黄土灌溉区域地面沉降InSAR监测结果分析

何 杨，赵超英,2*，张 勤,2（.长安大学地质工程与测绘学院，陕西∙西安 70054；2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西∙西安 70054）



黄土灌溉区域地面沉降InSAR监测结果分析

何 杨1，赵超英1,2*，张 勤1,2
（1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西∙西安 710054；2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西∙西安 710054）

摘 要：合成孔径雷达是近年发展起来的一种空间对地观测技术，目前已被广泛应用于获取地表信息及地表形变。地面沉降形变缓慢且影响范围大，已成为国内外城市主要地质灾害。研究区域位于泾河南岸下游，距陕西省西安市约50km。通过选取覆盖泾阳南塬黄土灌溉区的11景X波段TerraSAR数据，采用短基线集技术（SBAS-InSAR技术）进行地面沉降监测。结果表明泾阳南塬灌溉区具有两个地面沉降区域，其在121天内沿剖线累计形变分别达到了6.4cm和2.7cm。经对地面沉降区域相关的水井分布情况的实地调查，分析了形变中心形变速率和附近水井地下水水位高程资料，发现地面沉降由灌溉引起合成孔径雷达是近年发展起来的一种空间对地观测技术，目前已被广泛应用于获取地表信息及地表形变。地面沉降形变缓慢且影响范围大，已成为国内外城市主要地质灾害。研究区域位于泾河南岸下游，距陕西省西安市约50km。通过选取覆盖泾阳南塬黄土灌溉区的11景X波段TerraSAR数据，采用短基线集技术（SBAS-InSAR技术）进行地面沉降监测。结果表明泾阳南塬灌溉区具有两个地面沉降区域，其在121天内沿剖线累计形变分别达到了6.4cm和2.7cm。经对地面沉降区域相关的水井分布情况的实地调查，分析了形变中心形变速率和附近水井地下水水位高程资料，发现地面沉降由灌溉引起。

关键词：地面沉降；合成孔径雷达干涉测量；小基线集技术；时间序列；黄土灌溉区

地面沉降是在自然因素和人为因素的共同作用下，由于地壳表层土体压缩而导致的区域性地面标高缓慢下沉的一种环境地质现象[1]，是地质环境系统破坏所导致的恶果，严重时会发展成为一种地质灾害[2]。据统计我国目前已先后有21个省90多个城市或地区发生不同程度的地面沉降，地面沉降总面积达到了近10万km2，形成了华北平原、长江三角洲地区、汾渭盆地等地面沉降现象严重的典型区域。该类地面沉降主要是由于过量抽取地下水而引起，具有影响范围大，缓变型且难以规避等特点，引起政府管理部门及科研学术界的高度重视，并开展了大量调查监测和机理研究工作[3～5]。

而另有一类规模相对较小的、由于农田灌溉引起地面沉降，其形变机理与城市地面沉降相反，还没有引起足够重视。如位于陕西泾阳南塬的黄土塬农田区域，由于季节性灌溉，地下水位呈现上升趋势，但该区域仍存在明显的持续的地面沉降现象，而且在1km范围的黄土塬边形成系列黄土滑坡区。对于农田灌溉引起的地面沉降的监测，对于研究地面沉降机理、保护农田以及研究其影响范围内的黄土滑坡均具有重要理论意义和实际价值。

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术在相干性很好的城市区域得到成功的应用[6～10]，而在农田等相干性较低的区域进行形变监测需要采取一些特殊措施。本文研究了基于最短时间间隔的德国空间局TerraSAR数据，采用小基线集（SBAS）InSAR技术监测获取了地面沉降的累计形变信息和时间序列结果，通过与区域历史地下水变化结果比较，发现了灌溉型地面沉降的特殊形变机理。

1　SBAS InSAR技术原理

SBAS InSAR技术通过设置时间和垂直基线阈值，来减弱时间和基线引起的失相干[11]。增加SAR影像数据，可以有效提高InSAR形变监测精度。假设第j幅干涉图是由tA和tB时刻获得的两幅SAR图像产生的，并已去除了地形相位部分，假设tB>tA，在方位距离像素坐标系(x,r)中，(x,r)处的差分解缠相位可以表示为：

其中λ为波长，M为干涉对个数。假设有N景影像，于是可得M满足下列关系式（假设N为奇数）：

如果考虑到不同时间间隔的非线性形变，tA和tB时刻间的累积形变，可以表示成如下形式：

k为tA和tB时刻间SAR数据序列。最终得到了M个解缠干涉对，不同SAR数据间的累积形变将通过最小二乘（LS）或奇异值分解（SVD）获得。

2　SBAS数据处理

2.1 研究区域概况

陕西泾阳南塬位于泾河下游南岸，横跨太平、蒋刘及高庄3个行政乡，东西长达27.1km，塬区面积约70 km2[12]。由于台塬抬升和泾河不断侧蚀，右岸阶地逐渐缺失，塬边形成了高陡的斜坡带，陡坡高为40～90m，坡度为40～70°[13]。

2.2 实验数据及处理

本文共获取2011年11月至2012年3月近121天的TerraSAR数据。该时间段数据覆盖两个地面沉降区域，总数据量11景。

首先，将所有从影像统一与主影像进行粗、精配准，所选择的主影像拍摄时间为2012-01-01；通过设置时间、空间基线阈值来削弱时空失相关对干涉对的影响，本文所选的时间基线阈值为66天，空间基线阈值为±300m，共得到14对符合条件的干涉对，如图1所示。以其中一个干涉对为例进行处理过程说明，先将精确配准后主从影像进行干涉处理，为抑制噪声，本文进行了方位向距离向为2:2的多视处理，得到的干涉对的空间分辨率约为3m×3m；由等高线插值成10m分辨率的DEM，去除地形相位，从而获得差分干涉图；利用改进的自适应滤波方法对所有差分干涉图进行频域滤波；通过掩模方式削弱或避免低相干区域（海域或者孤岛）对相位解缠的影响，使其不参与相位解缠，同时通过设置一定的相干性阈值（>0.2）来选择相对稳定的点进行最小费用流（MCF）解缠。其中，某些解缠后的相位图中仍残留部分的非线性轨道相位，因此进一步采用二次多项式对其进行去除。最后通过SBAS-InSAR技术得到研

图1　基线分布图Fig.1 Interferometric SAR configurations for time series deformation calculation

3　结果及分析

采用SBAS技术对上述数据进行解算，得到研究区域的地面沉降速率图。图2为研究区域121天地面沉降累积形变图。编号Ⅰ位于蒋刘村正东边，编号Ⅱ位于余家堡与蒋刘村之间。

图2　121天累积形变Fig.2 Cumulative deformation maps in 121 days

两个地面沉降区域Ⅰ和Ⅱ分别距离塬边约620m和330m，其剖面线AB和CD如图3所示。由图3(a)可得，地面沉降Ⅰ呈条带状展布，长和宽分别为570m和130m，沿剖面线AB最大累积形变为6.39cm。由图3(b)可得，地面沉降Ⅱ长和宽分别为360m和230m，沿剖面线CD最大累积形变为2.65cm。

图3　地面沉降区域剖面线形变时间序列Fig.3 The time series of deformation along profile in land subsidence area

资料显示泾阳南塬分布着许多水井，该监测区域分布有四口水井（如图2）。地面沉降Ⅱ位于井3与井4之间，地面沉降Ⅰ与井2相近，而井1位于地面沉降Ⅰ的东南方向。井1、井3、井4为灌溉水井，而井2为饮用水井。

选取地面沉降Ⅰ的形变中心，计算该点的地面沉降速率（如图4），该速率呈现加速趋势。2012年3月与2012年5月野外调查显示井2处地下水位上升了5.7m[14]。由此可见，该地区的沉降非饮用取水所致，究其原因是由于农田灌溉引起的。大量的农田灌溉使得黄土的含水量不断上升，导致黄土本身的结构被破坏，黄土颗粒之间的空隙减小，在地表表现为地面沉降。

图4　地面沉降I形变速率时间序列与井2地下水位高程Fig.4 The land subsidence rate and groundwater level elevation

4　结论

本文通过2011年11月至2012年3月11景TerraSAR数据，采用SBAS-InSAR技术成功获取研究区域地面沉降地理位置、空间分布、累积形变和形变时间序列结果。野外实地调查发现泾阳南塬地面沉降与灌溉引起的地下水上升有密切关系。

致谢

感谢德国空间局DLR提供的TerraSAR数据（No.LAN2471）。本文由国家重点基础研究计划项目（973计划）（No.2014CB744703）和中国自然科学基金（No.41372375）联合资助。

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InSAR monitoring result analysis of land subsidence in loess irrigation area

HE Yang1,ZHAO Chao-Ying1,2,ZHANG Qin1,2
(1.College of Geological Engineering and Surveying,Chang'an University,Shaanxi Xi'an 710054,China;2.Key Laboratory of Western China Mineral Resources and Geological Engineering,Ministry of Education of China,Shaanxi Xi’an 710054,China)

Abstract:Synthetic aperture radar interferometry is a newly developed technology with potential for terrestrial observation from space,and is now being used to obtain information about the earth’s surface.This technology can be used to monitor land subsidence deformation,which is a slow process that can affect large areas and a major geological hazard for cities.We monitored the characteristics of loess irrigated areas using short baseline set technology (SBAS-InSAR technique) with 11 X-band TerraSAR images of the South Jingyang platform.The region of study is located downstream of the Jinghe river’s south bank,about 50 km from Xi’an,Shaanxi.Results demonstrated that the South Jingyang platform has two ground subsidence areas and the accumulated deformation along the profile reached 6.4 cm and 2.7 cm,respectively,in 121 days.We investigated the distribution of water wells,which related to ground subsidence areas.Based on the deformation rate and water level elevation data analysis,we found that land subsidence is caused by irrigation.

Key words:land subsidence;InSAR;small baseline subsets (SBAS) InSAR;time series;loess irrigation area

基金项目:国家重点基础研究计划(973计划)项目(2014CB744703);中国自然科学基金项目(41372375)*通讯作者:赵超英(博士/教授):zhaochaoying@163.com

作者简介:何杨(1990-),男,硕士生,主要从事地质灾害InSAR监测分析.

修订日期:2015-12-20

收稿日期:2015-11-18

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.015

中图分类号：P642.26

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0066-03

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