基于InSAR技术的盘锦地区地面沉降研究

2019-07-09张静丁黄平刘纯谢文然时雨

世界地质 2019年2期

张静，丁黄平，刘纯，谢文然，时雨

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034;2.辽宁省地质环境监测总站, 沈阳 110032

0 引言

合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是利用对同一地区观测的两景或多景SAR影像复数据进行相干处理，获取高精度的三维地形信息及微小形变信息的技术，具有精度高、覆盖范围大、全天候、全天时、成本低等优点，近年来广泛应用于地面沉降监测[1,2]。目前，D-InSAR利用遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息，进行地表垂直形变量的提取，其精度已经达到了毫米级[3-5]，该技术为地表变形的自动化监测提供了全新方法，具有常规观测手段无法比拟的优势。已较广泛地应用于矿区沉陷、地面沉降、滑坡等方面的监测中[6,7]。SBAS-InSAR是基于D-InSAR的一种方法，能够极大限度地克服时间和空间失相干的影响，提高精度[8]。为准确掌握近几年盘锦地区地面沉降的分布及动态演化特征，本文利用中、高分辨率雷达数据，分别采用SBAS-InSAR和D-InSAR技术获取了2013—2016年间和2007—2009年间盘锦地区的地面沉降时空分布特征，为该区地面沉降防治提供基础资料。

1 研究区概况

盘锦市位于辽宁省西南部，辽河三角洲中心地带，濒临渤海。研究区位于盘锦市的西部，地形平坦开阔，海拔一般在2～4 m之间。地势北高、南低，由北向南逐渐微微倾斜，比降为10-4±，坡降平缓，为广阔的冲海积三角洲低平原。区内主要水系有辽河和绕阳河。

研究区在大地构造上属于华北台地的东北部，在区域构造上位于辽河断陷地带。新构造运动比较活跃，位于负向垂直运动的坳陷区，下降速率一般为3～5 mm/a，对地面沉降有影响作用，只是其引起沉降的量级较小。

地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和新近系深层碎屑岩类孔隙-裂隙水。第四系松散岩类孔隙水广布，为咸水，含水层厚度70～360 m，地下水埋深0.4～2.4 m，具潜水-微承压性。新近系深层碎屑岩类孔隙-裂隙水，主要赋存于明化镇组和馆陶组地层中，属深层孔隙-裂隙承压水。明化镇组孔隙-裂隙水埋深230～450 m，咸水底板差异较大。馆陶组孔隙-裂隙水是重要的供水含水层，其顶板埋深420～1 060 m，含水层厚度100～300 m[9]。由于长期开采新近系地下水，现已形成明显的地下水位降落漏斗，且呈逐年加深扩大趋势。

研究区位于稳定性较差的冲海积低平原工程地质区，盐碱土和沼泽化区及湿地大面积分布，淤泥质层广泛分布。

2 数据与方法

2.1 雷达数据

为提高监测结果的准确性，分别选取不同时段的Radarsat-2和Envisat-1 ASAR数据进行盘锦地区的地表形变反演研究，并将两者的结果进行对比分析，相互验证。SAR影像及研究区范围如图1所示。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of study area

覆盖研究区域的19期C波段(波长5.6 cm)Radarsat-2雷达影像编程数据，获取时间为2013年5月30日到2016年2月8日(表1)，数据分辨率为8 m，多视精细模式，极化方式HH，数据格式为单波段tiff格式，所有数据具有准确的地理参考信息和精确的轨道参数。

表1 Radarsat-2影像数据列表

覆盖研究区域的3期ASAR雷达影像存档数据，获取时间分别为2007年4月至2009年6月(表2)，数据分辨率为30 m，Image图像模式，极化方式HH，数据格式为单波段tiff格式，所有数据具有准确的地理参考信息和精确的轨道参数。

DEM数据集利用SRTM3 V4.1版本的数据进行加工得来，空间分辨率为90 m。

表2 ASAR影像数据列表

2.2 数据处理方法

由于两种不同的雷达数据具有不同的特点，数据量也不同，因此Radarsat-2数据运用小基线集(SBAS-InSAR)技术采用GAMMA软件SARScape平台进行处理，ASAR数据运用D-InSAR技术中的二轨法采用SARmap公司研发雷达图像处理软件ENVI SARScape进行处理。

小基线集，又称短基线集，是目前有代表性的高级(多基线)InSAR方法之一。该方法最初由Berardino提出，其初衷是用于提取低分辨率、大尺度地表形变。小基线集方法根据获取SAR影像序列在时间、空间基线的分布，将数据组合成若干个集合，即集合之内，干涉对空间基线距小，而集合间干涉对空间基线距大。在地表形变反演阶段，为连接多个小基线集合，提高数据处理的时间采样率，引入奇异值分解方法，获取最小范数解[10]。

二轨法采用形变前和形变后的SAR组成干涉对，干涉得到包含形变值的干涉相位，依据已有的高程信息(如DEM)和SAR成像参数模拟参考相位和地形相位，将干涉相位和模拟的相位进行差分得到地表形变相位，进而将形变相位转换为形变值。二轨差分干涉测量处理流程图如图2所示。

图2 二轨法差分干涉流程图Fig.2 Two track differential interference flow chart

3 结果与分析

3.1 地面沉降现状

根据19期Radarsat-2监测数据结果，得到2013年5月至2016年2月盘锦地区累积沉降量图(图3)和沉降速率图(图4)。图中存在一些数据空白区域，主要是由于研究区位于盘锦湿地内，大部分区域被芦苇覆盖，而且水系较发达，冬季有近4个月被冰雪覆盖，雷达影像的相干性受到较大的影响。整个影像范围内存在两个较大的沉降区，一个位于曙光采油厂曙四联(区域A)，沉降区面积约为43.6 km2，其中沉降严重区面积约2.62 km2，最大沉降量为-551.71 mm，最大沉降速率为-151.49 mm/a；另一个位于凌海市安屯镇龙王村(区域B)，沉降区面积约为33.28 km2，沉降较严重区面积约2.28 km2，最大沉降量为-385.76 mm，最大沉降速率为-119.55 mm/a(表3)。

表3 13-16时相内各级沉降区域面积

利用20070406-20090619数据进行D-InSAR分析，得到2007年至2009年的沉降情况(图5，图6)。图中存在三个沉降区，总体分布于图像的中上部分。如图7所示，一个位于曙光采油厂(A区)，沉降区总面积47.4 km2，其中沉降严重区位于曙光七分厂，面积约3.16 km2，最大沉降量为-287.91 mm，最大沉降速率为-151.49 mm/a。一个位于安屯镇孔家铺—龙王村附近(B区)，面积约40.62 km2，最大沉降量为-179.24 mm，最大沉降速率为-66.33 mm/a。还有一个位于右卫镇的苗屯昌盛村附近(C区)，面积约62.54 km2，最大沉降量为-115.85 mm，最大沉降速率为-28.59 mm/a(表4)。

图3 20130530-20160208时相内沉降量Fig.3 Cumulative settlement from 20130530 to 20160208

图4 20130530-20160208时相内沉降速率Fig.4 Settlement rate from 20130530 to 20160208

图5 20070406-20090619时相内沉降量Fig.5 Cumulative settlement from 20070406 to 20090619

图6 20070406-20090619时相内沉降速率Fig.6 Settlement rate from 20070406 to 20090619

图7 07-09时相内的主要沉降区域Fig.7 Main subsidence areas in 07-09 time phases

通过对比13-16时相和07-09时相监测数据结果发现，两种方法均得到两个较大的沉降区，分别位于曙光采油厂附近和孔家铺—龙王村附近。从07-09到13-16时相，曙光采油厂沉降区面积由47.4 km2变为43.6 km2，沉降中心由曙光七分厂向西偏移为曙四联；孔家铺—龙王村沉降区面积由40.62 km2减小到33.28 km2，沉降中心由孔家铺向西偏移为龙王村。初步分析认为，这是由于ASAR数据量少，且分辨率较低(30 m)，误差较大造成的。

表4 07-09时相内各级沉降区域面积

3.2 累积沉降量时序分析

在曙光采油厂选取2个典型点进行累积沉降量时序分析。依据Radarsat-2监测结果，SG01的累积沉降量为-416.27 mm，SG02的累积沉降量为-545.46 mm，两者的折线图如图8。由图可知，SG01在2013年5月—2014年1月之间沉降相对比较缓慢，后面沉降逐渐加深，进入2015年后沉降进一步加快，呈现出愈演愈烈的趋势，累积沉降量达-416.27 mm。SG02也呈类似的沉降趋势，在2013年5月—2013年11月之间沉降相对比较缓慢，之后逐渐加速，2015年7月—2016年2月之间达到最快，累积沉降量达-545.46 mm。

图8 SG01、SG02点累积沉降量随时间的变化Fig.8 Change of cumulative settlement of SG01 and SG02 with time

在龙王村选取2个典型点进行累积沉降量时序分析。依据Radarsat-2监测结果，LW01的累积沉降量为-280.67 mm，LW02的累积沉降量为-234.81 mm，两者的折线图分别如图9。

图9 LW01、LW02点累积沉降量随时间的变化Fig.9 Change of cumulative settlement of LW01 and LW02 with time

由图9可知，LW01在2013年5月—2014年12月之间沉降相对比较缓慢，后面沉降逐渐加深，到2015年11月后沉降有一个突然加速的过程，累积沉降量达-280.67 mm。LW02的沉降在2013年5月—2014年3月之间沉降相对比较缓慢，2014年3月—2014年5月之间突然加速，之后呈现出稳定的沉降趋势，累积沉降量达-234.81 mm。

图10和图11分别为曙四联沉降区2007—2008、2007—2009及2013—2014、2013—2015和2013—2016的沉降量。从图10看出，2007—2008没有严重沉降区(红色区域)和较严重沉降区(橙色区域)，只有中等沉降区。到2009年，沉降上升了1～2个等级，中等沉降区转化成了严重沉降区和较严重沉降区。沉降区面积由37.28 km2增大到47.4 km2，增加了10.12 km2。从图11可以看出自2013年5月至2016年2月的整个观测期间，曙四联发生地面沉降的区域不断扩大，累积沉降量明显逐年增大。至2014年1月，该区不存在严重、较严重沉降区域；到了2015年1月，严重、较严重沉降区域面积分别达到了0.15 km2、4.76 km2；2016年2月严重、较严重沉降区域面积分别增大到2.62 km2、6.16 km2。沉降区总面积由28.56 km2增大到43.6 km2，增加了15.04 km2。

图10 2007—2009曙四联累积沉降量时间序列变化Fig.10 Time series of cumulative settlement of Shusilian in 2007—2009

图11 2013—2016曙四联累积沉降量时间序列变化Fig.11 Time series of cumulative settlement of Shusilian in 2013—2016

3.3 水准观测结果验证

在曙四联沉降区内布设有39个地面沉降水准观测点。为验证InSAR监测结果的准确性，获取了2014年9月至2015年9月之间与Radarsat-2同时期的水准观测数据进行对比分析。由于受到天气和下垫面的影响，有些水准点处没有卫星反演数据，剔除无效数据后共有16组同名观测数据。卫星反演值与水准观测值之间的误差绝对值<10 mm的有7个点，10～20 mm之间的有6个点，20～30 mm之间的有2个点，>30 mm的有1个点。以水准观测值为横坐标，卫星反演值为纵坐标，得到散点图12。由图12可知，水准观测与卫星InSAR反演结果比较接近，两者的均方根误差约为15.81 mm，InSAR监测结果具有较高的可靠性。