基于SBAS-InSAR技术监测廊坊市地面沉降.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:廊坊市科技支撑计划项目();中央高校基本科研业务费资助项目()作者简介:江培华(),男,湖北黄冈人,硕士,华北科技学院建筑工程学院讲师,研究方向:测量数据处理。:移动扫码阅读:江培华,胡宝俊,唐伟 基于 技术监测廊坊市地面沉降 华北科技学院学报,():,():基于 技术监测廊坊市地面沉降江培华,胡宝俊,唐 伟(华北科技学院 建筑工程学院,北京 东燕郊;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京)摘 要:地面沉降是廊坊市范围内的缓变地质灾害,为了分析该地区地表沉降特征,采用 时序分析方法,分别对 卫星 年 月至 年 月升、降两轨数据进行处理,得到雷达视线向形变,并进行
2、融合分解得到垂直沉降和水平形变。结果表明,研究区内最大沉降速率达到 ,其间包含天津武清廊坊霸州和廊坊固安县保定雄县 个明显沉降漏斗。其中,廊坊固安县保定雄县工业区由于受 年南水北调工程的影响,地下水得到充分补给,地面沉降趋缓。受降雨影响,地表形变存在季节性波动。此外由于出台了地下水限采、禁采等措施,深层地下水位开采得到了有效控制,水位下降幅度减缓,年累积沉降量呈现逐年递减趋势。关键词:地面沉降;廊坊市;沉降漏斗;垂直向沉降中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,(),:,第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 ,:;引言地面沉降是一种在自然或人为因素下导致地下松散岩层固结压缩,并引
3、起地面一定范围内标高降低的地质现象,。对于这种前期难发现、影响范围广、治理难度大的地质灾害已成为影响我国经济社会可持续发展的重要因素。近年来,由于地下水过度开采而带来的地面沉降问题越来越引起人们的关注,华北平原更是此类地质灾害的受灾区,地表非均匀的沉降已经对人民的生产生活带来了严重的经济损失,特别是对城镇线状工程的破坏。为了避免此类地质灾害继续造成威胁,必须对地表沉降情况进行有效监测和防治。目前,地面沉降的监测方法主要有分层标监测、高精度水准测量等。这些传统的监测手段不仅耗资巨大,而且效率不高,传统监测方法中水准测量复测时间跨度过大,而分层标和 高程测量空间分辨率低,均不利于局部地区形变场时空
4、演化特征分析与研究。合成孔径雷达差分干涉测量(,)技术是近二十年发展起来的一种新型空间对地观测技术,可以利用重复观测的合成孔径雷达(,)影像相位信息获取大范围、高精度、面状分布的地面沉降形变信息,且监测精度理论上可以达到 级。同时,依据雷达卫星的过境频率,实现地面沉降的动态跟踪监测,对地质灾害的预防做出了突出的贡献。然而,传统的 技术由于其易受大气效应的影响,以及精度低的局限性,为此,基于传统 技术的局限性研究分析,提出了永久散射体合成孔径雷达(,)和小基线集合成孔径雷达干涉测量技术(,),这两种时序 技术通过提取散射信息稳定的点反演形变信息,克服时空失相关,并通过时空滤波方法改正大气延迟误差
5、问题。廊坊地区地下水的过度开采和城镇化建设发展迅速,蒋喆等利用 年 数据基于 技术对廊坊市进行了监测分析,得出廊坊地区的广阳区南尖塔镇存在明显的地面沉降,最大沉降速率达 ,累计最大沉降量达 。周吕等获取 年覆盖廊坊地区 景 影像数据,基于可同时获取点目标和分布式目标沉降信息的 多 时 相 (,)技术,并结合前人研究结果、地下水开采以及工业发展状况等研究分析了廊坊市的地面沉降时空特征。李海君等结合振幅离差指数与相干系数识别,采用 年覆盖廊坊北部地区的 景 重轨影像数据使用 技术,选取 点,借助 平台,对研究区进行沉降监测、沉降差异性特征与成因进行分析。周旭等利用 算法发展而来的()时序分析模型,
6、分析了 幅 影像数据,研究表明利用时序 技术进行城市地表沉降监测具有良好的精度和稳定性。上述研究均只获得雷达视线方向(,)的形变信息,并假设形变只发生在垂直向,将 形变简单投影为垂直方向,存在一定的误差。廊坊市受城市工业、生活开采深层地下水的影响,形成了以城区为中心的地下水位漏斗,漏斗断面呈上宽下窄的“”字形。近年来,廊坊市陆续出台了地下水限采、禁采等管理办法,并关停了城区自备井,深层地下水位开采得到了有效控制,水位下降幅度减缓。本文基于 卫星 年 月至 年 月升、降两轨数据,利用 方法获取了 个轨道的 形变,并将两者融合获取了垂直向和水平向形变。在此基础上,分析了廊坊市地面沉降的时空演变格局
7、。第 期江培华等:基于 技术监测廊坊市地面沉降 研究区和数据 研究区概况廊坊市位于河北省中部偏东,由于 年行政区划变动,北京和和天津地域相交,使廊坊形成北部三县(市)与境域主体不相连接的版图,其北起燕山南麓丘陵地区,和首都北京为邻,南接壤沧州,可抵黑龙港流域。西连保定市的涿州、雄县、高碑店,东交天津市武清区、宝坻区、蓟州区,地处京津冀城市群核心地带、环渤海湾腹地;廊坊市辖安次区、广阳区两个区、三河市、霸州市两个县级市以及香河县、永清县、固安县、文安县、大城县和大厂回族自治县六个县,总面积约 ,截至 年末,常住人口为 万人。廊坊市受地质构造的影响,大部处于凹陷地区,随着地壳下沉,地面逐渐被第四纪
8、沉积物填平,致使新生界地层沉降厚度较大,全市地貌比较平缓单调,以平原为主,一般高程在 之间,平均海拔 左右。由于洪积、冲积作用和河流多次决口改道淤积,沉积物交错分布,加上风力及人为活动的影响,境内地貌差异性较大,缓岗、洼地、沙丘、小型冲积堆等遍布,全市地貌呈现大平小不平状态。研究区属于华北平原中北部,廊坊市南部整个区域,介于东经 ,北纬 之间,范围如图 中黑色粗线包含的区域。图中黑色粗线为廊坊市行政区划。方框为 卫星的覆盖范围(红色方框为升轨,黄色方框为降轨)。数据 卫星是欧洲航天局哥白尼计划(,)中的地球观测卫星,由两颗载有 波段合成孔径雷达的卫星组成。本研究收集了 年至 年的升轨(、)和降
9、轨()两个轨道数据,其中升轨数据为 年 月至 年 月共 幅影像,覆盖范围如图 中红色框所示。降轨数据为 年 月至 年 月共 幅影像,覆盖范围如图 中黄色框所示。本文在选取时空基线时,时间基线阈值选择图 研究区示意图 天,空间基线阈值选择 ,对于时空基线不相连的情况,特别是在降轨影像间,因此手动增加相关干涉对(图()中红色线),干涉对组合时空基线如图 所示。最终,升轨数据共生成 个干涉对,降轨数据共产生 个干涉对。算法重在应用短基线的差分干涉图集,集合内的影像对基线距小,而集合间的影像对基线距大,集合构成相位回归分析的序列,用均值相干系数作为相干目标识别的指标,再根据最小范数准则,利用奇异值分解
10、算法逐个分离相位成分,实现每个相干目标形变序列的获取,减少空间和时间去相关影响,保证精度与可靠性。分析方法 方法 方法为了在提高点目标密度的同时保持干涉图中的相干性,采用多主影像方式,通过组合时间和空间基线阈值内的干涉对,提取在一定时间内保持相干的分布式散射体目标。假设获取同一地区、时间分别为,的 幅 影像,这些影像可以生成的干涉图数量为,且 满足:()()其中第 幅干涉图为 和 两个时刻的 影像组合而成,第 幅干涉图在某一地面目标点处的干涉相位 表示为:华北科技学院学报 年第 期图 升降轨数据干涉对组合时空基线()()式中,为波长;和 为 和 两个时刻相对起始时刻 卫星视线向 的累计形变量;
11、为地形残差相位;为大气延迟相位;为噪 第 期江培华等:基于 技术监测廊坊市地面沉降声相位。在估计并移除上述三个相位分量后,上式简化为:()()为了获取时序形变信息,上式中的相位变化与时间成线性关系:()相应的,第 幅干涉图的相位值可以表示为:,()()进一步,上式用矩阵形式表示为:()式中,矩阵大小为,由于 为多主影像策略,矩阵 容易存在秩亏,利用奇异值分解方法可以求出最小范数意义上的最小二乘解。升降轨融合方法对升降轨数据进行融合分解可以获取地表水平东西向和垂直向形变分布信息。如图 所示,展示了 侧视成像几何及三维坐标下的角度参数。图 侧视成像几何及角度参数 干涉图中某个像素的视线向 的形变实
12、际上是该像素点三维位移分量在视线向的投影之和,如下:()式中,为视线向形变量;为雷达信号入射角,即视线向与垂直方向的夹角;为卫星航向角。地面的位移矢量,为沿东西方向的形变分量,为沿南北方向的形变分量,为沿垂直方向的形变分量,可将视线向的沉降量,由式()分解得,()其中,卫星为近极地轨道卫星,且为右侧视观测方式,对垂直方向位移的敏感度最高,对东西方向位移的敏感度次之,对南北方向位移的敏感度最低。即使利用多个 轨道数据的形变观测量可以对地表三维位移量进行分解,但对南北向形变估算精度也很不可靠,但垂直向的位移分量估算精度能够达到与常规 形变测量得到的视线向形变结果相当。两个水平方向形变分量中,东西方
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