侯靖鑰 夏元平

(東華理工 大學測繪工程學院, 江西 南昌 330032)

0 引言

地面沉降是當今通常發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境災害之一,是由于自然或人為因素引起的地下物體體積減小和孔隙增加而產(chǎn)生的土地表面逐漸下沉的現(xiàn)象。20世紀初,不僅上海和天津開始出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象,世界上許多國家也都存在著嚴重地面沉降的問題。如中國的北京等地，西班牙、美國等[1]。中國具有較為豐富的煤炭資源,其儲量占據(jù)全球儲量的13%,為全球第三大煤炭儲備國[2]。被譽為“江南煤都”的萍鄉(xiāng),有著安源煤礦這樣久負盛名的百年老礦,但在長時間煤礦開采下,城市中出現(xiàn)了不同程度的建筑物崩裂、地面塌陷等問題,存在著極大安全隱患,易引發(fā)重大安全事故造成巨大經(jīng)濟損失和不良社會影響。因此,對萍鄉(xiāng)進行沉降監(jiān)測是一項重要工作,對預防潛在的地質(zhì)災害具有十分重要的意義[3-4]。利用傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測手段,對礦區(qū)的連續(xù)監(jiān)測有一定的局限性,同樣的問題存在于其他地質(zhì)災害調(diào)查中,由此遙感技術(shù)得到了快速的發(fā)展。合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)由于其具有全天時、全天候觀測的顯著優(yōu)勢,在地質(zhì)調(diào)查中得到了廣泛應用[5]。

近年來,InSAR技術(shù)由于其觀測精度高、范圍廣的優(yōu)勢已成為監(jiān)測地表形變的重要手段,同時諸多學者對于InSAR技術(shù)進行了深入研究。黃潔慧[6]等針對淮南謝家集礦區(qū)以InSAR技術(shù)對地鐵線擬穿過礦區(qū)進行沉降區(qū)監(jiān)測;楊宏山、鄭文潘[7-8]等通過短基線集雷達干涉(small baseline subset-interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技術(shù)監(jiān)測到城市多個沉降區(qū)。然而,該技術(shù)針對江西萍鄉(xiāng)地面沉降監(jiān)測應用較少。本文主要以江西省萍鄉(xiāng)市安源區(qū)為研究區(qū)域,以Sentinel-1A數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,采用SBAS-InSAR技術(shù)對安源區(qū)開展監(jiān)測分析,并重點分析安源區(qū)附近地表的沉降變化特征。

1 研究區(qū)概況

萍鄉(xiāng)是江西的“西大門”,在贛西經(jīng)濟發(fā)展格局中處于中心位置,地處26°57′N～28°01′N,113°35′E～114°17′E之間。研究區(qū)位于安源區(qū),以丘陵地貌為主,地勢東南高、西北低。但山地、盆地、丘陵錯綜分布,地貌較為復雜,地質(zhì)條件復雜多變。320、319國道,滬瑞、萍栗高速等多條連接中國東西部的重要公路貫穿安源區(qū)。據(jù)氣象站觀測數(shù)據(jù),該地區(qū)年平均氣溫為17.3℃;2003年8月極端最高氣溫41℃,1991年極端最低氣溫-9.3℃。年均降水量1 603.2 mm。安源煤礦是江西省主力煤礦之一,已有120多年的開采歷史,現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模為0.78 Mt/a。近年來,隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展,大量建筑的建設,煤礦的持續(xù)開采,逐漸導致安源區(qū)城市出現(xiàn)多個不均勻地表沉陷區(qū)。且安源煤礦礦區(qū)周圍靠近房屋和道路,煤礦開采導致的地面下沉將直接影響附近居民的生活。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)影像是Sentinel-1A數(shù)據(jù)。哨兵一號(Sentinel-1)衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計劃于2014年發(fā)射的第一顆C波段衛(wèi)星,由Sentinel-1A和Sentinel-1B目前在軌道上運行的兩顆衛(wèi)星組成。使用干涉寬幅(interferometric wide,IW)模式下的單視復數(shù)圖像(single look complex image,SLC)圖像,影像幅寬為250 km?？臻g分辨率為5 m×20 m,軌道方向為升軌,成像中心入射角為39.1°。選取時間為2018年1月13日至2019年12月22日共24景數(shù)據(jù),極化模式為VV。此外,去除平地相位采用歐洲航天局(European Space Agency,ESA)發(fā)布的精密定軌星歷(precise orbit ephemerides,POD)數(shù)據(jù),去除地形相位采用美國航空航天局提供的30 m分辨率的外部數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)。

2.2 方法與處理

使用SBAS-InSAR技術(shù)進行處理。SBAS-InSAR是由Berardino等提出的一種時間序列分析方法[9]。減小了合成孔徑雷達差分干涉測量(differential-interferometry synthetic aperture radar, D-InSAR)技術(shù)引起的失相干、大氣誤差等制約。SBAS-InSAR技術(shù)主要通過選取多個主影像,設置合理的時空基線閾值,通過對干涉對差分干涉后多視處理,提取高相干像元,進行奇異值分解,求得影像序列間地表形變速率的最小二乘解[10-11]。具體步驟如下：

(1)導入下載的Sentinel-1A 數(shù)據(jù),并結(jié)合每景對應的精密軌道文件,對數(shù)據(jù)集進行裁剪,獲得監(jiān)測時段內(nèi)相同的研究區(qū)域。

(2)時間基線設置為120 d,空間基線閾值設置為4%,空間基線為58.27 m。共生成82對干涉圖像,2018年7月24日的影像作為主影像,其余副影像相對主影像的空間基線最長為171.38 m,最短為0.8 m。

(3)對82個像對進行干涉處理。采用Goldstein濾波方法設置相位解纏相干性系數(shù)為0.2,并利用Minimum Cost Flow方法進行相位解纏;根據(jù)干涉圖、相干系數(shù)圖選擇遠離形變明顯區(qū)、相干性較好的36個地面控制點。為去除軌道誤差和殘余相位,根據(jù)生成的控制點進行軌道精煉與重去平。

(4)通過第一次反演來初步估計形變速率和殘余地形。通過大氣高低通濾波去除大氣相位,進行二次解纏,計算時間序列上的位移。并選擇地面控制點來去除殘余的相位或者相位斜坡。得到最終位移結(jié)果。

(5)對SBAS-InSAR處理結(jié)果從SAR坐標轉(zhuǎn)成DEM地理坐標系,以平均強度圖確定在垂直發(fā)射垂直接收(vertical transmit,vertical receive;VV)極化下最終得到的平均沉降速率圖。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 沉降率圖

圖1顯示了2018年1月—2019年12月期間,使用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測所得到的整個研究區(qū)的平均形變速率分布圖;該圖疊加在萍鄉(xiāng)市安源區(qū)的光學影像上。黑色矩形標記的區(qū)域P1—P3是安源區(qū)主要沉降區(qū)。該地區(qū)在監(jiān)測時段內(nèi)沉降分布不均,范圍較廣泛嚴重。其中,安源區(qū)的沉降速率從-46～23 mm/a不等。研究區(qū)北部、東部和西部地區(qū)大部分地區(qū)相對穩(wěn)定,中部八一街街道、東大街街道、城郊管委會、丹江街街道等地方地表沉降較小,多數(shù)沉降速率都小于5 mm/a。北部中心靠近中心城區(qū)的鳳凰街街道及白源街街道周圍均出現(xiàn)沉降漏斗,最大沉降速率達-35 mm/a。東西部大部分區(qū)域累計沉降范圍在-10～10 mm/a之間。由實驗獲取的地表沉降形變監(jiān)測結(jié)果來看,安源區(qū)的東南側(cè)沉降速率明顯高于西南側(cè),且分布面積最大，見圖1。

圖1 安源區(qū)2018—2019年沉降速率圖

研究期間識別出位于P1區(qū)、P2區(qū)內(nèi)多個形變區(qū),其特征是突出的大部分地區(qū)經(jīng)歷了不均勻的沉降。P1區(qū)的主要沉降區(qū)分布在現(xiàn)存年開采產(chǎn)量仍達90 t的安源煤礦礦區(qū),最大沉降速率達-46 mm/a,沉降中心位于燈盞窩、洪水眼中間片區(qū)。P2區(qū)最大年平均沉降速率達-43 mm/a,主要沉陷區(qū)為高坑煤礦礦區(qū)及錫坑采挖一帶。沉降中心位于錫坑、老虎沖與龍家沖中間片區(qū)。自2018年1月至2019年12月,P1、P2作為主要沉降區(qū),兩區(qū)的沉降幅度及規(guī)模有著逐年增加、逐年擴大趨勢。說明該區(qū)域有著非常嚴重的因長年累積礦區(qū)開采導致礦區(qū)周圍均出現(xiàn)不同程度沉陷的問題,并且已成為當?shù)丨h(huán)境保護和礦山修復的重難點。

P3區(qū)存在兩個明顯沉降碗以及多個小型沉降碗,其形變速率范圍為-35～9 mm/a。P3區(qū)位于萍鄉(xiāng)市中心,向東北延伸,是商業(yè)、工業(yè)和生活活動中心。白源火車站、天虹購物中心、安源工業(yè)園等地標都位于該區(qū)域。近年來已有計劃為促進萍鄉(xiāng)市的發(fā)展,開始在該區(qū)啟動大量建設項目。該區(qū)域也出現(xiàn)分布不均勻的沉降,但嚴重程度小于P1、P2區(qū)。

3.2 沉降時間序列

監(jiān)測時期內(nèi)最大累積沉降出現(xiàn)在P1區(qū)安源煤礦區(qū)域,達-92 mm。P2區(qū)最大累積沉降量約為-85 mm,該沉降帶隨時間變化向東南方向為中心沉降邊緣逐漸擴大。P3區(qū)在2018—2019時段內(nèi)出現(xiàn)兩個顯著的沉降中心,P3沉降區(qū)最大累積量約為-71 mm,沉降中心位于市區(qū),受其影響較大的區(qū)域主要包括贛能小區(qū)、和諧公寓、登岸別墅山莊。其他沉降區(qū)沉陷范圍相對較小。

3.2.1降雨量對地面形變的影響

在監(jiān)測周期內(nèi),最大沉降速率達到-46 mm/a,平均值為-0.6 mm/a。將2018年至2019年間三個月劃分為一個組,期間平均沉降速率、最大累積沉降量如表1所示。其中2019年7—9月、10—12月兩個時間階段沉降累積量較大。為研究地表沉降在時間序列上的演變,本文在P1、P2兩區(qū)選擇了AY、XK、GK三個典型沉降點(圖1),分別繪制AY、XK、GK三點的累計沉降量與降雨量的關系圖來分析地表沉降的時間演變及地表沉降與降雨量之間的關系,如圖2所示。根據(jù)萍鄉(xiāng)市氣息數(shù)據(jù)分析表明,研究區(qū)內(nèi)降水時空分布不均,近兩年降雨量較往年呈上升趨勢2019年5、6、7三個月降雨量增幅最大,為研究時期內(nèi)降水量最高,與往年同期相比增加約70%。該地區(qū)的地表沉降經(jīng)歷明顯季節(jié)變化,AY、XK、GK等點在2019年5—7月的沉降速率均顯著放緩,城市降雨量的增加在一定程度上有效地補充了地下水資源,在發(fā)生地面沉降時有一定緩和作用[12]。而沉降不僅與降雨量有關,也與其他因素相關。

圖2 降雨量與形變特征點時間序列

表1 研究區(qū)累積沉降表 單位：mm

3.2.2人類活動對地面形變的影響

在這些嚴重沉降區(qū)的沉降中心位置選取該時間段內(nèi)以下五個沉降特征點P1區(qū)的AY點;P2區(qū)的XK、GK點;P3區(qū)的FH點。BY點進行對比分析,由圖3可知,AY點沉降速率為-17 mm/a,累計沉降量達到-29 mm;P2區(qū)XK、GK兩點的沉降速率和最大累積沉降量分別為：-30 mm/a、-56 mm;-33 mm/a、-65 mm;根據(jù)本文監(jiān)測結(jié)果可知,安源區(qū)P1—P3三個區(qū)域的沉降速率正在逐步加劇。

圖3 沉降區(qū)特征點分布

P3區(qū)域的沉降與人口密度有著密切關系,據(jù)第六次全國人口普查結(jié)果,安源區(qū)鳳凰街街道常住人口為萍鄉(xiāng)市最多達137 830人,為安源區(qū)人口密度最大的街道。作為萍鄉(xiāng)市的經(jīng)濟文化中心,如圖5所示,FH點的沉降速率為-10 mm/a,最大沉降量達-18 mm/a,鳳凰街街道及白源街道較近旁街道城郊管委會、后阜街街道地區(qū)相比沉降嚴重,在該區(qū)域的人口密度影響范圍下,萍鄉(xiāng)市處于城市發(fā)展的關鍵時期,18年4月在安源工業(yè)園有多達84個重大項目集中開工,多個建筑都在同步建設中,萍鄉(xiāng)市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)位于白源區(qū)區(qū)內(nèi),產(chǎn)業(yè)多以煤炭、鋼鐵、建材、陶瓷、化工為主。該區(qū)域BY點最大沉降量為-41 mm,平均沉降速率為-21 mm/a。工業(yè)分布主要有萍鄉(xiāng)安源鋼鐵公司、鋼翔礦業(yè)公司、安源節(jié)能風機廠。這些產(chǎn)業(yè)的分布及大面積城市建設加上地面大型建筑物的長時間負荷會在一定程度上表現(xiàn)出地面沉降,則在P3區(qū)域的沉降中起主導作用。同時,近幾年隨著建筑物和基礎設施的增加,城市的開發(fā)工程建設不斷推進,萍安北大道西側(cè)與東側(cè)均有樓盤在監(jiān)測時間段內(nèi)的施工,施工建設過程中會增大對地下水開采需求量,導致地下水位下降,增長地下水壓力,壓縮土壤,最終導致沉陷發(fā)生[13-15]。

4 結(jié)束語

本文基于VV極化影像進行SBAS-InSAR技術(shù)處理,獲取了2018—2019年萍鄉(xiāng)市安源區(qū)沉降的整體分布情況以及地表沉降速率。同時獲得了相應時間段的土地利用分類圖。得到以下結(jié)論：

(1)安源區(qū)沉降不均勻,研究期間年平均沉降速率范圍為-46～23 mm/a。這些沉降主要分布在東南部和北部。同時監(jiān)測到形變顯著的P1、P2、P3三個區(qū)域。P1、P2兩個區(qū)域分別位于安源煤礦、高坑煤礦附近均出現(xiàn)不同程度的沉降,P1區(qū)監(jiān)測時間段平均沉降速率最大達到-46 mm/a,P2區(qū)平均沉降速率最大值為-43 mm/a。P3區(qū)監(jiān)測到兩個沉降碗,最大平均沉降速率達-36 mm/a,沉降速率范圍為-35～9 mm/a。

(2)安源區(qū)的沉降,在空間分布上呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,在時間上有著季節(jié)性。在研究時間段內(nèi)最大累積沉降量達-92 mm,沉降趨勢為以東南側(cè)為中心向東部和南部逐漸擴大。詳細分析了地面沉降不僅與自然條件相關而且與人類活動相關,降雨量(沉降的季節(jié)性變化與降水有關)及城市的擴張(研究區(qū)工業(yè)的發(fā)展和建筑建設)有著聯(lián)系密切。相比之下,人類的活動是對地面沉降影響作用更甚。