結(jié)合PS特征點(diǎn)的SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測淮南市區(qū)地表沉降

紀(jì)東陽，聶運(yùn)菊，王菲

(東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 引 言

InSAR技術(shù)由Graham等[1]在1974年提出，具有覆蓋范圍廣、監(jiān)測精度高、作業(yè)效率高、時(shí)空連續(xù)性等優(yōu)勢，多用于預(yù)測沉降區(qū)域并且連續(xù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域沉降趨勢和沉降量。城市地表沉降監(jiān)測是一個(gè)連續(xù)緩慢的過程，需要長時(shí)間基線影像對(duì)，使得時(shí)空去相干和大氣傳播誤差帶來的影響增大，D-InSAR處理數(shù)據(jù)的方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化的需求。經(jīng)過科研前輩的探索，永久散射體雷達(dá)干涉測量[2](PS-InSAR)和小基線集時(shí)序分析技術(shù)(SBAS-InSAR)已發(fā)展為相對(duì)成熟的技術(shù)，在地表沉降監(jiān)測領(lǐng)域得到應(yīng)用。

張曉博等[3]采用Stacking技術(shù)處理了9景Sentinel TOPS成像模式SAR影像，分析了淮南礦區(qū)地面沉降特征。聶運(yùn)菊等[4]以PS-InSAR結(jié)果選取的PS特征點(diǎn)為控制點(diǎn)，結(jié)合SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)南昌市地表形變進(jìn)行了研究并分析了造成形變的原因。由于煤礦開采，淮南市潘集區(qū)和鳳臺(tái)縣的很多村莊和農(nóng)業(yè)用地地面沉陷嚴(yán)重，地下水涌出，采煤沉陷區(qū)變成大面積的湖泊[5]，對(duì)國家和人民的財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損害。淮南東西部城區(qū)結(jié)合處原本是老煤礦區(qū)，周邊區(qū)域發(fā)生了地面塌陷。為了獲取淮南城區(qū)地表沉降區(qū)域范圍和沉降速率，本文以淮南市區(qū)為研究區(qū)域，采用以PS特征點(diǎn)為控制點(diǎn)的SBAS-InSAR技術(shù)處理37景哨兵影像，得到了城區(qū)形變信息，并進(jìn)行形變時(shí)空特征分析，為淮南市區(qū)內(nèi)的生態(tài)修復(fù)提供待修復(fù)范圍和建議。

2 研究方法

2.1 控制點(diǎn)的選取

將PS-InSAR處理得到的PS點(diǎn)的矢量結(jié)果加載到ArcMap中，利用數(shù)據(jù)提取中的篩選功能，使用SQL表達(dá)式進(jìn)行PS點(diǎn)的提取。設(shè)置篩選命令為："Vel[mm/y]">=-0.01AND"Vel[mm/y]"<=0.01AND"Coherence" >=0.85最終篩選獲得35個(gè)穩(wěn)定PS點(diǎn)作為SBAS-InSAR實(shí)驗(yàn)過程中的控制點(diǎn)。地理坐標(biāo)系中的PS點(diǎn)不能直接用作SBA-InSAR過程中的控制點(diǎn)，需要將篩選的PS點(diǎn)轉(zhuǎn)換到SAR坐標(biāo)系中，才能在SBAS實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行使用。

2.2 以PS特征點(diǎn)為控制點(diǎn)的SBAS技術(shù)

SBAS技術(shù)由Berardino和Lanari等[6]人在2001年提出。SBAS技術(shù)[7]中不僅主影像和其他影像配準(zhǔn)，其他影像之間也會(huì)配準(zhǔn)。連接由長基線造成的相互獨(dú)立的影像數(shù)據(jù)，形成短基線影像集合，對(duì)影像集合進(jìn)行差分干涉處理得到相干系數(shù)圖、濾波后的干涉圖和相位解纏圖。再利用控制點(diǎn)去除軌道相位和殘余的相位躍變。影像集合之間采用奇異值分解法聯(lián)合求解去除殘余地形相位，獲得地表形變信息。實(shí)驗(yàn)過程中用PS特征點(diǎn)來代替人工選擇的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 以PS特征點(diǎn)為控制點(diǎn)的SBAS技術(shù)處理數(shù)據(jù)流程圖

3 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

淮南市作為煤礦能源開采城市，是國家的重要能源城市。地處華東地區(qū)，長江三角洲腹地，淮河沿岸，是沿淮城市群的重要節(jié)點(diǎn)，總面積為 5 533 km2。淮南市區(qū)的沿礦路和淮河大堤之間的區(qū)域原本是煤炭開采區(qū)，該區(qū)域近年來發(fā)生了較為嚴(yán)重的地面塌陷狀況。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來淮南市獲批多個(gè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，工程建設(shè)和下水開采導(dǎo)致了部分區(qū)域的地面形變。研究區(qū)域如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域和地理坐標(biāo)下的控制點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為37幅Sentinel-1A的VV極化方式SAR影像，時(shí)間跨度為2017年2月～2020年2月，每月一景SAR影像。DEM數(shù)據(jù)是 90 m分辨率的SRTM-3 Version4的數(shù)據(jù)。精密軌道數(shù)據(jù)為來源于PDGS的AUX_POEORB精密定軌星歷數(shù)據(jù)。光學(xué)遙感影像為 2 m分辨率的谷歌地球影像。

4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了淮南市主城區(qū)形變信息，由于研究區(qū)域內(nèi)有大面積的植被和水體導(dǎo)致部分區(qū)域相干性過低，所以SBAS實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法完全覆蓋整個(gè)區(qū)域，將成果轉(zhuǎn)換成矢量后如圖3所示。

圖3 淮南市區(qū)形變速率圖

4.1 形變速率分析

(1)從圖3中可以看出，2017年2月～2020年2月淮南市區(qū)年平均形變速率主要集中在[-10～3] mm/a。研究范圍內(nèi)年平均沉降速率最大為 -25.6 mm/a，位于圖4中A區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)地表形變保持平穩(wěn)，部分區(qū)域出現(xiàn)了地表沉降的現(xiàn)象。

(2)研究范圍內(nèi)有8個(gè)主要的沉降區(qū)域在圖3中標(biāo)記為A、B、C、D、E、F、G、H，分別對(duì)應(yīng)：東風(fēng)井小區(qū)東邊的塌陷塘周邊形變速率為[-25.6～-5]mm/a；新莊孜礦辦公樓周邊形變速率為[-25～-4]mm/a；下郢村形變速率為[-24～-3]mm/a；陶圩村形變速率為[-17～-3]mm/a；平圩經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)形變速率為[-16～-4]mm/a；山南國賓府周邊形變速率為[-12～-4]mm/a；淮南農(nóng)場周邊區(qū)域形變速率為[-20～-3]mm/a；山王承周邊地區(qū)形變速率為[-19～-3]mm/a。淮南城區(qū)形變速率區(qū)間分布如圖4所示。

圖4 淮南市城區(qū)年平均形變速率分布

(3)研究區(qū)域內(nèi)，東風(fēng)井小區(qū)東邊地表沉降最嚴(yán)重，最大沉降速率達(dá)到了 -25.6 mm/a。A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的沉降速率均特別大，這4個(gè)區(qū)域相距不遠(yuǎn)且都在沿礦路和淮河南岸之間的區(qū)域內(nèi)。E、G、H三個(gè)沉降區(qū)面積都比較大，F(xiàn)區(qū)域呈現(xiàn)沉降漏斗狀。

4.2 重要研究區(qū)域的時(shí)間序列分析與原因分析

(1)在A、B、C、D四個(gè)研究區(qū)域內(nèi)各選擇一個(gè)特征點(diǎn)分別為P1、P2、P3、P4，代表各區(qū)域的形變趨勢如圖5所示。

圖5 A、B、C、D四區(qū)特征點(diǎn)時(shí)間序列形變

區(qū)域A、B、C、D分別為：東風(fēng)井小區(qū)東邊塌陷塘的堤壩，新莊孜礦辦公樓附近的錢家塘塌陷區(qū)，下郢村，陶圩村。由圖5可見，這四個(gè)區(qū)域在研究時(shí)段內(nèi)整體沉降趨勢相似，沉降量非常大。2017年12月～2018年2月沉降速率最大，2019年8月～2020年2月由沉降轉(zhuǎn)為抬升。采煤塌陷區(qū)范圍如圖6所示。

圖6 塌陷區(qū)范圍

經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，沿礦路與淮河南岸之間早年間有多處煤礦，包括孔集煤礦、李嘴孜煤礦、畢家崗礦、新莊孜礦、謝一礦、李郢孜礦[8]。煤礦深處已被掏空，使原本處于應(yīng)力平衡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致地表連年沉陷，形成多個(gè)塌陷區(qū)，地下水[9]涌出后形成了塌陷塘和濕地。淮南市政府于2018年10月開始對(duì)轄區(qū)內(nèi)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，將這一區(qū)域列為重點(diǎn)對(duì)象。從圖5中看出2019年8月地表開始緩慢抬升，生態(tài)修復(fù)的成效可見一斑。

(2)在E區(qū)域中選擇3個(gè)特征點(diǎn)P5、P6、P7代表該區(qū)域的形變趨勢如圖7所示。

圖7 E區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)間序列形變

E區(qū)域?yàn)槠桔祖?zhèn)居民區(qū)，2017年2月～2017年7月該區(qū)域工程建筑范圍內(nèi)發(fā)生地表沉降，平圩經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)與淮河北岸之間的平圩鎮(zhèn)居民區(qū)地表沉降明顯。2017年7～2017年12月和2018年9月～2018年10月有兩次快速抬升，在2019年8月后地表開始緩慢抬升，其余時(shí)間段地表均緩慢沉降。

2010年3月安徽省人民政府同意籌建省級(jí)淮南平圩經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，形成以煤化工產(chǎn)業(yè)、機(jī)械制造業(yè)為龍頭，以新型建材、現(xiàn)代物流業(yè)為主體，以農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)為特色，以綜合服務(wù)業(yè)為支撐的聯(lián)動(dòng)發(fā)展新格局。規(guī)劃區(qū)域總面積為 8 km2，總體規(guī)劃時(shí)間為2016年～2030年[10]。平圩鎮(zhèn)居民區(qū)臨近淮河北岸，地質(zhì)條件為河間淺洼平原，土質(zhì)較為松軟。在2016年6月份～2017年2月工程建設(shè)時(shí)期，平圩鎮(zhèn)居民區(qū)地表應(yīng)力平衡受開發(fā)區(qū)內(nèi)深基坑挖掘、工程建筑抽取地下水以及地理和地質(zhì)條件的影響而遭到破壞，地表沉降狀況較為明顯。在工程建設(shè)后期，建筑物地下基礎(chǔ)已經(jīng)建成，地表應(yīng)力平衡狀態(tài)趨于穩(wěn)定，從而該區(qū)域地表沉降由快變緩[11]。平圩經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)屬于地下水富水區(qū)[12]，單井涌水量為每小時(shí) 75 m3，2019年8月后由于地下水位回升，使得居民區(qū)地表抬升。該區(qū)域地表沉降現(xiàn)象伴隨著工程建筑的竣工會(huì)慢慢趨于平穩(wěn)。

(3)F區(qū)域選擇兩個(gè)特征點(diǎn)P8、P9代表該區(qū)域的形變趨勢如圖8所示。

圖8 F區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序形變

F區(qū)域?yàn)樯侥蠂e府樓盤周邊地區(qū)，P8、P9兩個(gè)特征點(diǎn)沉降趨勢相似，沉降量有所差異，結(jié)合圖3說明該區(qū)域形成了沉降漏斗。2017年4月～2017年6月周邊地表快速沉降，2017年7月～2017年8月地表抬升，之后緩慢沉降，直到2019年10月地表開始緩慢抬升。

該研究區(qū)域總體表現(xiàn)為沉降趨勢，在研究區(qū)域和研究時(shí)間段內(nèi)，山南國賓府樓盤正在施工建設(shè)過程中，地基不牢固，建筑物重量增大以及施工建設(shè)抽取地下水導(dǎo)致地表沉降，期間地表抬升是因?yàn)榈鼗匿摻罨炷翝仓Y(jié)構(gòu)硬化后回彈[11]。2019年10月該樓盤竣工，由于地下水位回升，地表開始緩慢地抬升。

(4)G區(qū)域內(nèi)選擇3個(gè)PS特征點(diǎn)P10、P11、P12代表該區(qū)域的形變趨勢如圖9所示。

圖9 G區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序形變

G區(qū)域?yàn)榛茨限r(nóng)場周邊區(qū)域。從圖9中可知在研究時(shí)段內(nèi)該區(qū)域總體表現(xiàn)為沉降趨勢，期間沉降與抬升交替出現(xiàn)。

造成地表波動(dòng)式形變的原因是淮南農(nóng)場季節(jié)性抽取地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉[13]。開采地下水會(huì)抽取含水砂層空隙中的水，空隙中的氣體很難承受巖層和土層的重量，導(dǎo)致巖層和土層下沉，地表也隨之下沉。若地下水得到補(bǔ)給，水壓增加，造成含水砂層回彈，含水砂層向上的水頭壓力增大，使得上部黏土層大量充水，空隙水壓力增大，黏性土發(fā)生膨脹。砂層回彈和黏性土膨脹的疊加會(huì)使地面不發(fā)生沉降或者地面回彈[14]。

(5)H區(qū)域中選擇3個(gè)PS特征點(diǎn)P13、P14、P15代表該區(qū)域的形變趨勢如圖10所示。

圖10 H區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)序形變

H區(qū)域是山王承周邊，從圖10中可知在實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)該區(qū)域地表呈現(xiàn)沉降狀態(tài)，2018年5月～2019年4月地表緩慢抬升，2020年2月仍然保持沉降趨勢。

實(shí)驗(yàn)期間山王承西側(cè)正在修建大型變電廠和變電裝置以及工程建設(shè)抽取地下水，導(dǎo)致周邊地表發(fā)生沉降，期間緩慢抬升現(xiàn)象是地下水位上升所致[15]。鑒于周邊地區(qū)仍保持沉降趨勢，需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

5 結(jié) 語

本文采用結(jié)合PS特征點(diǎn)的SBAS-InSAR技術(shù)，以覆蓋淮南市主城區(qū)的37景Sentinel-1A的SAR影像為數(shù)據(jù)源，反演了研究區(qū)域內(nèi)的地表形變狀況。沿礦路與淮河南岸之間由于煤礦開采導(dǎo)致的塌陷區(qū)沉降最為嚴(yán)重，沉降速率范圍為[-25.6～-3]mm/a，2019年8月后塌陷區(qū)地表緩慢抬升說明淮南市生態(tài)修復(fù)工作有所成效，在此建議淮南市政府繼續(xù)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)或者因地制宜建設(shè)濕地公園。多個(gè)開發(fā)區(qū)工程建筑和抽取地下水導(dǎo)致了區(qū)域性地表沉降，沉降速率范圍為[-19～-3]mm/a，對(duì)周邊的道路、建筑物以及地下管線造成影響，需要進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測以保護(hù)周邊地區(qū)公共設(shè)施安全和居民的財(cái)產(chǎn)安全。淮南農(nóng)場季節(jié)性抽取地下水灌溉農(nóng)作物導(dǎo)致波動(dòng)式地表形變，沉降速率范圍為[-20～-3]mm/a，該區(qū)域地表形變總體趨勢仍然表現(xiàn)為沉降，如果不加以控制，地表彈性形變有很大的可能發(fā)展為剛性形變，難以恢復(fù)。建議淮南工礦農(nóng)企業(yè)積極響應(yīng)政府出臺(tái)的水資源保護(hù)相關(guān)制度，合理開采和利用地下水資源。