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基于SBAS-InSAR技术的豫北平原地面沉降监测
许军强1, 马涛2, 卢意恺3, 白潍铭1, 赵帅1     
1. 河南省航空物探遥感中心, 郑州 450053;
2. 河南豫矿资源开发集团有限公司, 郑州 450012;
3. 河南省地矿局第五地质勘查院, 郑州 450001
摘要: 豫北平原是河南省平原地区地面沉降灾害较严重地区之一,快速全面掌握豫北平原地面沉降信息、有效防控地面沉降的持续快速发展对中原城市群建设至关重要。本文借助中高分辨率RADARSAT-2雷达数据,基于SBAS-InSAR技术获取了豫北平原2014-2016年的地面沉降监测数据。监测结果表明:两年内豫北平原地面整体下沉,区内共圈定8个较明显的沉降区,总面积约3 006 km2,各沉降区沉降速率在25.00~114.85 mm/a之间;其中,除安阳县白壁镇-内黄县沉降区和辉县沉降区最大沉降速率分别达到95.36和114.85 mm/a之外,其余6个沉降区最大沉降速率均小于73.58 mm/a。根据沉降区现场实地调查和综合分析发现,豫北平原地面沉降主要是活动断裂、松软岩土、地下水超采、城市建设活动、石油和地热资源开采等共同作用的结果。建议将豫北平原地面沉降的防控重点放在人类活动引起的地下水超采和城市建设引发的松软岩土层超量堆载等方面。
关键词: 豫北平原    地面沉降    SBAS-InSAR技术    
Land Subsidence Monitoring in North Henan Plain Based on SBAS-InSAR Technology
Xu Junqiang1, Ma Tao2, Lu Yikai3, Bai Weiming1, Zhao Shuai1     
1. Henan Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center, Zhengzhou 450053, China;
2. Henan Yukuang Resources Development Group Co., Ltd., Zhengzhou 450012, China;
3. No.5 Institute of Geo-Exploration of Henan, Zhengzhou 450001, China
Supported by National Natural Science Foundation of China (41774070)
Abstract: Land subsidence occurs often in the plain of the northern Henan Province.It is very important to rapidly and effectively grasp the information of land subsidence and settlement to the construction of central plains urban agglomeration.Using high and medium resolution data of RADARSAT-2 radar and SBAS-InSAR technology, the land subsidence monitoring records of north Henan Plain from 2014 to 2016 were obtained.The records show that in the two years the whole land subsided in Henan Province, of which eight areas were more seriou swith about 3 006 km2 subsidence, and the settlement rate of each area was approximately 25.00-114.85 mm/a. Among them, except the maximum settlement rate of Baibi Town-Neihuang County and Hui County was 95.36 and 114.85 mm/a respectively, the maximum settlement rate of the other six subsidence areas was less than 73.58 mm/a.According to the field investigation and comprehensive analysis of the settlement areas, the land subsidence in north Henan Plain is mainly caused by active faults, soft rock, groundwater overdraft, urban construction activities, and oil and geothermal mining.The authors suggests that the prevention and control of ground subsidence in north Henan Plain should be focused on the excess exploitation of groundwater and overloading of soft rock soil layer caused by city construction.
Key words: north Henan Plain    land subsidence    SBAS-InSAR technology    

0 引言

豫北地处南太行山前平原,是河南省重要的工业基地和发达地区,也是缺水地区,地区面积2.85万km2, 总人口约2 100万。近年来,随着地区经济的快速发展,地下水严重超采,濮阳市区一带,地下水允许开采量为6 400万m3/a,实际开采量却达到13 000万m3/a[1],超采率超过100%。在豫北平原地下水漏斗区、重要城市产业聚集区和重大工程区及沿线均出现了不同程度的地面下沉且呈逐年发展态势,对区内主要城市经济发展和积极融入中原城市群建设带来不利影响。

地面沉降是在自然和人为隶属关系作用下,因地壳表层土体压缩而导致地区性地面标高降低的一种环境地质现象[2],它是一种累进性的缓变地质灾害,一旦形成便难以恢复[3]。随着空间对地观测技术的快速发展,合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术以其全天候、大范围、高精度以及监测网络密度高等特点成功应用于地面沉降观测中[4-7]。使用差分干涉测量技术(D-InSAR)能够进行大范围、无接触、面状微小地表形变的观测,观测精度可达毫米级[8-9]。但是InSAR技术很容易受到时间、空间失相干的影响,同时大气效应会影响D-InSAR的测量精度,而且影响很难消除[10]。小基线集SBAS(small baseline subset)-InSAR技术是2001年由Berardino等[11]针对传统D-InSAR中存在的一些问题而提出的一种经典形变时间序列分析方法,该技术克服了D-InSAR技术中时间、空间基线去相干和大气效应的影响,从而可以应用于地表长时间缓慢形变的监测[12-13]。国内外相关研究[14-17]表明,利用SBAS-InSAR技术获取的地表形变监测结果与实际吻合,可靠性较好。本文采用小基线集SBAS-InSAR技术对豫北平原地面沉降进行监测,对沉降的形成原因进行分析并提出防治建议,以期为防治该区地面沉降的进一步发展提供技术参考。

1 区域概况

豫北是指河南省内黄河以北的地区,包括安阳、新乡、焦作、濮阳、鹤壁、济源六市。豫北西依太行山与山西省的长治、晋城交界,北隔漳河与河北邯郸毗邻,南面临黄河与洛阳、郑州、开封相接, 东面与山东相接;京广铁路、京港高铁、南水北调中线纵贯南北,交通较为发达;区域气候属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候,四季分明,年平均气温14.2 ℃;降水量在地域上分布也不均匀,西部山前地带降雨量较大,东部地区较小。豫北平原面积21 026.00 km2,地理坐标:112°27′34″E-116°04′51″E,34°52′00″N-36°17′19″N(图 1)。

图 1 研究区地理位置图 Fig. 1 Geographical location map of the study area

豫北地区属华北地层区,第四系广泛分布于平原区;中太古界、古生界、中生界与新生界的古近系和新近系等地层主要出露于西部山区及山前地带,在平原区均隐伏于第四系之下,仅局部地段零星出露地表。豫北平原位于华北地台南部。太古宇登封群经嵩阳运动和中条运动强烈褶皱与变质,构成华北地台结晶基底。中元古界—新生界形成地台盖层。本区基底构造复杂,主要为一组近南北向多次迭加、形态复杂的紧闭和倒转型褶皱。盖层构造简单,断裂较发育,褶皱形态较简单,主要为平缓开阔的褶皱及断块和断(拗)陷盆地,构造线走向以焦作—商丘断裂为界,以北为北北东向,以南主要为东西向。本区新构造活动以大面积升降作用为主,并伴随老断裂的新活动,表现出差异断块运动方式。从新生代开始,本区一直处于沉降过程中,至新近纪才全面接受沉积。本区的新构造运动并非等速运动,而是具有阶段性,各阶段均有各自的特点。依据周边山区夷平面、剥蚀岗地、阶地、平原区冲积扇空间展布和河道发育、湖沼兴衰等事件,把第四纪以来的新构造运动分为4期。本区新构造运动的强度自火龙岗期到郇封岭期乃至现代,呈依次减弱之势。区内地震活动较为强烈,多沿深断裂和交汇部位发育。古近系、新近系发育多层基性、超基性熔岩,新构造较活跃。

根据赋存地下水的介质和介质空隙的性质,将区内含水介质划分为3个含水岩组:即松散岩类孔隙水含水岩组、碎屑岩类裂隙孔隙水含水岩组和碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组。

2 数据处理 2.1 数据源

本次研究选择RADARSAT-2数据,获取时间为2014-02—2016-11。数据覆盖整个豫北平原,共3个条带(条带Ⅰ、条带Ⅱ、条带Ⅲ),每个条带20景图像,研究区共获取了60景图像。

2.2 方法原理

小基线集SBAS-InSAR技术是一种时间序列InSAR分析方法,该技术主要采用奇异值分解(SVD)方法将多个小基线集合数据联合起来进行地表形变时间序列反演,从而提高观测数据的采集率。方法原理如下[9, 11]

1) 设依次在(t0, t1, …, tn)时刻获取研究区n+1景SAR(synthetic aperture radar)影像,根据时空基线条件选取其中1景影像作为主影像,其余影像与主影像配准,得到M景干涉图。假设在影像时刻tA和主影像时刻tB(tB>tA)获得的两景SAR影像干涉处理后生成第j景干涉图,则像素点(x, r)(x为方位向坐标,r为距离向坐标)的干涉相位(忽略大气延迟相位、残余地形相位和噪声相位)可以表示为

(1)

式中:δφj(x, r)为像素点(x, r)处的干涉相位;φA(x, r)、φB(x, r)分别是tAtB时刻像素点(x, r)处的相位;j为差分干涉图的图幅号(序号);λ为中心波长;d(tA, x, r)、d(tB, x, r)分别为tAtB时刻相对于参考时刻时d(t0, x, r)=0的雷达视线方向累积形变信息。

2) 将式(1)中的干涉相位表示为2个获取时间之间平均相位速度vj和时间的乘积,即

(2)

则第j景干涉图的干涉相位可以写为

(3)

即各时段速度在主、副图像时间间隔上的积分。写成矩阵形式为

(4)

式中,B为系数矩阵。由于SBAS差分干涉图采用了多主图像策略,因此在求解过程中,B可能会秩亏。采用SVD方法可以得到B的广义逆矩阵,进而得到速度矢量的最小范数解,最后通过各个时段速度的积分得到各个时间段的形迹量。

2.3 处理过程

1) 干涉对组合。小基线通过设置适当的时间基线和空间基线阈值得到干涉相干组合[18]。本次设置空间基线阈值为250 m,时间基线为200 d。条带Ⅰ共组成60对干涉组合,条带Ⅱ共组成79对干涉组合,条带Ⅲ共组成43对干涉组合(图 2)。

a.条带Ⅰ;b.条带Ⅱ;c.条带Ⅲ。 图 2 干涉组合分布图 Fig. 2 Interference combinatorial distribution diagram

2) 去除平地效应。SAR图像配准完后,将两幅图像进行复共轭相乘即可得到干涉条纹图。干涉条纹图存在一条一条的条纹,是由于平地效应造成的,需要进行去除,方便进行相位解缠。去除平地效应后的干涉条纹图和相干图如图 3所示。

图 3 去除平地效应后的干涉条纹图(a)和相干图(b) Fig. 3 Bar graph (a) and coherent graphs (b) after leveling

3) 相位解缠。使用最小费用流方法进行相位解缠。在相位解缠过程中,根据图像分辨率和地物类型,仅对相干性大于0.4的像素点进行相位解缠,降低噪声误差对解缠结果的影响,解缠结果如图 4所示。

a.条带Ⅰ;b.条带Ⅱ;c.条带Ⅲ。 图 4 解缠后的相位图 Fig. 4 Phase diagram after unwrapping

4) 高相干目标点选取。对生成的相干图进行平均处理得到平均相干系数图,设定适当的阈值即可得到高相干目标点(图 5)。在处理过程中,根据项目区域大小、时间基线大小和地物类型,设相干系数阈值为0.6,共选出了约207万个相干点用于形变反演。

a.条带Ⅰ;b.条带Ⅱ;c.条带Ⅲ。 图 5 选取的高相干点 Fig. 5 Selected high phase dry point

5) 形变估计。高相干点选取完毕后,根据解缠后的干涉条纹图数据,建立相应的相位模型,利用SVD方法即可求解观测范围内的形变速率(图 6)。差分干涉图在像素坐标上的相位可以表达为下述4项:第一项为形变相位,第二项为由不精确参考DEM高程引入的残余高程误差相位,第三项和第四项分别为据两个接收时刻气象变化引入的大气延迟相位和噪声相位。

a.条带Ⅰ;b.条带Ⅱ;c.条带Ⅲ。 图 6 形变速率图 Fig. 6 Rate of deformation map

线性形变估计  首先,求解低通形变量和高程误差,这时大气效应可先忽略不计。将形变相位转换为平均相位速度矢量,同时假设速度矢量可使用一个线性模型表征,则可以得到差分相位关于高程误差和形变速率模型的一个矩阵方程。对此矩阵方程可直接使用最小二乘法解求参数,获得低通形变信息和高程误差。然后,从原始缠绕差分图中减去低通形变相位和高程误差相位,获得残余相位。残余相位图中条纹数已经明显减少,通过相位解缠,再加回前面减去的低通相位成分,即可获得改进的解缠干涉相位信息。此时不需引入速度矢量模型。之后,为了连接不同子集,增加形变信号时间采样率,可使用SVD方法获取最小范数意义上的最小二乘解。最后,对速度矢量进行时间维积分集成,获取形变相位序列图。形变相位序列图包含了形变信息和大气噪声信息,其分离过程是先从形变相位序列图中减去低通形变相位获取残余相位,然后对残余相位进行时间维低通滤波,最后进行时间维高通滤波处理,获取大气迟延相位,以及余下的形变量相位。

非线性形变估计  从原始差分干涉图相位减去线性形变相位和DEM高程引起的误差相位后,得到点目标上的残余相位,这部分相位包括大气影响相位、非线性形变相位以及噪声相位。为了得到完整的形变信息,需要对解缠后的残余相位进行时空频谱特征分析,以分离出非线性形变相位。据相关研究[19-20],残余相位的3个分量中:大气影响相位在时间序列上是高频信号,在空间上是低频信号;非线性形变相位在时间序列上是低频信号,在空间上是高频信号;噪声相位则在时间和空间上都为随机高频信号。利用这些表现特征可以将三者分离出来。对点目标,首先在时间序列上做频域低通滤波,提取出低频的非线性形变相位,然后利用最小二乘方法及干涉组合关系计算出各时刻的非线性形变量。

将非线性形变与线性形变叠加即可得到最终的形变信息。

3 结果分析

通过以上数据处理,得到3个条带的形变速率;对3个条带结果进行拼接和裁剪,获得整个研究区域的形变速率图。拼接过程包括以下两个部分。

一是统一空间基准,即把不同轨道(path)下的InSAR监测结果统一到相同坐标系统下。严格控制地理编码的精度,不能超出1个像元。

二是补偿系统偏差。对于相邻图幅(frame)或相邻轨道的InSAR结果,由于选择参考点运动的先验信息未知,相邻图幅或相邻轨道的InSAR结果存在差异,造成拼接错误。因此,需要分析二者之间公共区域的结果,计算出二者之间的差异值进行系统偏差补偿,补偿后得到二者一致的形变监测。使用研究区边界矢量对拼接图进行裁剪,制作出豫北平原2014-2016年的InSAR地面沉降速率等值线图(图 7),对其结果分析如下。

图 7 研究区重点沉降区地面沉降速率等值线图 Fig. 7 Contour map of land subsidence rate in key subsidence area of the study area

1) 空间分布特征。2014-2016年豫北平原最大沉降速率为114.85 mm/a,分布于辉县市百泉镇;沉降速率在30 mm/a以上区域主要分布在安阳、濮阳、新乡和鹤壁地区。根据《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程》(DD2014-11)[21]中对地面沉降严重程度的划分标准和豫北平原地面沉降速率等值线图,结合相关资料及实地调查验证情况,共圈定出8个重点沉降区域(图 7),分别为安阳县白壁镇—内黄县沉降区(Ⅰ)、滑县井店镇—白道口镇沉降区(Ⅱ)、濮阳县东南部沉降区(Ⅲ)、范县西北部沉降区(Ⅳ)、濮阳县—长垣县沉降区(Ⅴ)、新乡市—卫辉市沉降区(Ⅵ)、辉县沉降区(Ⅶ)和武陟县西北部沉降区(Ⅷ)。各重点沉降区沉降速度均大于25 mm/a,沉降区总面积约为3 006 km2

2) 与活动断裂的关系。河南平原活动断裂按其展布方向归为NE和NW向,绝大部分隐伏于新生界之下,黄河以北多为NE向,黄河以南多为NW向[22]。从活动断裂构造来看,豫北平原Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等6个重点沉降区展布方向为NE向,与区内主要活动断裂一致(图 8)。其中:Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ重点沉降区位于长垣断裂(F3)、黄河断裂(F4)、聊兰断裂(F5)等3条强活动断裂附近;Ⅵ重点沉降区位于汤西断裂(F1)与汤东断裂(F2)强活动断裂附近;Ⅷ重点沉降区位于济源—新乡断裂(F6)与武陟—郑州断裂(F7)中等活动断裂附近。从区域构造单元来看,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ重点沉降区位于长垣断裂与聊兰断裂活动控制的东濮断陷区,Ⅵ重点沉降区位于汤东、汤西活动断裂控制的汤阴断陷区,Ⅷ重点沉降区位于济源—开封拗陷系(图 9)。重点沉降区与区域构造和区内主要活动断裂在空间上较强的一致性,说明豫北平原活动断裂与地面沉降密切相关。

图 8 研究区致沉要素空间分布图 Fig. 8 Spatial distribution diagram of sedimentation factors in the study area
图 9 研究区大地构造分区图 Fig. 9 Geotectonic zoning map of study area

3) 与地下水开采的关系。地下水的超量开采会导致孔隙水压力下降、土体有效应力增加,使土层中孔隙受压,造成地面沉降。根据“华北平原地下水可持续利用调查评价(河南)”项目成果,濮阳—封丘—原阳—新乡—鹤壁—安阳、孟县—温县—武陟、济源、淇县等区域属浅层地下水一般超采区;濮阳—清丰—南乐及以东区域属中深层承压水超采区。1965年以来,长期地下水超采已形成3个区域性浅层地下水位降落漏斗和一个中深层地下水降落漏斗:浅层地下水位降落漏斗分别为滑县—濮阳—清丰—南乐漏斗、温县—孟县漏斗和武陟漏斗;中深层地下水位降落漏斗为长垣漏斗(图 8)。其中滑县—濮阳—清丰—南乐漏斗中心水位埋深由14~20 m下降至30 m左右,2014年漏斗面积为4 084.02 km2,漏斗中心水位埋深30.42 m。对已发现的浅层和中深层降落漏斗与本次圈定的重点沉降区进行GIS空间叠合分析,发现滑县—濮阳—清丰—南乐浅层地下水漏斗和武陟浅层地下水漏斗与Ⅰ、Ⅱ和Ⅷ重点沉降区存在空间包含关系,长垣中深层地下水漏斗与Ⅴ重点沉降区存在空间半包含关系,滑县—濮阳—清丰—南乐浅层地下水漏斗与Ⅲ、Ⅳ重点沉降区存在空间相邻关系(图 8)。由此可以推断,与活动断裂对地面沉降的长时间缓慢影响相比,1965年以来地下水超量开采是诱发地面沉降的一个主要因素。

① 苗晋祥,吴继臣,于素红,等.华北平原地下水可持续利用调查评价(河南)成果报告.郑州:河南省地质资料馆,2007。

4) 与松软土层的关系。豫北平原是由黄河长期冲积泛滥形成的黄河冲击平原,分布着由粉质黏性土、粉土、粉砂、细砂、黄土类土及淤泥质土等交互沉积的巨厚松散层,其中洼地中淤泥质土和河流沉积的黏性土脱水形变率较高,当大面积堆载或地下水位下降时极易形成地面沉降。豫北平原地面沉降区则主要分布于原阳范县黏性土、砂性土区和焦作濮阳黏性土、砂性土区,部分位于安阳鹤壁黄土类土、黏性土区(图 8)。豫北平原的天然土为粉土(古河道以粉细砂土为主),特征土类包括黄土类土和淤泥质土,其中:黄土又分非湿陷性黄土、轻微湿陷性黄土、中等湿陷性黄土和强烈湿陷性黄土4类;淤泥质土主要指淤泥质粉质黏性土、淤泥质黏性土及少量淤泥质砂,呈一层或多层夹在砂性土、黏性土及弱膨胀土的地层内。由于部分黄土具有湿陷性,淤泥质土具有承载能力低、饱和状态下触变、流变等特性,易引起地面沉降。

5) 其他因素。研究区可能引起地面沉降的其他因素主要有城市建设、石油开采和地热资源开发。其中:城市建设活动主要通过引起地下水位下降、密集高大建筑物堆载于松软岩土层等诱发地面沉降,石油开采和地热资源开采主要通过高强度、大面积的石油开采和高强度注水采油及超采地下水诱发地面沉降。

4 结论与建议

本文借助中高分辨率RADARSAT-2雷达数据,基于SBAS-InSAR技术获取了豫北平原的2014-2016年的地面沉降监测数据,总结了豫北平原地面沉降总体特征,分析了引起地面沉降的自然和人为因素,研究结果表明:

1) 利用SBAS-InSAR技术可快速获取研究区地面沉降信息,可为研究区域地面沉降现状及发展演化状况提供参考依据。

2) 豫北平原存在8个中等严重程度以上的重点沉降区,最大沉降速率为114.85 mm/a,除安阳县白壁镇—内黄县沉降区和辉县沉降区最大沉降速率分别达到95.36 mm/a和114.85 mm/a之外,其余6个沉降区最大沉降速率均小于73.58 mm/a,说明监测时段内豫北平原地面沉降较为严重。

3) 豫北平原地面沉降的主要原因为地下水超采,另外还与区域活动断裂、松软岩土层、城市建设、石油和地热资源高强度开采有关。

4) 应根据豫北平原地面沉降特点和致沉因素尽快出台防治规划,地面沉降的防治重点应从影响地面沉降的地下水超采入手,通过在城市建设活动、工业用水、灌溉用水、石油及浅层地热资源开采等领域限量地下水开采,开展地表水与地下水联合调蓄和人工回灌等措施严控地下水超采,通过科学优化城市建设规划以降低城市空间松软岩土层超量堆载引起的地面下沉。

5) InSAR监测成果需要根据实际监测沉降数据进行修正反演,本次豫北平原InSAR监测时间段内没有收集到相关实测数据,对解译反演精度会有一定影响,建议在后续的InSAR监测工作中补充监测时段内研究区实测地面沉降数据,以提高InSAR解译精度。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180126
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

许军强, 马涛, 卢意恺, 白潍铭, 赵帅
Xu Junqiang, Ma Tao, Lu Yikai, Bai Weiming, Zhao Shuai
基于SBAS-InSAR技术的豫北平原地面沉降监测
Land Subsidence Monitoring in North Henan Plain Based on SBAS-InSAR Technology
吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(4): 1182-1191
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2019, 49(4): 1182-1191.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180126

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收稿日期: 2018-05-23

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