利用InSAR Stacking技术监测雷州半岛沉降.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn利用InSARStacking技术监测雷州半岛沉#降**杜亚男，冯光财，彭星，李志伟5（中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083）摘要：由于长利用InSARStacking技术监测雷州半岛沉降期过量开采地下水，雷州半岛出现了大范围的地面沉降，并伴有地裂缝、坍塌等地质灾害，严重影响了人们的生命财产安全和当地国民经济发展。针对该地区InSAR数据量少和空气中水汽丰富导致的大气影响特别严10重等问题，本文采用InSARStacking技术监测雷州半岛的地面沉降。利用ALOS/PALSAR两个相邻Track的11个观测时间的43景影像，成功获取了整个雷州半岛的平均形变速率场。结果表明：(1)雷州半岛的地表形变主要沿湛江市、雷州湾及北部湾分布，沉降速率一般在12mm/yr左右，也有少数地区沉降速率较快，达到32mm/yr，半岛的北部和西部的形变较小(<6mm/yr)。此外，雷州半岛的西部、西南部部分沿海地区存在2mm/yr左右缓慢的抬升；15(2)在地表沉降的演化方面，随着城区范围不断扩大，以及城市中心区域开采地下水的限制，地表沉降中心逐渐从城区转移至郊区，且与地下水水位的变化趋势相吻合；(3)地表沉降与人口密度、城市化进程和农田面积有密切的关系。本文的地表形变研究成果对合理规划地下水开采和城市建设有重要参考意义，同时也对当地政府部门地质灾害减灾决策支持有着重大的意义。20关键词：雷州半岛；PALSAR；Stacking；地下水开采；地表沉降；地表抬升DetectingthesubsidenceofLeizhoupeninsulausingInSARstackingtechnologyDUYanan,FENGGuangcai,PENGXing,LIZhiwei25(SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha410083)Abstract:Becauseofthelong-termexcessiveexploitationofgroundwater,awiderangeofgroundsubsidenceappearedinLeizhouPeninsulacomeswithothergeologichazardssuchasgroundfissureandcollapse.Thesehazardshaveaffectedthesafetyofpeople"slifeandpropertyandthedevelopmentoflocaleconomicseriously.However,nomonitoringresearchexiststoaccuratelydetectthewhole30peninsulaalthoughtherearefewresearchhasbeendoneonthedeformationmonitoringinLeDetectingthesubsidenceofLeizhoupeninsulausingInSARstackingtechnologyizhoupeninsulaandtheirresultsarelimitedtourbanareawithtraditionalleveling.Therefore,wecannotanalysisthedistributionofthelandsurfacedeformationandthespatial-temporalevolutioncharacteristics,andthecausesofthesurfacedeformationaccuratelyduetothelackofthehighprecisionandlargeareadetectingmethods.35WeappliedInSARstackingtechniquetostudythesubsidencephenomenabyusing43imagesintwoadjacentTrackofALOS/PALSAR.Theresultsshowthat:(1)thesettlementmainlydistributesalongtheZhanjiangcity,LeizhouBayandtheNorthBay.Thesubsidencerateintheseareasisgenerallyabout12mm/yrwhilesomeareasshow32mm/yr.Inthenorthernandwesternoftheisland,therateissmall(<6mm/yr).Moreover,thereisaslowuplift(~2mm/yr)inthecoastalareasofthewestern;(2)40characteristicsofspatial-temporalevolutionarefound.Withtheexpansionofthecityscaleandtherestrictionofgroundwaterexploitationinthecenterarea,themeansubsidencerateinurbanissmaller(~2mm/yr)whiletherateinsuburbanincreasedfrom12mm/yrin2001to32mm/yrwhichisconsistentwiththedevelopmentofgroundwaterlevel;(3)acloserelationshipbetweenthesurfacesubsidenceandurbanization,populationdensityandgroundwaterlevelisobtained.Therefore,the45resultsoflandmovementsinthispapercanperformwellonguidingtotherationalexploitationof基金项目：教育部博士点基金（20130162110015）作者简介：杜亚男（1988-），女，博士研究生，主要从事InSAR获取数字高程模型和监测地表形变等研究通信联系人：李志伟，男，博士生导师。主要从事InSAR地震、火山监测及参数反演；InSAR监测冰川和冻土运动及参数反演；InSAR监测城市、矿区地表变形；高分辨率InSAR监测城市基础设施和大型构筑物变形和InSAR图像处理理论等研究.E-mail:zwli@csu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cngroundwater,urbanplanning,andalsohasasignificanteffectiononthegovernmentdecisionmaking.Keywords:Leizhoupeninsula;PALSAR;Stacking;exploitationofgroundwater;landsubsidence;landuplift500引言雷州半岛位于广东省西南部，面积约8888平方公里（如图1所示），是我国三大半岛之一。岛上气温高、蒸发量大、降水量少等特殊的气候特点使其土壤表层极易干燥，又因为该[1]地区地势平坦，难以兴建更多的蓄水工程，使得该区域旱灾频发。到2001年止，湛江市由于过度开采中层承压水导致陆域地面沉降面积达220km²，主要分布在沿海地带，且最大的沉[2]55降量已达到178.7mm。此外，雷州半岛还频发地裂缝、坍塌等地质灾害，主要分布于雷州半岛的中南部和北、西部。无论是过分抽取地下水造成的地下水枯竭和地面沉降、还是频发的地裂缝、坍塌等地质灾害都对当地居民的生命财产安全、农业生产以及经济发展都造成了严重影响。近年来迅速发展的差分干涉雷达技术（D-InSAR，DifferentialInterferometricSynthetic60ApertureRadar），具有高空间分辨率、高精度（形变精度达到厘米级，速率精度达到毫米级）以及大范围空间连续覆盖等众多优势，与传统形变监测方法相比，可以为地表形变监测提供更为详细的信息。但是，时间、空间上的去相关及不同时相上大气扰动、DEM误差等因素都会影响DInSAR的监测能力和精度，为了削弱大气扰动和DEM误差对DInSAR形变监测的影响，研究者相继提出了永久散射体干涉测量技术（PermanentScatterersInSAR,[3][4]65PS-InSAR）、短基线集技术（SmallBaselinesSubset）和干涉图叠加技术(Interferogram[5,6]Stacking)。本文采用InSARStacking技术对雷州半岛的地面沉降进行监测，并根据监测结果分析该地区地表形变的空间分布和时空演化特征及地表形变的成因。1Stacking技术假设有N景SAR影像，通过选择n个独立的干涉对，第i个干涉对的相位为φ，时间i70间隔为t，t为干涉图时间间隔的累计值。利用干涉图叠加技术可得到的平均形变速率icum[5,6]为：（以下公式代表相位变化率，不代表速率）Kii1Vi1,...,KobsKtii1(1)假设干涉图中的大气延迟影响为独立同分布的随机量，且标准差为E。根据误差传播定理可知平均形变速率的中误差为：nEvobst75cum(2)对于第i个干涉对，其相位组成为：-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnidef,itopo,iatm,iorb,inoise,i4B,iztopo,iRsinatm,inaionospdecor(x,y)aaxayaxyorb,i0123(3)其中，
为形变相位、φ为地形残差相位、φ为大气相位、φ为残余def,itopo,iatm,iorb,i轨道相位、φ为噪声相位。B为垂直基线、Δz为高程误差、λ为波长、R分别为卫noise,i80星至地表斜距、θ为卫星入射角、x,y分别为沿轨道方向和垂直轨道方向的坐标。则：KKKKKKidef,itopo,iatm,iorb,inoise,ii1i1i11i1i1i(4)由于轨道残差相位、噪声相位在时间、空间上均不相关，大气相位在时间上不相关，且轨道KK[7]残差相位可以采用二次多项式进行去除，因此经过上述叠加后，orb,i/ti、i1i1KKKKnoise,i/ti、atm,i/ti很小，可以忽略不计。故公式(4)可改写成以下形式：i1i1i1i1KKKKK4idef,itopo,idef,iB,i85i1i1i1i1Rsini1(5)KK上式表明，只有当B,i接近为0的时候DEM残差才能进行忽略，而B,i一般情况下i1i1[8]不为0，不过我们可采用参数估计或者Samsonovetal.2010年提出的方法进行减弱。通过以上叠加技术，我们可以得到形变速率。90图1雷州半岛所处位置，其中红色线条为断裂带，黑色方框为Track466和Track467的覆盖范围Fig.1ThelocationoftheLeizhouisland.TheredlinerepresentsthefaultzoneandtheblackrectanglerepresentsthecoverageofTrack466and467-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2雷州半岛沉降计算95本文为了监测整个雷州半岛区域，我们应用了2个升轨Track的ALOS/PALSAR影像(如图1和表1所示)。每个Frame的覆盖约为70km*70km，累计覆盖达约19600km²。表1本文选取的ALOS/PALSAR数据的参数Tab.1TheparametersoftheALOS/PALSARimagesselectedTrackFrame时间垂直基线TrackFrame时间垂直基线46640020070305-62467390,400,41020061220-100546640020070905512467390,400,41020070204-55046640020080121928467390,400,41020070807-4946640020080723-384467390,400,41020071223046640020090310-644467390,400,4102008020764846640020090910-289467390,400,41020081225-1613466400200912110467390,400,41020090209-113546640020100126439467390,400,41020090627-69646640020100313802467390,400,41020091228-21546640020100729954467390,400,41020100212207467390,400,41020100630400100首先，利用GAMMA软件对Track467的三个连续Frame390/400/410/进行raw数据拼接，分别获得Track466、467的单视复数SLC影像；然后，将Track466和Track467的影像分别配准到各自的主影像20090910和20071223上，通过两两组合分别得到45和55个干涉对。为了抑制相位噪声，对干涉图进行方位向距离向16*6的多视处理，采用90米分辨率v4.1SRTM除去地形相位，从而获得差分干涉图。由于ALOS/PALSAR数据轨道信息不够精105确，在去除平地相位和地形相位后，差分干涉图中仍存在明显的轨道残余相位，本文采用中[9]南大学朱珺等于2011年提出的基于条纹频率方法移除SAR的线性趋势。再利用改进的[10]Goldstein方法对这些去除线性趋势的差分干涉图行滤波。通过人工屏蔽的方法避免或者减弱低相干区域（海域及孤立的岛屿(硇洲岛)）对相位解缠的影响，使其不参与解缠计算，对滤波后的差分干涉图中相干性高于阈值(本文选择0.7)的点采用最小费用流(MCF)方法进110行解缠。此处，由于非线性残余轨道相位在解缠后的相位图中仍存在，特别是在三个Frame拼接的Track477中，因此本文进一步采用二次多项式来去除残余的非线性轨道残差。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图2Track466和Track467的时空基线分布图，左图为Track466以20091211为主影像的31个干涉图，115右图为Track467以20071223为主影像的36个干涉对。Fig.2ThespatialandtemporalbaselineofTrack466and467.Leftmapincludesspatialandtemporalbaselineinformationabout31interfergramsofTrack466andthematerimageis20091211.Rightmapincludesspatialandtemporalbaselineinformationabout36interfergramsofTrack467andthemasterimageis20071223.120由于本文的研究区域较平坦（图1），与高程相关的大气也可以忽略。通过Stacking技术获得Track466、Track467各31和36对干涉图，其基线情况见表1、2，分布见图2，并通过上述的数据处理，将最终得到的各差分干涉相位转化视线向的形变量，代入到式(1)中，得到覆盖雷州半岛区域的两个Track的平均形变速率图，结果如图3所示。正值代表靠近卫星的方向(抬升)，负值代表远离卫星的方向(沉降)。125图3雷州半岛平均形变序列，正值代表靠近卫星的方向（抬升），负值代表远离卫星的方向（沉降），红色虚线框为主要的形变区域，a,b,c,d为四个典型的形变区域。Fig3TheaveragevelocityofLeizhouisland.ThecolorscaleshowsyellowcolorsaspositiveLOSvelocities(uplift)andredcolorsasnegativeLOSvelocities(subsidence),reddottedlinerepresentsmainlysubsidencearea130anda,b,c,drepresentfourtypicalsubsidenceareawhichanalysisinFig.4.-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3结果与讨论3.1地表形变的空间分布从图3可以看出，雷州半岛的地表形变主要集中在岛的中部和西南部，多沿湛江市，雷135州湾和北部湾分布，且沉降较分散，呈零星分布。沉降速率一般在12mm/yr左右，也有少数地区沉降速率较快，达到32mm/yr；半岛的北部和东部的形变较小，小于6mm/yr；此外，雷州半岛的西部、西南部部分沿海地区存在2mm/yr左右缓慢的抬升。我们根据沉降的类型和沉降原因选取了4个具有代表性的区域进行详细分析，见图3中的红色虚线方框。其中一处位于湛江市城区；其余三处分别位于雷州市附城镇韶山村及周围农田、麻章区的湖光铺仔140圩，临东村一带及半岛南端的灯楼角，详细形变速率图如图4所示。图44个具有代表性区域的平均形变速率,a：湛江市的平均形变速率；b：雷州半岛南端的灯楼角附近的平均形变速率,c：麻章区的湖光铺仔，临东村,d：雷州市附城镇韶山村及周围农田的平均形变速率Fig.4themeandeformationrateoffourrepresentativearea,(a)themeandeformationvelocityofZhanjiang145city;(b)themeandeformationvelocitynearDengjiaolouwhichlocatedinthesoutherntipofLenZhouisland;(c)themeandeformationvelocitynearLindongvillageandHuguangtownindistrictofMazhang;(d)themeandeformationvelocityofShaoshanvillageandnearbyareawhichlocatedinFuchengtown,LeiZhoucity.3.2地表形变的时空演化特征15020世纪80年代起，湛江市中、深层地下水开采量迅速增大，且开采范围逐渐扩大，并在麻斜、临东、平乐、沙湾、赤坎、调顺等地增加了集中开采点，地下水水位降落范围也随[11]之扩展到这些地区及其周围，漏斗中心北移至霞山中心水厂。20世纪90年代以来，随着经济的快速发展和工业化进程的加速，湛江城区不断扩大，人口加速增长，产业结构不断调-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[25]整等因素，都极大的增加了城市用水量，因此漏斗中心由霞山逐渐移到了平乐一带。从1551984年至2001年，广东省地质勘查局水文工程地质一大队先后对湛江市的地面沉降进行了4次二等水准测量，结果表明湛江市地面沉降是逐步发展起来的，且经历了慢-快-慢3个阶段，其地面沉降范围约220.59km²，并形成了赤坎沙湾、霞山潜水学校两大地面沉降中心，其沉降量分别为168.6mm和178.7mm，且最大形变速率达12mm/yr，与此同时也产生了以湛化集团、湖光铺仔为沉降中心的小漏斗，其沉降量分别为120.7mm和70.9mm，其中湖光[2,12]160铺仔的最大形变速率达到1cm/yr。本次实验结果如图4（a）所示，沉降主要表现为以赤坎沙湾村和湛化集团为中心的两个主要沉降漏斗，其最大形变速率分别为21mm/yr和[7]23mm/yr，较2001年的水准结果来说沉降有所加速；沉降漏斗由原来位于城区内部的霞山潜水学校逐步移动到接近郊区的沙湾村，而城区内部的形变趋于缓和（多小于6mm/yr），与2001年水准相比大小接近；另外，近年来在湛化集团周边修建的临港工业园区也加速了165地下水抽取，形成了另一个沉降漏斗，如图4(a)中的红圈所示，这也与地下水水位发展趋势[11]相吻合。此外，湛江市沿海地区也存在一些局部的沉降，但其范围和速率都较小。近年来，随着政府部门对因过量开采地下水导致城市地表沉降现象的关注，已经对城区地下水的开采量进行了限制，这也缓和了城区地下水水位继续下降，如图4(a)中所示的霞山区潜水学校由2001年的5mm/yr降到现在的4mm/yr。但是随着城市人口的骤增，地下水的170需求也与日俱增，为了满足对城区日常用水的补给，地下水的开采点逐步从城区转移到了郊区，这也导致了地下水水位下降的趋势由城区缓慢的转移至郊区，如图4(c)所示的麻章区湖光、铺仔圩一带的地表形变速率图。从图中我们可以清晰的看到两个大的沉降漏斗，其最大形变速率达到32mm/yr，这对周边的居民及农田已经造成一定的危害。此外，湖光附近的临[11]东水厂也加剧了地下水的抽取，已经在水厂周围形成了一个地下水水位沉降漏斗，土层175间应力的改变从而导致地表沉降，严重时还会引发次生灾害，如地裂缝，塌陷等地质灾害；[12]综上所述，赤坎沙湾、湛化集团公司仍处于缓慢沉降期，而湖光铺仔纡处于加速下沉阶段。总体上，湛江城区的沉降开始缓慢，但是郊区由于大量的工业、农业用水导致地下水位持续下降，沉降范围增大，并有继续增加的趋势。由图4所示沉降速率大的区域还集中在地貌类型简单的海积平原上，如附城镇韶山村，180南村等，多为农业用地。这些区域主要由具有较强的触变性、流变性和高压缩性的淤泥质粘土、淤泥、粉砂等构成，当地下水位下降引起脱水或者其他外营力作用下容易发生固结压缩变形，从而引起地面沉降灾害。图4(d)为雷州市附城镇韶山村及周围农田，其地形地貌如上所述，该区沉降主要位于沿海的农田区，沉降范围大，其沉降速率多小于25mm/yr，部分区域达到30mm/yr，此外，在居民居住区也形成了一个小的沉降漏斗，如图4(d)中的红色框，185其速率在6mm/yr左右，这与2008年3月该区发生的大面积农田严重塌陷和部分居民房屋[13]裂缝的情况相吻合。由于近年来雷州半岛地区连年干旱，大气降雨量少，韶山村及周围的地表水补给较少。自2001年以来，当地居民主要依靠抽取地下水进行农田灌溉及生活用水，但该处居民打井过于密集，分布不均匀，再加上成井工艺简单，这也造成对浅层、中层地下水进行混合开采，造成浅层地下水水位快速下降，进而引起土层间的作用力变化最终导190致地面沉降，对当地居民的生产和生活造成了严重的影响。除了该区域的沉降，半岛还存在其他相似的地表沉降，如廉江市营仔镇沿海区，雷州市海康港旁边的虎仔塘，遂溪县洋青镇附近农田等，主要依靠地下水进行灌溉，进而导致地表沉降，且农田区越大其沉降范围越大，因此，合理抽取地下水进行灌溉显得尤为重要。此外，雷州半岛除了地表沉降外还存在构造运动引起的地表缓慢抬升、地裂缝等不良地-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[14,15,16]195质现象。新生代以来区内主要表现为受构造应力场控制的强烈的地壳运动和区域性东西向断裂的构造格架，其中著名的四会-吴川大断裂进入南海后分散为两支，其中一支往南西延伸，沿南三岛、东南岛西部经雷州湾从雷州半岛中部经海康港入北部湾，见图1。半岛的西部、西南部部分沿海地区呈现缓慢的抬升，见图5，其速率在2mm/yr左右。图4(b)为半岛西南部的徐闻灯角楼盐场及附件的形变速率图，可以看出其沿海地区有缓慢的抬升且分[16]200布较分散，其平均速率为2.8mm/yr，这与徐起浩等人2008年得到的结果1.44mm/yr稍大，这可能受到多项式去除残余轨道的时候在边缘处引入的部分误差。总的来说雷州半岛的构造运动和地壳运动分别以区域升降运动造成的断裂活动和间歇性差异上升活动为主，且随着时间推移地壳运动逐渐减小，并接近稳定。4总结205Stacking技术能够在数据量少的情况下，能一定程度减少大气对结果的影响，从而获得可靠的地表形变信息。本文利用ALOS/PALSAR两个相邻Track的11个观测时间的数据进行Stacking计算得到整个半岛的平均形变速率，沉降速率一般在12mm/yr左右，也有少数地区的沉降较快达到32mm/yr，此外，除了地表沉降雷州半岛的西部沿海地区还存在缓慢的抬升。在地表形变的时空演化方面，随着城市化进度加快、人口密度骤增及城市中心区域开210采地下水的限制，地表沉降中心正逐步由城区转移至郊区，且与地下水水位的变化趋势相吻合；同时，地表沉降范围与农业灌溉面积存在一定的关系，随着农产品需求的增大，依靠开采地下水的农业灌溉将是导致地表沉降的一个新因素，严重时还可能导致次级地质灾害，如地裂缝，塌陷等，严重威胁到人民的生命财产安全。因此对地表沉降导致的形变分析能够得出形变与人口密度，农田面积等因素的关系，进而对政府合理规划地下水开发和城市建设有215重要参考意义，同时也对当地政府部门地质灾害减灾决策支持有着重大的意义。致谢（可选）本研究所用ALOSPALSAR数据来源于日本宇航局项目（P517和P582）。文中部分图件使用GMT4.5软件绘制而成。[参考文献](References)220[1]陈俊鸿，林旭钿，许扬生等.雷州半岛降雨历程影响地下水动态变化的特征[J].水文地质工程地质，2004，4（1）：101-104.[2]罗树文，吴捷.湛江市区滨海平原地面沉降现状与防治对策[J].中国地质灾害与防治学报，2006，17（3）：98-102.[3]FerrettiA,PratiC,RoccaF.PermanentscatterersinSARinterferometry[J].IEEETransactionsonGeoscience225andRemoteSensing,2001,39(1):8-20.[4]BerardinoP,FornaroR,LanariE.AnewAlgorithmforSurfaceDeformationMonitoringbasedonSmallBaselineDifferentialSARInterferograms[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2002,40(11):2375-2383.[5]StrozziT,WegmullerU,WernerC.WiesmannA,Measurementofslowuniformsurfacedisplacementwith230mm/yearaccuracy[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2000,5(1):2239-2241.[6]StrozziT,WegmullerU,ToslL,BitelliG,SpreckelsV.LandSubsidenceMonitoringwithDifferentialSARInterferometry[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing,2001,67(11):1261-1270.[7]FengGC,DingXL,LiZW.CalibarationofanInSAR-DerivedCoseimicDeformationMapAssociatedWiththe2011Mw-9.0Tohoku-OkiEarthquake[J].IEEEGeoscienceandremotesensingletters.2012,9(2):302-306.235[8]SamsonovS.TopographicCorrectionforALOSPALSARInteferometry[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2010,48(7):3020-3027.-8- 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