張靜，丁黃平，劉純，謝文然，時(shí)雨

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽(yáng) 110034;2.遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 沈陽(yáng) 110032

0 引言

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是利用對(duì)同一地區(qū)觀測(cè)的兩景或多景SAR影像復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理，獲取高精度的三維地形信息及微小形變信息的技術(shù)，具有精度高、覆蓋范圍大、全天候、全天時(shí)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測(cè)[1,2]。目前，D-InSAR利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息，進(jìn)行地表垂直形變量的提取，其精度已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)[3-5]，該技術(shù)為地表變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了全新方法，具有常規(guī)觀測(cè)手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)。已較廣泛地應(yīng)用于礦區(qū)沉陷、地面沉降、滑坡等方面的監(jiān)測(cè)中[6,7]。SBAS-InSAR是基于D-InSAR的一種方法，能夠極大限度地克服時(shí)間和空間失相干的影響，提高精度[8]。為準(zhǔn)確掌握近幾年盤錦地區(qū)地面沉降的分布及動(dòng)態(tài)演化特征，本文利用中、高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別采用SBAS-InSAR和D-InSAR技術(shù)獲取了2013—2016年間和2007—2009年間盤錦地區(qū)的地面沉降時(shí)空分布特征，為該區(qū)地面沉降防治提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

盤錦市位于遼寧省西南部，遼河三角洲中心地帶，瀕臨渤海。研究區(qū)位于盤錦市的西部，地形平坦開闊，海拔一般在2～4 m之間。地勢(shì)北高、南低，由北向南逐漸微微傾斜，比降為10-4±，坡降平緩，為廣闊的沖海積三角洲低平原。區(qū)內(nèi)主要水系有遼河和繞陽(yáng)河。

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北臺(tái)地的東北部，在區(qū)域構(gòu)造上位于遼河斷陷地帶。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活躍，位于負(fù)向垂直運(yùn)動(dòng)的坳陷區(qū)，下降速率一般為3～5 mm/a，對(duì)地面沉降有影響作用，只是其引起沉降的量級(jí)較小。

地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和新近系深層碎屑巖類孔隙-裂隙水。第四系松散巖類孔隙水廣布，為咸水，含水層厚度70～360 m，地下水埋深0.4～2.4 m，具潛水-微承壓性。新近系深層碎屑巖類孔隙-裂隙水，主要賦存于明化鎮(zhèn)組和館陶組地層中，屬深層孔隙-裂隙承壓水。明化鎮(zhèn)組孔隙-裂隙水埋深230～450 m，咸水底板差異較大。館陶組孔隙-裂隙水是重要的供水含水層，其頂板埋深420～1 060 m，含水層厚度100～300 m[9]。由于長(zhǎng)期開采新近系地下水，現(xiàn)已形成明顯的地下水位降落漏斗，且呈逐年加深擴(kuò)大趨勢(shì)。

研究區(qū)位于穩(wěn)定性較差的沖海積低平原工程地質(zhì)區(qū)，鹽堿土和沼澤化區(qū)及濕地大面積分布，淤泥質(zhì)層廣泛分布。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)

為提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別選取不同時(shí)段的Radarsat-2和Envisat-1 ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行盤錦地區(qū)的地表形變反演研究，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相互驗(yàn)證。SAR影像及研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area

覆蓋研究區(qū)域的19期C波段(波長(zhǎng)5.6 cm)Radarsat-2雷達(dá)影像編程數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間為2013年5月30日到2016年2月8日(表1)，數(shù)據(jù)分辨率為8 m，多視精細(xì)模式，極化方式HH，數(shù)據(jù)格式為單波段tiff格式，所有數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確的地理參考信息和精確的軌道參數(shù)。

表1 Radarsat-2影像數(shù)據(jù)列表

覆蓋研究區(qū)域的3期ASAR雷達(dá)影像存檔數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間分別為2007年4月至2009年6月(表2)，數(shù)據(jù)分辨率為30 m，Image圖像模式，極化方式HH，數(shù)據(jù)格式為單波段tiff格式，所有數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確的地理參考信息和精確的軌道參數(shù)。

DEM數(shù)據(jù)集利用SRTM3 V4.1版本的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工得來，空間分辨率為90 m。

表2 ASAR影像數(shù)據(jù)列表

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

由于兩種不同的雷達(dá)數(shù)據(jù)具有不同的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)量也不同，因此Radarsat-2數(shù)據(jù)運(yùn)用小基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)采用GAMMA軟件SARScape平臺(tái)進(jìn)行處理，ASAR數(shù)據(jù)運(yùn)用D-InSAR技術(shù)中的二軌法采用SARmap公司研發(fā)雷達(dá)圖像處理軟件ENVI SARScape進(jìn)行處理。

小基線集，又稱短基線集，是目前有代表性的高級(jí)(多基線)InSAR方法之一。該方法最初由Berardino提出，其初衷是用于提取低分辨率、大尺度地表形變。小基線集方法根據(jù)獲取SAR影像序列在時(shí)間、空間基線的分布，將數(shù)據(jù)組合成若干個(gè)集合，即集合之內(nèi)，干涉對(duì)空間基線距小，而集合間干涉對(duì)空間基線距大。在地表形變反演階段，為連接多個(gè)小基線集合，提高數(shù)據(jù)處理的時(shí)間采樣率，引入奇異值分解方法，獲取最小范數(shù)解[10]。

二軌法采用形變前和形變后的SAR組成干涉對(duì)，干涉得到包含形變值的干涉相位，依據(jù)已有的高程信息(如DEM)和SAR成像參數(shù)模擬參考相位和地形相位，將干涉相位和模擬的相位進(jìn)行差分得到地表形變相位，進(jìn)而將形變相位轉(zhuǎn)換為形變值。二軌差分干涉測(cè)量處理流程圖如圖2所示。

圖2 二軌法差分干涉流程圖Fig.2 Two track differential interference flow chart

3 結(jié)果與分析

3.1 地面沉降現(xiàn)狀

根據(jù)19期Radarsat-2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，得到2013年5月至2016年2月盤錦地區(qū)累積沉降量圖(圖3)和沉降速率圖(圖4)。圖中存在一些數(shù)據(jù)空白區(qū)域，主要是由于研究區(qū)位于盤錦濕地內(nèi)，大部分區(qū)域被蘆葦覆蓋，而且水系較發(fā)達(dá)，冬季有近4個(gè)月被冰雪覆蓋，雷達(dá)影像的相干性受到較大的影響。整個(gè)影像范圍內(nèi)存在兩個(gè)較大的沉降區(qū)，一個(gè)位于曙光采油廠曙四聯(lián)(區(qū)域A)，沉降區(qū)面積約為43.6 km2，其中沉降嚴(yán)重區(qū)面積約2.62 km2，最大沉降量為-551.71 mm，最大沉降速率為-151.49 mm/a；另一個(gè)位于凌海市安屯鎮(zhèn)龍王村(區(qū)域B)，沉降區(qū)面積約為33.28 km2，沉降較嚴(yán)重區(qū)面積約2.28 km2，最大沉降量為-385.76 mm，最大沉降速率為-119.55 mm/a(表3)。

表3 13-16時(shí)相內(nèi)各級(jí)沉降區(qū)域面積

利用20070406-20090619數(shù)據(jù)進(jìn)行D-InSAR分析，得到2007年至2009年的沉降情況(圖5，圖6)。圖中存在三個(gè)沉降區(qū)，總體分布于圖像的中上部分。如圖7所示，一個(gè)位于曙光采油廠(A區(qū))，沉降區(qū)總面積47.4 km2，其中沉降嚴(yán)重區(qū)位于曙光七分廠，面積約3.16 km2，最大沉降量為-287.91 mm，最大沉降速率為-151.49 mm/a。一個(gè)位于安屯鎮(zhèn)孔家鋪—龍王村附近(B區(qū))，面積約40.62 km2，最大沉降量為-179.24 mm，最大沉降速率為-66.33 mm/a。還有一個(gè)位于右衛(wèi)鎮(zhèn)的苗屯昌盛村附近(C區(qū))，面積約62.54 km2，最大沉降量為-115.85 mm，最大沉降速率為-28.59 mm/a(表4)。

圖3 20130530-20160208時(shí)相內(nèi)沉降量Fig.3 Cumulative settlement from 20130530 to 20160208

圖4 20130530-20160208時(shí)相內(nèi)沉降速率Fig.4 Settlement rate from 20130530 to 20160208

圖5 20070406-20090619時(shí)相內(nèi)沉降量Fig.5 Cumulative settlement from 20070406 to 20090619

圖6 20070406-20090619時(shí)相內(nèi)沉降速率Fig.6 Settlement rate from 20070406 to 20090619

圖7 07-09時(shí)相內(nèi)的主要沉降區(qū)域Fig.7 Main subsidence areas in 07-09 time phases

通過對(duì)比13-16時(shí)相和07-09時(shí)相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方法均得到兩個(gè)較大的沉降區(qū)，分別位于曙光采油廠附近和孔家鋪—龍王村附近。從07-09到13-16時(shí)相，曙光采油廠沉降區(qū)面積由47.4 km2變?yōu)?3.6 km2，沉降中心由曙光七分廠向西偏移為曙四聯(lián)；孔家鋪—龍王村沉降區(qū)面積由40.62 km2減小到33.28 km2，沉降中心由孔家鋪向西偏移為龍王村。初步分析認(rèn)為，這是由于ASAR數(shù)據(jù)量少，且分辨率較低(30 m)，誤差較大造成的。

表4 07-09時(shí)相內(nèi)各級(jí)沉降區(qū)域面積

3.2 累積沉降量時(shí)序分析

在曙光采油廠選取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行累積沉降量時(shí)序分析。依據(jù)Radarsat-2監(jiān)測(cè)結(jié)果，SG01的累積沉降量為-416.27 mm，SG02的累積沉降量為-545.46 mm，兩者的折線圖如圖8。由圖可知，SG01在2013年5月—2014年1月之間沉降相對(duì)比較緩慢，后面沉降逐漸加深，進(jìn)入2015年后沉降進(jìn)一步加快，呈現(xiàn)出愈演愈烈的趨勢(shì)，累積沉降量達(dá)-416.27 mm。SG02也呈類似的沉降趨勢(shì)，在2013年5月—2013年11月之間沉降相對(duì)比較緩慢，之后逐漸加速，2015年7月—2016年2月之間達(dá)到最快，累積沉降量達(dá)-545.46 mm。

圖8 SG01、SG02點(diǎn)累積沉降量隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of cumulative settlement of SG01 and SG02 with time

在龍王村選取2個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行累積沉降量時(shí)序分析。依據(jù)Radarsat-2監(jiān)測(cè)結(jié)果，LW01的累積沉降量為-280.67 mm，LW02的累積沉降量為-234.81 mm，兩者的折線圖分別如圖9。

圖9 LW01、LW02點(diǎn)累積沉降量隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of cumulative settlement of LW01 and LW02 with time

由圖9可知，LW01在2013年5月—2014年12月之間沉降相對(duì)比較緩慢，后面沉降逐漸加深，到2015年11月后沉降有一個(gè)突然加速的過程，累積沉降量達(dá)-280.67 mm。LW02的沉降在2013年5月—2014年3月之間沉降相對(duì)比較緩慢，2014年3月—2014年5月之間突然加速，之后呈現(xiàn)出穩(wěn)定的沉降趨勢(shì)，累積沉降量達(dá)-234.81 mm。

圖10和圖11分別為曙四聯(lián)沉降區(qū)2007—2008、2007—2009及2013—2014、2013—2015和2013—2016的沉降量。從圖10看出，2007—2008沒有嚴(yán)重沉降區(qū)(紅色區(qū)域)和較嚴(yán)重沉降區(qū)(橙色區(qū)域)，只有中等沉降區(qū)。到2009年，沉降上升了1～2個(gè)等級(jí)，中等沉降區(qū)轉(zhuǎn)化成了嚴(yán)重沉降區(qū)和較嚴(yán)重沉降區(qū)。沉降區(qū)面積由37.28 km2增大到47.4 km2，增加了10.12 km2。從圖11可以看出自2013年5月至2016年2月的整個(gè)觀測(cè)期間，曙四聯(lián)發(fā)生地面沉降的區(qū)域不斷擴(kuò)大，累積沉降量明顯逐年增大。至2014年1月，該區(qū)不存在嚴(yán)重、較嚴(yán)重沉降區(qū)域；到了2015年1月，嚴(yán)重、較嚴(yán)重沉降區(qū)域面積分別達(dá)到了0.15 km2、4.76 km2；2016年2月嚴(yán)重、較嚴(yán)重沉降區(qū)域面積分別增大到2.62 km2、6.16 km2。沉降區(qū)總面積由28.56 km2增大到43.6 km2，增加了15.04 km2。

圖10 2007—2009曙四聯(lián)累積沉降量時(shí)間序列變化Fig.10 Time series of cumulative settlement of Shusilian in 2007—2009

圖11 2013—2016曙四聯(lián)累積沉降量時(shí)間序列變化Fig.11 Time series of cumulative settlement of Shusilian in 2013—2016

3.3 水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

在曙四聯(lián)沉降區(qū)內(nèi)布設(shè)有39個(gè)地面沉降水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)。為驗(yàn)證InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，獲取了2014年9月至2015年9月之間與Radarsat-2同時(shí)期的水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于受到天氣和下墊面的影響，有些水準(zhǔn)點(diǎn)處沒有衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，剔除無效數(shù)據(jù)后共有16組同名觀測(cè)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星反演值與水準(zhǔn)觀測(cè)值之間的誤差絕對(duì)值<10 mm的有7個(gè)點(diǎn)，10～20 mm之間的有6個(gè)點(diǎn)，20～30 mm之間的有2個(gè)點(diǎn)，>30 mm的有1個(gè)點(diǎn)。以水準(zhǔn)觀測(cè)值為橫坐標(biāo)，衛(wèi)星反演值為縱坐標(biāo)，得到散點(diǎn)圖12。由圖12可知，水準(zhǔn)觀測(cè)與衛(wèi)星InSAR反演結(jié)果比較接近，兩者的均方根誤差約為15.81 mm，InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)有兩個(gè)地面沉降區(qū)：曙四聯(lián)沉降區(qū)，面積約為43.6 km2，最大沉降速率為-151.49 mm/a；龍王村沉降區(qū)，面積約為33.28 km2，最大沉降速率為-119.55 mm/a。

(2)2007—2009年Envisat-1 ASAR數(shù)據(jù)得到的兩個(gè)沉降區(qū)與2013—2016年Radarsat-2數(shù)據(jù)得到的沉降區(qū)基本一致，證明了數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。

(3)研究區(qū)兩個(gè)地面沉降區(qū)域的累積沉降量和沉降區(qū)范圍均隨著時(shí)間不斷增大。

圖12 水準(zhǔn)觀測(cè)與衛(wèi)星InSAR反演結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.12 Scatter plot of level observation and InSAR inversion results

(4)衛(wèi)星反演值與水準(zhǔn)觀測(cè)值比較接近，InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性。