利用DInSAR技術(shù)檢測(cè)地裂縫分布及走向

胡 波，陳志謀，吳 洋，楊 斌，陳俊宇，陳雄樂，陳智偉

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006; 2. 福建偉志工程勘測(cè)股份有限公司，福建 晉江 362200)

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂并在地面形成一定長(zhǎng)度和寬度的裂縫的一種宏觀地表破壞現(xiàn)象，其走向和地下斷裂帶一致，規(guī)模大，常呈帶狀分布。地裂縫已成為一種獨(dú)特的城市地質(zhì)災(zāi)害，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，會(huì)給其所在地區(qū)的發(fā)展帶來嚴(yán)重的障礙，特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口數(shù)量大的城市，甚至?xí)o人民帶來生命威脅。如我國(guó)西安的地裂縫，首次發(fā)現(xiàn)于1959年，至今已發(fā)展為14條，總延伸長(zhǎng)度超過120 km，分布面積達(dá)到150 km2，地裂縫所過之處，地面破碎、建筑物開裂、道路變形、地下管道錯(cuò)斷，成為西安最普遍的災(zāi)害。其成因主要有地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)和抽取地下水等[1-4]。

一直以來，眾多學(xué)者使用各種形變監(jiān)測(cè)手段對(duì)地裂縫進(jìn)行研究，如傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量、基巖標(biāo)和分層標(biāo)測(cè)量，但這些方法野外作業(yè)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，而且需要長(zhǎng)期維護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的完整性；再加上這些方法的測(cè)量點(diǎn)分布稀疏，基于點(diǎn)的觀測(cè)，難以在宏觀上揭示整個(gè)形變區(qū)域的形變規(guī)律[5-7]。但DInSAR技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了上述測(cè)量方法只能監(jiān)測(cè)有限離散點(diǎn)的不足，并且可實(shí)現(xiàn)大面積、非接觸、全天候、高精度的形變監(jiān)測(cè)，在地面形變監(jiān)測(cè)方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)[8-11]。目前，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者使用類似技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地裂縫進(jìn)行研究。

由于地裂縫本質(zhì)是深部構(gòu)造活動(dòng)向地表延伸的斷裂活動(dòng)的痕跡，因此人類無(wú)法阻止其活動(dòng)。只能在查明其分布范圍之后，在擬建物規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)予以避讓，在地裂縫影響范圍內(nèi)的建筑尚應(yīng)采取結(jié)構(gòu)措施。本研究以2016年6月至2016年11月期間3景加拿大RADARSAT-2數(shù)據(jù)，利用差分干涉測(cè)量技術(shù)(differential interferometry synthetic aperture radar，DInSAR)進(jìn)行處理，對(duì)河北省廊坊市大城縣的地表形變進(jìn)行研究，綜合分析其地裂縫的分布、走向及影響因素，并且提出預(yù)警和相關(guān)建議，為生產(chǎn)單位和政府部門提供決策依據(jù)來采取應(yīng)對(duì)措施。

1 DInSAR技術(shù)原理

DInSAR即合成孔徑雷達(dá)差分干涉技術(shù)，是對(duì)InSAR技術(shù)的進(jìn)一步拓展，它是對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)相的兩幅干涉紋圖進(jìn)行差分組和從而可以消除地形影響，其目的是通過多次重復(fù)觀測(cè)進(jìn)行地表微小形變的監(jiān)測(cè)。要通過干涉雷達(dá)獲取地表的形變信息，就必須消除區(qū)域的地形信息。根據(jù)去除地形相位采用的數(shù)據(jù)和處理方法的不同，DInSAR技術(shù)可使用兩種數(shù)據(jù)類型：一種是兩幅天線同時(shí)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，另一種是同一幅數(shù)據(jù)在不同時(shí)間內(nèi)近平行觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)。然后將從雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，通過處理，得到地面同一位置的復(fù)圖像，利用圖上反映出來的相位差，分析得到精確的地面形變。

DInSAR中包含2次成像雷達(dá)天線到目標(biāo)的傳播路徑長(zhǎng)度差值的信息，衛(wèi)星測(cè)量的狀況、測(cè)量時(shí)間、大氣條件等因素，影響著傳播路徑的長(zhǎng)度。如果大氣的影響被忽略，通過一定的算法刪除測(cè)量衛(wèi)星的位置變換而應(yīng)發(fā)的地形所得干涉相位，可得地面變形的干涉相位，從而使試驗(yàn)區(qū)的地面變形監(jiān)測(cè)得到實(shí)現(xiàn)。其數(shù)據(jù)處理的方法有兩軌法、三軌法和四軌法。

2 利用DInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)大城縣地表形變

2.1 測(cè)區(qū)概述

監(jiān)測(cè)地區(qū)位于河北省廊坊市大城縣，地處約116°30E—116°47′E，38°35′N—38°50′N之間，南北長(zhǎng)約27 km，東西長(zhǎng)約26 km，面積約為700 km2(如圖1所示)。測(cè)區(qū)屬海河流域，臨近渤海灣，位于冀中平原腹地，全境地勢(shì)平坦，多為農(nóng)田，自西南向東北逐漸降低，海拔3～10 m。大城縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。境內(nèi)煤炭資源豐富，初步探明儲(chǔ)量190.1億噸，走向?yàn)槲髂稀獤|北。煤田煤系基底碳酸鹽巖為強(qiáng)含水層，水質(zhì)類型為Na2SO4型水，主要可采煤層與上下含水層之間有較厚的多層隔水層相隔，水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。煤田上覆地層屬新生界中的第三系地層，抗壓強(qiáng)度不高，堅(jiān)實(shí)性較差。

2.2 數(shù)據(jù)的選取

本次試驗(yàn)選用了3景加拿大RADARSAT-2 0級(jí)數(shù)據(jù)，采用C波段，波長(zhǎng)約為5 cm。影像獲取時(shí)間分別為2016-06-30、2016-08-17、2016-11-21。由于數(shù)據(jù)為0級(jí)數(shù)據(jù)，不能直接使用，應(yīng)該首先進(jìn)行聚焦處理，將0級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為1級(jí)數(shù)據(jù)，即將RAW數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成SLC數(shù)據(jù)(單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù))。DEM數(shù)據(jù)為ALOS World 3D，分辨率為30 m。

圖1 研究區(qū)域位置

2.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)將3幅影像兩兩配對(duì)，獲得3幅形變圖，分別為2016-06-30—2016-08-17、2016-08-17—2016-11-21及2016-06-30—2016-11-21(數(shù)字代表影像獲取的日期)。

(1) 基線估算。這一步獲取干涉SAR像對(duì)的基線信息，檢查干涉像對(duì)的基線是否小于臨界值和能否取得好的干涉結(jié)果。此外還能獲得能探測(cè)的最小形變量等信息。

(2) 干涉圖生成。這一步是生成干涉圖，輸入兩景SLC數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)是經(jīng)過配準(zhǔn)和多視的兩景數(shù)據(jù)的殘差相位圖和主從影像的強(qiáng)度圖。由于像素大小為2.34 m×2.05 m，故采取距離向?yàn)?、方位向?yàn)?的多視，約可得到14.05 m×14.30 m的地面分辨率。處理后得到干涉圖，由于測(cè)區(qū)大部分為農(nóng)田，相干性差，其中測(cè)區(qū)內(nèi)散落的城鎮(zhèn)部分干涉結(jié)果較好。

(3) 自適應(yīng)濾波及相干性生成。對(duì)上一步去平后的干涉圖進(jìn)行濾波。本試驗(yàn)采用自適應(yīng)濾波方法，該方法適用于較高分辨率的數(shù)據(jù)，也是最常用的方法之一。生成濾波后的干涉圖和描述干涉圖質(zhì)量好壞的相干圖，值在0～1之間。

(4) 相位解纏。干涉相位只能以2π為模，因此只要相位變化超過了2π的波長(zhǎng)，就會(huì)重新開始和循環(huán)。相位解纏是對(duì)去平和濾波后的干涉相位圖進(jìn)行相位解纏，解決2π模糊的問題。本試驗(yàn)采用最小費(fèi)用流解纏方法，該方法適用大面積的低相干區(qū)，即便在影像中出現(xiàn)低相干區(qū)域，仍可得到解纏結(jié)果。這種方法采用正方形的格網(wǎng)，考慮了圖像上所有的像元，對(duì)相干性小于閾值的像元作了掩膜處理。

(5) 軌道精煉和重去平。利用控制點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星軌道和相位偏移進(jìn)行糾正，進(jìn)行軌道精煉和相位偏移的計(jì)算，消除可能的斜坡平地相位。控制點(diǎn)要求相位質(zhì)量好、相干性高、形變小且盡量是平地上的點(diǎn)。試驗(yàn)中采用濾波后的干涉圖作為底圖選擇控制點(diǎn)，如圖2(a)所示，控制點(diǎn)的各項(xiàng)誤差指標(biāo)如圖3所示，軌道精煉和重去平后的解纏圖如圖2(b)所示。

圖2 控制點(diǎn)選取

圖3 控制點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)

(6) 形變圖生成。將解纏的相位信息轉(zhuǎn)化為形變信息。試驗(yàn)中將像元大小設(shè)置為15 m，內(nèi)插窗口為7 m，采用4次多項(xiàng)式內(nèi)插，相干性閾值設(shè)置為0.25。生成的3幅形變圖如圖4所示。

圖4 各時(shí)間段形變圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)6月30日到11月21日的形變圖(如圖4所示)可以看出在影像中部區(qū)域，也就是大城縣的縣城中普遍出現(xiàn)地面下沉，而在影像的左上角和右下角得到的地面形變結(jié)果為抬升，但是其形變量不大，可以認(rèn)為相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。此外，從圖中還可以識(shí)別一些潛藏的地裂縫隱患存在。將處理結(jié)果和Google Earth疊加(如圖5所示)，影像的左上角部分道路，也就是G2京滬高速上大約6 km的部分出現(xiàn)了明顯的干涉條紋，其形變量的差約為3 cm且在G2高速經(jīng)過鄧家村的路段出現(xiàn)地形形變的正負(fù)交替，但是由于圖像中該區(qū)域附近黑色部分因?yàn)橄喔尚缘陀诮饫p閾值而造成數(shù)據(jù)缺省的區(qū)域較多，不能準(zhǔn)確判斷隱含地裂縫的長(zhǎng)度和走向，位置為38°44′49.90″北，116°33′25.04″東(區(qū)域1)附近可能存在地裂縫的隱患，走向?yàn)?0°～80°。在38°48′53.76″北，116°40′21.77″東(區(qū)域2)附近出現(xiàn)正負(fù)形變的交替，且在1.5 km內(nèi)形變量的差超過了2 cm，判斷附近可能有地裂縫的隱患，走向預(yù)計(jì)為85°～100°。在38°39′49.04″北、116°40′19.05″東(區(qū)域3)和38°40′57.31″北、116°45′24.28″東(區(qū)域4)附近同樣存在地裂縫隱患，其走向分別預(yù)計(jì)為60°～80°和40°～55°。具體情況見表1。

圖5 Google Earth顯示結(jié)果

區(qū)域經(jīng)度緯度預(yù)測(cè)地裂縫走向1116°33′25．04″E38°44′49．90″N60～80°2116°40′21．77″E38°48′53．76″N85～100°3116°40′19．05″E38°39′49．04″N60～80°4116°45′24．28″E38°40′57．31″N40～55°

出現(xiàn)地裂縫和地裂縫隱患的可能性有很多種，根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2009年的調(diào)查結(jié)果顯示，河北廊坊大城縣地區(qū)的地裂縫成因以構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主，說明構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是地裂縫形成的主要原因之一，其地表走向有明顯的規(guī)律性，是從隱伏的斷層蠕滑型地裂縫發(fā)展成為地表的地裂縫。同時(shí)，對(duì)于大城縣而言，由于大城煤田是我國(guó)東部地區(qū)規(guī)模較大的整裝煤田，因此大規(guī)模的煤炭開采可能也是形成地裂縫的主要原因之一，煤炭的開采使得被開采部分地表不穩(wěn)定，下沉量相對(duì)周邊地區(qū)較多，在長(zhǎng)時(shí)間開采的作用下會(huì)使得地面下沉過多，與周邊地區(qū)形成明顯的差異，最終形成地裂縫。

4 結(jié)論與討論

對(duì)于影像整體而言，大部分地區(qū)的沉降量都不算太大，最大地區(qū)的沉降量約在2～3 cm，但是存在差異性形變量，說明區(qū)域性的小形變量并不能代表沒有地裂縫的隱患存在。另外，對(duì)于地裂縫分布的分析需要重點(diǎn)關(guān)注的不僅僅是形變量差異較大的區(qū)域，還需要關(guān)注形變量從正值到負(fù)值變化的區(qū)域，因?yàn)闀r(shí)間的累積可能會(huì)讓正、負(fù)的形變各自疊加，使之差距拉大，同樣也可以出現(xiàn)地裂縫。

通過這次試驗(yàn)，DInSAR雖然能得到兩幅影像中的形變量，但是常規(guī)DInSAR的形變監(jiān)測(cè)精度和可靠性還是受到幾個(gè)不確定因素的影響，包括軌道誤差、解纏誤差、時(shí)間空間失相關(guān)引入的相位噪聲和大氣時(shí)空變化引入的延遲相位等。其中，失相關(guān)和大氣相位的存在使得DInSAR在區(qū)域地表形變的監(jiān)測(cè)方面很難得到普及和應(yīng)用(存在局限性)。以本次試驗(yàn)來說，在多次對(duì)同一幅干涉圖像處理的過程中發(fā)現(xiàn)，影響最終形變圖結(jié)果的因素有以下幾點(diǎn)：

(1) 區(qū)域中存在大片的田野及其他相干性差的地物，這使得濾波后得到的圖像中仍然有大面積的噪聲存在。同時(shí)，由于這些地物的分布廣，將濾波結(jié)果好的區(qū)域分割開來，給解纏帶來了一定的困難，也影響了最終形變圖的精度。

(2) 濾波方法和解纏方法的選擇非常重要，因?yàn)樵囼?yàn)使用的兩組數(shù)據(jù)間有很多相干性差的區(qū)域，只有選擇了相對(duì)較好的方法之后，形變圖的精度才能相對(duì)提高。

(3) 地面控制點(diǎn)的選擇在本次試驗(yàn)中是一個(gè)對(duì)精度影響較大。雖然選擇地面控制點(diǎn)的原則都是一樣的，但是選擇的點(diǎn)因人而異，每一次精煉和重去平選擇的控制點(diǎn)也不可能完全一樣，這就導(dǎo)致每次試驗(yàn)時(shí)得到的結(jié)果都是不同的，特別是對(duì)于噪聲大的干涉圖，因?yàn)槟苓x擇控制點(diǎn)的區(qū)域變少，區(qū)域中相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域也少，這就使得地面控制點(diǎn)的選擇變得困難。而且對(duì)于一些在圖上顯示出來孤島一樣的很小的區(qū)域，如果沒有控制點(diǎn)存在的話，精煉之后的結(jié)果可能在這塊區(qū)域上就會(huì)相對(duì)不穩(wěn)定一些。

綜上所述，本文使用DInSAR方法進(jìn)行地裂縫分布的調(diào)查具有可行性，并且通過DInSAR方法得到的地面形變量進(jìn)而推測(cè)地裂縫的走向。本文提取監(jiān)測(cè)區(qū)域的形變量分布圖，并且通過對(duì)形變量分布圖的解譯，分析出地裂縫區(qū)域的形變量，并推估了地裂縫區(qū)域的裂縫走向及發(fā)展趨勢(shì)。

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