基于SBAS-InSAR技术的庆阳北石窟寺区域稳定性监测与分析

张 雄,和法国,张景科,武金生,杨 鑫,刘 强

[1. 兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000; 2. 西部灾害与环境力学教育部重点实验室(兰州大学),甘肃兰州 730000]

0 引 言

石窟寺是佛教建筑中最古老的形式之一,是研究古代社会政治、经济、文化、宗教、建筑等方面的重要资料[1]。石窟寺依托山体开凿,受其所在区域的地质条件、构造运动和人类活动影响。一旦所在区域的稳定性发生改变,就会影响石窟寺的稳定性,严重时甚至导致毁灭性破坏。因此,对石窟寺区域稳定性监测是必要的。目前常用的监测方法主要有:利用全站仪、水准仪等高精度光学仪器和光电测量仪器的大地测量法[2]、利用全球导航卫星系统的GNSS技术[3]、利用无人机获取多时态影像数据的遥感技术[4]等。但传统方法常常受限于外业量大、监测周期长、监测成本高、测量精度、地形条件限制等因素影响,在石窟寺区域稳定性监测领域应用效果较差[5-6],本研究采用成本低、空间连续性好、持续性好,并具有可回溯性的InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术,对其区域稳定性进行监测。

InSAR技术是近30年来发展兴起、用于解决区域地表变形监测的新技术,现已经在多个领域中广泛应用。如1993年法国科学家Massonnet等将地形信息与地震前后获取的SAR图像相结合,构建干涉图,得到地震后地表形变数据[7];1996年法国科学家F Bénédicte等首次将D-InSAR(Differential InSAR,D-InSAR)技术应用于滑坡监测领域[8];1999年Wegmiiller U等将InSAR技术应用于城市地区土地沉降的测绘中[9];2007年Muskett R R等利用InSAR技术对美国阿拉斯加冰河湾tidewater glaciers的移动进行监测[10];2013年Ji L等利用PS-InSAR(Permanent ScatterersIn SAR,PS-InSAR)技术获取长白山天池火山的变形时间序列,分析得出长白山天池火山近年来异常活动明显的结论[11];2017年杨潇潇等利用TCP-InSAR(Temporarily Coherent Points InSAR,TCP-InSAR)技术对三峡大坝形变进行监测研究[12];2018年Yufeng,Zhu等利用SBAS-InSAR(Small Base line Subset InSAR,SBAS-InSAR)技术对江西省丰城某矿区进行地表沉降监测[13]。但是,InSAR技术应用在文物保护领域的研究与应用非常少。本研究利用SBAS-InSAR技术获取庆阳北石窟寺区域的地表形变信息,并加以分析,验证InSAR技术在石窟寺区域稳定性监测的可行性。

1 研究区现状

北石窟寺位于甘肃省庆阳市西峰区董志乡寺沟川村的覆钟山下(如图1所示),蒲、茹两河交汇形成的二级阶地上,蒲河自北向南,与北石窟寺相距约300 m,茹河自西向东,在北石窟寺西南方向约800 m汇入蒲河,该地区属于鄂尔多斯盆地的一部分。

图1 北石窟寺立面图Fig.1 Elevation of North Grotto Temple

北石窟寺所在的覆钟山,基岩为白垩系砂岩,上覆黄土,是由董志黄土塬受蒲、茹两河及沟壑切割而成的小山。其山体风化特征明显,北石窟寺上方存在一个小型古滑坡,目前已基本稳定,未发现有活动迹象,山体局部裂缝的存在,严重威胁了北石窟寺的稳定。

石窟开凿于覆钟山脚下的直立崖面,崖体中发育有大量的裂隙,这些裂隙的存在为水分在崖体及其表面的运移提供了通道,导致北石窟寺砂岩表层风化病害严重发育,使得北石窟寺的造像及壁画等文物本体遭受严重的损坏(图2)。尤其构造裂隙的发育,使北石窟寺的保护受到严重的挑战[14-16]。

图2 北石窟寺内造像和壁画遭受损坏Fig.2 Damaged statues and murals in North Grotto Temple

2 数据与方法

2.1 试验数据

实验数据选择覆盖北石窟寺区域的Sentinel-1A卫星IW模式下极化方式为VV的15景降轨(卫星沿轨道由北向南飞行)SLC(Single Look Complex,SLC)数据进行研究(如表1所示),其空间分辨率为5 m×20 m,时间跨度为2019.01.23～2019.12.25,时间间隔为24 d,并利用空间分辨率为30 m的SRTM(shuttle radar topography mission,SRTM)DEM(digital elevation model,DEM)数据用于去除地形相位,利用POD精密轨道数据去除平地相位。

2.2 试验方法

在地表形变监测中D-InSAR技术被广泛应用,但对于长时间缓慢变形,由于空间失相干、时间失相干和大气延迟的影响,其监测精度受到限制。1999年,Ferretti等提出了PSI方法,该方法利用人工建筑、裸露岩石等长时间仍能保持相干性的地物,进行时序分析,减弱了时空失相干和大气延迟的影像,提高了区域地表形变监测的精度[17]。但由于北石窟寺区域植被覆盖,人工建筑物分布密度低等因素的影响,PS目标点选取受到了很大的限制。2002年,Berarrlino P等提出了小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)技术[18]。SBAS-InSAR技术通过设置较短的时间基线和空间基线的阈值,得到多个主影像组成的干涉对,利用POD精密轨道数据去除平地相位,SRTM数字高程数据消除地形相位,并采用Goldstein滤波法进行滤波提高信噪比。采用基于目标相干性的相干系数阈值法对点目标进行提取,并建立方程,联合最小二乘法和奇异值分解法进行求解,从而获得高精度的长时序地表形变信息,弥补了PS-InSAR在山区地表形变监测的不足[19-21]。因此,本研究采用更加适合北石窟寺区域的小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)方法。

3 结果与讨论

3.1 研究区形变速率

本研究利用SBAS-InSAR技术对覆盖北石窟寺区域的15景sentinel-1A数据进行处理,得到研究区雷达视线(line of sight,LOS)方向形变速率(图3)。图中形变速率负值表示沉降,正值表示抬升。显示庆阳北石窟寺区域整体形变速率较小,形变速率集中在-15.6～5.1 mm/a,但空间差异性较大,相变速率大的区域大体沿着蒲河、茹河分布,在蒲茹两河交汇处其变形尤其大,最大形变速率达-15.6 mm/a。北石窟寺所依附的覆钟山形变速率较小,在-1.8～-8.7 mm/a之间,且呈现西南侧山体(北石窟寺开凿一侧)形变速率较大,其他侧山体形变速率较小的规律。

图3 Kriging插值法得到的LOS方向形变速率Fig.3 LOS direction deformation rate obtained by the Kriging interpolation method

北石窟寺按赋存环境区域划分属于甘肃陇东区庆阳小区,其环境特征为区域内黄土地貌极为发育,受降水剥蚀、河流切割,塬高谷深,沟壑纵横,分布有大小不等的塬、梁、峁、崾岘与坪、川等多阶状地貌,石窟开凿于塬边沟壑之地的砂岩陡壁之上,其为中生代白垩系底层,强度适中,利于石雕造像,但由于气候较为潮湿,风化问题严重。构造上,庆阳地区属于鄂尔多斯盆地西南部,基底较为稳定,活动性弱[22]。

由上述北石窟寺区域形变速率及其赋存环境可以推测出,北石窟寺赋存的覆钟山整体稳定,存在微小形变,但不存在潜在滑坡蠕动变形特征。其形变产生的主要原因推测为土壤侵蚀,北石窟寺属于黄土高原东南部温带大陆性半湿润季风气候区,根据其形变沿河分布的特征,可以看出该区域侵蚀方式主要为水力侵蚀,风力侵蚀为次要方式。在现场调查中能够观察到明显的风化特征,局部有节理裂隙出露,且结果显示北石窟寺上方形变速率较大,是造成崖体出现大量裂隙,导致北石窟寺的造像及壁画等文物本体遭受损坏的原因之一,建议在今后的保护研究中采取持续的地表形变监测措施。

3.2 研究区累计形变

为了更直观地分析北石窟寺区域地面形变变化趋势及规律,以2019年1月23日为第一时相,设其位移量为0,绘制其后每个时相相对于第一时相的形变量,即累计位移量,得到近年来研究区时间序列形变结果(图4)。图中形变值负值表示沉降,正值表示抬升,该图与图3所示区域范围大小、位置均一致。

图4 北石窟寺区域时序形变结果Fig.4 Time-series deformation results in North Grotto Temple area

由图4可知,蒲茹两河交汇处率先开始产生形变,形变值随着时间逐渐变大,形变面积随着时间不断扩张,对北石窟寺区域稳定性产生了一定的影响。

选取5个典型点(图3)绘制地表的时序累计形变量图(图5)。图中形变量负值表示沉降,正值表示抬升。

图5 典型点时序累计形变量图Fig.5 Diagram of cumulative deformation values of typical points

从图5可以看出,该区域在1、2月份基本无形变发生,3～8月份为造成形变主要月份,且靠近河流处产生形变较大,远离河流处产生形变较小,9～12月份基本稳定。

可以得出结论,研究区形变结果季节性变化的规律。土壤侵蚀同样呈现出随季节变化的规律性,其主要原因为气候的季节变化造成土壤侵蚀的外营力如水力、风力、冻融和动物活动的变化。在春季2～4月份随着气温上升,冬季冻结的土壤表层首先融化,而下部仍然冻结,形成隔水层,上部被水浸润的土体成流塑状态,受重力影响向下流动、蠕动或滑塌,冻融侵蚀活跃。且春季是该地区风力最强劲的季节,风力侵蚀也十分强烈。随着夏季的到来,草木萌发,动物侵蚀开始增强。6月以后进入降雨季节,根据该地区年降水量分布,2019年6～8月降水量占全年降水量56.2%,水力侵蚀在该时间段最为强烈,也是一年中土壤侵蚀最主要的时候。随后逐渐减弱,在11月份到来年2月份,风力、水力侵蚀都较弱,侵蚀作用不明显[23]。由此导致了研究区形变结果的规律性同土壤侵蚀一致,造成其形变的主要因素为土壤侵蚀。

从图3～4可以看出,2019年9月份开始研究区形变量显著减少,其原因除上述季节性影响,风力、水力侵蚀均较弱外,分析主要为董志塬固沟保塬水土保持生态建设项目的顺利完成,对研究区稳定性产生了积极的影响。据了解,早在2007年,为遏制董志塬溯源侵蚀严重的现象,庆阳市政府开展了董志塬治理保护专题研究和讨论。并于2015年对危险性较高的12条沟道开展了先期治理。2017年董志塬固沟保塬水土保持生态建设项目正式由国家启动,以“固沟保塬,以沟养塬”为保护理念,在塬面、沟头、沟坡、沟底构筑四道防线——塬面径流调控、沟头沟岸加固防护、坡面林草植被恢复、沟道水沙集蓄。截至2019年年底,完成了33条大型抢救性沟头沟道综合治理项目,基本遏制了塬面萎缩、沟壑发展的趋势[24]。该项目在遏制董志塬溯源侵蚀现象的同时,对庆阳北石窟寺区域的稳定性也产生了积极的作用,其遏制了覆钟山崖体节理裂隙的发育,减弱了北石窟寺的造像及壁画等文物的进一步损坏,对北石窟寺长期保护起到了不可忽视的积极作用。

4 结 论

本工作基于小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)技术,利用2019年1月23日～2019年12月25日期间15景Sentinel-1A数据对庆阳北石窟寺区域稳定性进行监测。监测及分析结果如下:

1) 在2019年期间北石窟寺所在的覆钟山形变速率为-1.8～-8.7 mm/a;山体相对稳定,未发现明显滑坡变形特征的迹象;其中覆钟山西南侧(即北石窟寺开凿一侧)变形相对较大,形变速率为-5.2～-8.7 mm/a;覆钟山其他侧方向变形相对较小,形变速率为-1.8～-5.2 mm/a;

2) 北石窟寺西南方向约200 m处,蒲茹两河交汇及其周边区域形变速率较大,为-8.6～-15.6 mm/a;推测其原因为蒲、茹河两河的侵蚀,以及周边大量建筑的影响;

3) 从时序累计形变图中可以看出,北石窟寺区域形变集中在3～8月份,根据该地区年降雨量分布得出,期间降雨量的增加增强了水力侵蚀,加速了对土壤的破环,进而使北石窟寺部分区域产生形变。但随着2019年年底董志塬固沟保塬项目的顺利实施,研究区土壤侵蚀现象的到了有效遏制,研究区在2019年9～12月份形变量微小,北石窟寺区域稳定性得到加强。

4) 本工作验证了小基线集干涉测量(SBAS-InSAR)技术在文物保护领域,尤其是石窟寺区域稳定性的长期监测的可行性,为石窟寺遗址长期保护提供了新的思路和方法,也期待InSAR技术在文物保护领域更加深入的研究和应用。