基于時序InSAR技術(shù)的多年凍土形變監(jiān)測

廖 佳，李禾珍，楊 斌

（1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中藍長化工程科技有限公司，湖南 長沙 410116；3.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

青藏高原位于中國西南部，是我國最大、世界海拔最高的高原，多年凍土面積約占青藏高原總面積的70%。多年凍土是由冰膠結(jié)且性質(zhì)特殊，水、熱、力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，容易受到全球氣溫變化和一些其他因素的影響而發(fā)生凍脹融沉效應(yīng)，由人類工程活動引起的凍土環(huán)境變化及凍融災(zāi)害問題已日益引起國內(nèi)外凍土研究的重視[1]。

傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量和GPS測量是青藏高原的地表形變監(jiān)測的主要手段，雖然測量精度高，但是監(jiān)測點密度小，耗時耗力，且難以進行大范圍、全天候、無障礙的地表監(jiān)測，也較難獲取長時間的形變情況。而具有大面積、高分辨率、高精度、全天候等特點的D-InSAR技術(shù)使地表形變監(jiān)測便捷有效[2]。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域圖幅的4個角坐標(biāo)及中心坐標(biāo)如表1所示。

表1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)的4角及中心坐標(biāo)

1.2 實驗數(shù)據(jù)

本文選取21景日本先進陸地觀測衛(wèi)星ALOS1/PALSAR影像作為實驗數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)覆蓋了青藏高原北麓河地區(qū)。SAR影像的具體獲取時間如表2所示。

2 SBAS技術(shù)原理

SBAS技術(shù)的核心思想是利用一定閾值內(nèi)的時空基線干涉影像對組合并逐個生成差分干涉影像，增加主影像單一條件下干涉對的數(shù)目，從而降低時、空失相干對干涉圖的影響；SBAS方法將獲得的SAR數(shù)據(jù)組合成若干個集合，主要根據(jù)時、空基線閾值進行篩選。在小集合內(nèi)，由于干涉對的數(shù)目足夠，因此可以使用最小二乘（LS）的方法生成地表形變的時間序列，然而在整個SAR影像時間覆蓋范圍內(nèi)的時間采樣不夠，使得矩陣出現(xiàn)秩虧，方程存在無數(shù)解，為此需要使用奇異值分解法（SVD）得到最小范數(shù)解，從而聯(lián)合多個小集合求解[3-4]。假設(shè)矩陣A為M×N矩陣，采用奇異值分解的方法可以分解為

表2 SAR數(shù)據(jù)的獲取時間

式中：A被分解成了M×M正交矩陣U和對角陣S以及N×N正交矩陣V。對于矩陣A而言，如果其秩為R，則說明矩陣A有R個非零特征值，此時，定義偽逆矩陣為A+，則有

可以得到

從而得到一個新的方程如下：

式中：D是一個M×(N-1)矩陣。當(dāng)j=1…M時，D中的元素對第j行的主副影像進行賦值tk+1-tk，該行其他值均為0，由于矩陣D并非滿秩，因此可以使用SVD對矩陣D進行分解，從而得到速度矢量v的最小范數(shù)解。另外，除了形變相位，還有導(dǎo)入外部DEM時產(chǎn)生的誤差。因此，在該誤差不能忽略不計的情況下，可以將式（5）改寫為：

式中：C[M×1]是基線距相關(guān)的系數(shù)矩陣，由此可以得到DEM誤差。

3 實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

利用青藏高原北麓河地區(qū)的21景SLC實驗數(shù)據(jù)，通過SBAS技術(shù)反演出形變結(jié)果，SBAS反演結(jié)果為2007年1月17日—2010年10月28日的年平均形變速率結(jié)果圖和時間序列形變圖，如圖1、圖2所示。

圖1 年平均形變速率結(jié)果圖（單位：mm/y）

圖2 時間序列形變圖（單位：mm/y）

從整體分析，地面形變情況大致可分為3種，紅色區(qū)域表示抬升區(qū)域，綠色區(qū)域表示基本穩(wěn)定區(qū)域，紫色區(qū)域表示下沉區(qū)域。經(jīng)過分析，從2007年1月—2010年10月整個區(qū)域最大年平均沉降速率達到-65mm/y，最大年平均抬升速率達到45mm/y。可以看出，圖1中的南部有成片的大范圍地面沉降。圖2的各形變量均以2007年1月17日為參考（假定2007年1月17日形變量為0）。從圖中可以觀察到青藏高原地區(qū)凍土的季節(jié)性變化現(xiàn)象，即存在著明顯的以年為周期的季節(jié)性變化規(guī)律，表現(xiàn)為融沉與凍脹過程的不斷交替，在冷季（12月—次年3月），氣溫下降，凍土凍結(jié)，地面抬升；在暖季（6—9月），溫度上升，凍土融化，地面下沉。

從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，大面積沉降區(qū)域主要發(fā)生在北麓河盆地，盆地中有北麓河和秀水河穿過，水分補給豐富，土壤濕度含量相對較高，凍土發(fā)育比較充分，活動層相對較厚，凍土的形變量也要大一些[4]。

4 結(jié)論

青藏公路沿線上熱熔滑塌區(qū)的地面表現(xiàn)出持續(xù)下沉現(xiàn)象，且滑塌影響范圍也隨時間推移在不斷增大，根據(jù)青藏公路沿線上選取的3個沉降漏斗區(qū)域進行時間序列分析，該區(qū)域2007年1月至2010年10月特征點的累積形變量曲線表現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢，越靠近青藏公路的特征點，其累積沉降量越大，其中最大累積沉降達200mm，并且形成了明顯的條帶狀熱熔滑塌區(qū)域。圖中出現(xiàn)明顯的沉降漏斗區(qū)域，最大年平均沉降速率達到-40mm/y，說明滑塌范圍和沉降量在逐漸增加，這是因青藏公路維修路基開挖附近土體而造成的凍土永久消融現(xiàn)象，人類工程的施工嚴(yán)重影響了凍土與外界的熱傳導(dǎo)平衡[5-6]。此外，隨著全球氣溫的不斷上升，兩者相互作用導(dǎo)致青藏公路沿線上的凍土逐年消融下沉。

結(jié)合已有的熱熔滑塌發(fā)育點數(shù)據(jù)分析，利用SBAS技術(shù)所得到的滑塌位置的影響范圍和時空分布都與野外實地調(diào)查的熱熔滑塌發(fā)育點位置非常吻合；從平均位移速率圖中明顯看出，距離熱熔滑塌發(fā)育點區(qū)域越接近，其特征點的年平均沉降速率越大；反之，距離熱熔滑塌發(fā)育點區(qū)域越遠，其特征點的年平均沉降速率越小。