了河北邢台地区2009～2010年间（ENVISAT数据）及2007～2011年间（ALOS数据）的年均形变速率图，分别如图3和图4所示，背景为该地区的DEM数据，图中蓝色实线为活动地裂缝位置，棕色虚线为断裂位置。从图3中可以看出，在2009至2010年间，邢台地区的沉降主要在高邑县，宁晋县以及隆尧县东南地区，其中宁晋县是一个明显的小沉降中心，年沉降速率约为40mm/a，在隆尧县的东南地区，沉降速率约为30mm/a，而隆尧县城区域西部范围内存在有抬升趋势。图4中，在地裂缝的南侧，出现了大片的沉降区域，其中主要包括两个沉降中心，区域一位于地裂缝以南，形成了一个长椭圆形的沉降漏斗，区域二位于巨鹿县一个近圆形沉降中心，两个沉降中心的最大年沉降速率为60mm/a。

从图4中则可以清楚看到，河北平原的形变从整体上受到束鹿断凹东缘断裂、隆尧断裂等断裂带的控制，形变主要发生在断裂带附近。在隆尧地裂缝的南侧，主要分布着两个大片沉降中心，而两处漏斗区已经连通，这说明地下水过量开采是造成地面加速沉降的主因[15]。

图3 2009～2010年间邢台地区地表形变年均速率图（ENVISAT数据）Fig.3 Average deformation velocity in line of sight (LOS) of Xingtai region from 2009 to 2010 (ENVISAT)

3.2 特征点时序形变分析

为进一步定量分析2007～2011年间各时间段的地面沉降变化，选取ENVISAT数据和ALOS数据重叠区域的同名点进行分析。对图3及图4中的3个特征点，分别为巨鹿县（A）、宁晋县（B）、隆尧县（C），进行形变时间序列分析。如图5所示，蓝色折线代表ALOS数据结果，红色散点则代表ENVISAT数据结果。

图4 2007～2011年间邢台地区地表形变年均速率图（ALOS数据）Fig.4 Average deformation velocity in line of sight (LOS) of Xingtai region from 2007 to 2011 (ALOS)

图5 三处典型地面形变区域累积形变序列结果Fig.5 Accumulative deformation of 3 points from 2007 to 2011

从图5可以看出，巨鹿县、宁晋县，在2007年2月至2011年2月的时间里沉降严重，累计沉降分别达到230mm和128mm，平均年沉降速率分别约为58mm/a和32mm/a。而隆尧县（隆尧地裂缝北侧）则累计抬升126mm。这说明由于不同地层结构差别大的地区产生地面的不均匀沉降而形成地裂缝[16]。并且可以看出，在大范围华北农田区域，相比于C波段的ENVISAT数据，L波段的ALOS数据可以更好地克服时间去相干问题，可以获取更多高相干点，所探测到的最大形变量也较大。

3.3 地裂缝活动分析

从图3和图4的结果图中不难看出，在隆尧地裂缝的北侧和南侧分别存在着抬升和下降的形变趋势，因此，初步分析由于不同地层结构差别导致的不均匀沉降是形成地裂缝的一个重要因素。另据 2007 年河北省水资源公报，宁晋、柏乡、隆尧三县围绕地区降落漏斗面积达1956km2，中心地区地下水埋深 64.20m。由于地下水的过度开采，导致地面沉降引发底层节理延及地表开裂，这是地裂缝活动加剧不可忽略的因素[17～20]。

由地面沉降而造成的地裂缝与其他构造控制型地裂缝不同，有着自身发育特点和分布规律。地面沉降造成的地裂缝以线状或串珠状塌陷坑有限延伸在地面沉降区域，而隆尧地裂缝正是典型的线状地裂缝[6]。同时，隆尧地裂缝形变受到隆尧断裂的控制，从图中可以看出，该条地裂缝错开上下盘地层，北盘相对上升，南盘相对下降，为正断层性质，这与隆尧断裂性质相一致。因此推测地裂缝与深部断层相接。

为分析隆尧地裂缝活动规律，根据地裂缝的走向，在图4中提取出两条平行于地裂缝走向位于南北两侧的剖面线A1和A2（图6）以及两条垂直于地裂缝的剖面线B1和B2（图7）。

图6 地裂缝水平剖线图Fig.6 Parallel profles of Ground fssure

图7 地裂缝垂直剖线图Fig.7 Vertical profles of Ground fssure

从水平剖线图A1可以看出地裂缝的北侧区域相对稳定（有部分隆起趋势），而南侧的A2剖面存在明显的地面沉降现象，地裂缝两侧最大沉降量较差超过5cm。各垂直剖线结果可以看出，B1、B2处地面形变特征非常明显，均属于陡降型，地裂缝两侧较差超过8cm。并且在地裂缝的北侧均成上升趋势，南侧均成下降趋势。

4 结论

本文采用StaMPS技术对河北省邢台地区2009～2010年间的16景ENVISAT数据以及2007～2011年间的15景ALOS/ PALSAR数据进行处理，开展了该地区的大范围地表形变监测，分别得到该地区的地表形变平均速率及典型区形变时间序列，并结合地面沉降、断裂及地下水对隆尧地裂缝活动及形变进行了分析。研究得出：隆尧地区的沉降主要分布在高邑县，宁晋县以及隆尧县东南地区，而在隆尧县城区域西部范围内存在有抬升趋势；通过分析表明地下水开采是该地区地面沉降的主因，而地下水开采导致的不均匀沉降是加剧地裂缝活动的一个重要因素。通过分析地裂缝水平剖线和垂直剖线，可以看出地裂缝北盘上升而南盘下降，这与隆尧断裂的正断层活动性质相一致。

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PS-InSAR monitoring of Longyao ground fssure in Xingtai, Hebei province

LIU Pei-Ran1, YANG Cheng-Sheng1,2,3, ZHAO Chao-Ying1,2
(1.School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710054, China; 2.National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Engineering Research Center of National Geographic Conditions
Monitoring, Shaanxi Xi’an 710054, China; 3.State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Shaanxi Xi’an 710054, China)

Longyao ground fissure is the largest active ground fissures in the North China Plain.In order to master and analyze the characteristics of deformation of ground fssure activity area and development characteristic Formation mechanism, permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar (PS-InSAR) was used to process 15 L-band ALOS/ PALSAR images obtained from 2007 to 2011 and 16 C-band ENVISAT/ASAR images obtained from 2009 to 2010.The result shows that subsidence is mainly located in the towns, groundwater exploration area, and fault from 2007 to 2011.The maximum annual sedimentation rate reached 60 mm/a.Combined with geological structure information analysis, we come to Longyao ground fssures in the results of the Longyao fault zone and the infuence of groundwater exploitation.

ground fssure; fault zone; groundwater exploitation; PS-InSAR; the North China Plain

P642.26

A

2095-1329(2017)03-0078-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.018

2017-03-24

修回日期: 2017-06-28

刘沛然,男,硕士生,主要从事地面沉降及地裂缝活动监测PS-InSAR技术研究.

电子邮箱: 734562257@qq.com

联系电话: 029-82339251

国家自然科学基金项目(41372375);中国地震局地震专项科研基金(201508009);地理信息工程国家重点实验室开放研究基金资助项目(SKLGIE2014-M-3-5);中央高校基本科研业务费资助项目(310826161017)

*通讯作者: 赵超英(博士/教授): zhaochaoying@163.com