江西萍乡时序InSAR形变监测

侯靖钥 夏元平

(东华理工 大学测绘工程学院, 江西 南昌 330032)

0 引言

地面沉降是当今通常发生的地质环境灾害之一,是由于自然或人为因素引起的地下物体体积减小和孔隙增加而产生的土地表面逐渐下沉的现象。20世纪初,不仅上海和天津开始出现地面沉降现象,世界上许多国家也都存在着严重地面沉降的问题。如中国的北京等地，西班牙、美国等[1]。中国具有较为丰富的煤炭资源,其储量占据全球储量的13%,为全球第三大煤炭储备国[2]。被誉为“江南煤都”的萍乡,有着安源煤矿这样久负盛名的百年老矿,但在长时间煤矿开采下,城市中出现了不同程度的建筑物崩裂、地面塌陷等问题,存在着极大安全隐患,易引发重大安全事故造成巨大经济损失和不良社会影响。因此,对萍乡进行沉降监测是一项重要工作,对预防潜在的地质灾害具有十分重要的意义[3-4]。利用传统的地面沉降监测手段,对矿区的连续监测有一定的局限性,同样的问题存在于其他地质灾害调查中,由此遥感技术得到了快速的发展。合成孔径雷达干涉测量技术(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)由于其具有全天时、全天候观测的显著优势,在地质调查中得到了广泛应用[5]。

近年来,InSAR技术由于其观测精度高、范围广的优势已成为监测地表形变的重要手段,同时诸多学者对于InSAR技术进行了深入研究。黄洁慧[6]等针对淮南谢家集矿区以InSAR技术对地铁线拟穿过矿区进行沉降区监测;杨宏山、郑文潘[7-8]等通过短基线集雷达干涉(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技术监测到城市多个沉降区。然而,该技术针对江西萍乡地面沉降监测应用较少。本文主要以江西省萍乡市安源区为研究区域,以Sentinel-1A数据为数据源,采用SBAS-InSAR技术对安源区开展监测分析,并重点分析安源区附近地表的沉降变化特征。

1 研究区概况

萍乡是江西的“西大门”,在赣西经济发展格局中处于中心位置,地处26°57′N～28°01′N,113°35′E～114°17′E之间。研究区位于安源区,以丘陵地貌为主,地势东南高、西北低。但山地、盆地、丘陵错综分布,地貌较为复杂,地质条件复杂多变。320、319国道,沪瑞、萍栗高速等多条连接中国东西部的重要公路贯穿安源区。据气象站观测数据,该地区年平均气温为17.3℃;2003年8月极端最高气温41℃,1991年极端最低气温-9.3℃。年均降水量1 603.2 mm。安源煤矿是江西省主力煤矿之一,已有120多年的开采历史,现生产规模为0.78 Mt/a。近年来,随着经济不断发展,大量建筑的建设,煤矿的持续开采,逐渐导致安源区城市出现多个不均匀地表沉陷区。且安源煤矿矿区周围靠近房屋和道路,煤矿开采导致的地面下沉将直接影响附近居民的生活。

2 数据采集与处理

2.1 数据来源

本文采用的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)影像是Sentinel-1A数据。哨兵一号(Sentinel-1)卫星是欧洲航天局哥白尼计划于2014年发射的第一颗C波段卫星,由Sentinel-1A和Sentinel-1B目前在轨道上运行的两颗卫星组成。使用干涉宽幅(interferometric wide,IW)模式下的单视复数图像(single look complex image,SLC)图像,影像幅宽为250 km。空间分辨率为5 m×20 m,轨道方向为升轨,成像中心入射角为39.1°。选取时间为2018年1月13日至2019年12月22日共24景数据,极化模式为VV。此外,去除平地相位采用欧洲航天局(European Space Agency,ESA)发布的精密定轨星历(precise orbit ephemerides,POD)数据,去除地形相位采用美国航空航天局提供的30 m分辨率的外部数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据。

2.2 方法与处理

使用SBAS-InSAR技术进行处理。SBAS-InSAR是由Berardino等提出的一种时间序列分析方法[9]。减小了合成孔径雷达差分干涉测量(differential-interferometry synthetic aperture radar, D-InSAR)技术引起的失相干、大气误差等制约。SBAS-InSAR技术主要通过选取多个主影像,设置合理的时空基线阈值,通过对干涉对差分干涉后多视处理,提取高相干像元,进行奇异值分解,求得影像序列间地表形变速率的最小二乘解[10-11]。具体步骤如下：

(1)导入下载的Sentinel-1A 数据,并结合每景对应的精密轨道文件,对数据集进行裁剪,获得监测时段内相同的研究区域。

(2)时间基线设置为120 d,空间基线阈值设置为4%,空间基线为58.27 m。共生成82对干涉图像,2018年7月24日的影像作为主影像,其余副影像相对主影像的空间基线最长为171.38 m,最短为0.8 m。

(3)对82个像对进行干涉处理。采用Goldstein滤波方法设置相位解缠相干性系数为0.2,并利用Minimum Cost Flow方法进行相位解缠;根据干涉图、相干系数图选择远离形变明显区、相干性较好的36个地面控制点。为去除轨道误差和残余相位,根据生成的控制点进行轨道精炼与重去平。

(4)通过第一次反演来初步估计形变速率和残余地形。通过大气高低通滤波去除大气相位,进行二次解缠,计算时间序列上的位移。并选择地面控制点来去除残余的相位或者相位斜坡。得到最终位移结果。

(5)对SBAS-InSAR处理结果从SAR坐标转成DEM地理坐标系,以平均强度图确定在垂直发射垂直接收(vertical transmit,vertical receive;VV)极化下最终得到的平均沉降速率图。

3 结果分析与讨论

3.1 沉降率图

图1显示了2018年1月—2019年12月期间,使用SBAS-InSAR技术监测所得到的整个研究区的平均形变速率分布图;该图叠加在萍乡市安源区的光学影像上。黑色矩形标记的区域P1—P3是安源区主要沉降区。该地区在监测时段内沉降分布不均,范围较广泛严重。其中,安源区的沉降速率从-46～23 mm/a不等。研究区北部、东部和西部地区大部分地区相对稳定,中部八一街街道、东大街街道、城郊管委会、丹江街街道等地方地表沉降较小,多数沉降速率都小于5 mm/a。北部中心靠近中心城区的凤凰街街道及白源街街道周围均出现沉降漏斗,最大沉降速率达-35 mm/a。东西部大部分区域累计沉降范围在-10～10 mm/a之间。由实验获取的地表沉降形变监测结果来看,安源区的东南侧沉降速率明显高于西南侧,且分布面积最大，见图1。

图1 安源区2018—2019年沉降速率图

研究期间识别出位于P1区、P2区内多个形变区,其特征是突出的大部分地区经历了不均匀的沉降。P1区的主要沉降区分布在现存年开采产量仍达90 t的安源煤矿矿区,最大沉降速率达-46 mm/a,沉降中心位于灯盏窝、洪水眼中间片区。P2区最大年平均沉降速率达-43 mm/a,主要沉陷区为高坑煤矿矿区及锡坑采挖一带。沉降中心位于锡坑、老虎冲与龙家冲中间片区。自2018年1月至2019年12月,P1、P2作为主要沉降区,两区的沉降幅度及规模有着逐年增加、逐年扩大趋势。说明该区域有着非常严重的因长年累积矿区开采导致矿区周围均出现不同程度沉陷的问题,并且已成为当地环境保护和矿山修复的重难点。

P3区存在两个明显沉降碗以及多个小型沉降碗,其形变速率范围为-35～9 mm/a。P3区位于萍乡市中心,向东北延伸,是商业、工业和生活活动中心。白源火车站、天虹购物中心、安源工业园等地标都位于该区域。近年来已有计划为促进萍乡市的发展,开始在该区启动大量建设项目。该区域也出现分布不均匀的沉降,但严重程度小于P1、P2区。

3.2 沉降时间序列

监测时期内最大累积沉降出现在P1区安源煤矿区域,达-92 mm。P2区最大累积沉降量约为-85 mm,该沉降带随时间变化向东南方向为中心沉降边缘逐渐扩大。P3区在2018—2019时段内出现两个显著的沉降中心,P3沉降区最大累积量约为-71 mm,沉降中心位于市区,受其影响较大的区域主要包括赣能小区、和谐公寓、登岸别墅山庄。其他沉降区沉陷范围相对较小。

3.2.1降雨量对地面形变的影响

在监测周期内,最大沉降速率达到-46 mm/a,平均值为-0.6 mm/a。将2018年至2019年间三个月划分为一个组,期间平均沉降速率、最大累积沉降量如表1所示。其中2019年7—9月、10—12月两个时间阶段沉降累积量较大。为研究地表沉降在时间序列上的演变,本文在P1、P2两区选择了AY、XK、GK三个典型沉降点(图1),分别绘制AY、XK、GK三点的累计沉降量与降雨量的关系图来分析地表沉降的时间演变及地表沉降与降雨量之间的关系,如图2所示。根据萍乡市气息数据分析表明,研究区内降水时空分布不均,近两年降雨量较往年呈上升趋势2019年5、6、7三个月降雨量增幅最大,为研究时期内降水量最高,与往年同期相比增加约70%。该地区的地表沉降经历明显季节变化,AY、XK、GK等点在2019年5—7月的沉降速率均显著放缓,城市降雨量的增加在一定程度上有效地补充了地下水资源,在发生地面沉降时有一定缓和作用[12]。而沉降不仅与降雨量有关,也与其他因素相关。

图2 降雨量与形变特征点时间序列

表1 研究区累积沉降表 单位：mm

3.2.2人类活动对地面形变的影响

在这些严重沉降区的沉降中心位置选取该时间段内以下五个沉降特征点P1区的AY点;P2区的XK、GK点;P3区的FH点。BY点进行对比分析,由图3可知,AY点沉降速率为-17 mm/a,累计沉降量达到-29 mm;P2区XK、GK两点的沉降速率和最大累积沉降量分别为：-30 mm/a、-56 mm;-33 mm/a、-65 mm;根据本文监测结果可知,安源区P1—P3三个区域的沉降速率正在逐步加剧。

图3 沉降区特征点分布

P3区域的沉降与人口密度有着密切关系,据第六次全国人口普查结果,安源区凤凰街街道常住人口为萍乡市最多达137 830人,为安源区人口密度最大的街道。作为萍乡市的经济文化中心,如图5所示,FH点的沉降速率为-10 mm/a,最大沉降量达-18 mm/a,凤凰街街道及白源街道较近旁街道城郊管委会、后阜街街道地区相比沉降严重,在该区域的人口密度影响范围下,萍乡市处于城市发展的关键时期,18年4月在安源工业园有多达84个重大项目集中开工,多个建筑都在同步建设中,萍乡市经济开发区位于白源区区内,产业多以煤炭、钢铁、建材、陶瓷、化工为主。该区域BY点最大沉降量为-41 mm,平均沉降速率为-21 mm/a。工业分布主要有萍乡安源钢铁公司、钢翔矿业公司、安源节能风机厂。这些产业的分布及大面积城市建设加上地面大型建筑物的长时间负荷会在一定程度上表现出地面沉降,则在P3区域的沉降中起主导作用。同时,近几年随着建筑物和基础设施的增加,城市的开发工程建设不断推进,萍安北大道西侧与东侧均有楼盘在监测时间段内的施工,施工建设过程中会增大对地下水开采需求量,导致地下水位下降,增长地下水压力,压缩土壤,最终导致沉陷发生[13-15]。

4 结束语

本文基于VV极化影像进行SBAS-InSAR技术处理,获取了2018—2019年萍乡市安源区沉降的整体分布情况以及地表沉降速率。同时获得了相应时间段的土地利用分类图。得到以下结论：

(1)安源区沉降不均匀,研究期间年平均沉降速率范围为-46～23 mm/a。这些沉降主要分布在东南部和北部。同时监测到形变显著的P1、P2、P3三个区域。P1、P2两个区域分别位于安源煤矿、高坑煤矿附近均出现不同程度的沉降,P1区监测时间段平均沉降速率最大达到-46 mm/a,P2区平均沉降速率最大值为-43 mm/a。P3区监测到两个沉降碗,最大平均沉降速率达-36 mm/a,沉降速率范围为-35～9 mm/a。

(2)安源区的沉降,在空间分布上呈现不均匀现象,在时间上有着季节性。在研究时间段内最大累积沉降量达-92 mm,沉降趋势为以东南侧为中心向东部和南部逐渐扩大。详细分析了地面沉降不仅与自然条件相关而且与人类活动相关,降雨量(沉降的季节性变化与降水有关)及城市的扩张(研究区工业的发展和建筑建设)有着联系密切。相比之下,人类的活动是对地面沉降影响作用更甚。