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采用TerraSAR-X数据监测西安地裂缝形变

2016-05-29 11:42:34来源:武汉大学学报 编辑:kin浏览:

世界上多个国家均遭受地裂缝灾害,尤其以美国中西部以及中国华北、华南、东北和汾渭盆地最为典型。城市地裂缝无论在空间延伸的长度、形变的影响带宽还是形变的量级上比构造断裂都要小得多。但是,一些城市地裂缝与活动构造以及地面沉降综合发生使得灾害更加复杂,破坏性也更大。地裂缝的出现不仅对建筑物、桥梁、土地利用等造成破坏,特别对难以避让的线性工程危害性更大,如西安市目前设计和在建的纵横6条地铁,多数与地裂缝正交或斜交,因此,需要开展地裂缝的定位与监测研究。

由于地裂缝形变具有较小的裂缝宽度、较长的空间展布和一定宽度的形变带宽等特点,而且一些地裂缝具有隐伏性,在地裂缝定位方面通常采用工程地质调查的方法进行地质图填绘。而对已知地裂缝的监测通常采用跨越地裂缝的短水准剖面和GPS对点等方法来进行监测。赵超英等采用基于InSAR的方法对西安历史活动地裂缝及其随时间的变化进行了研究和实验,而在InSAR地裂缝监测方面主要采用基于干涉图堆叠法和基于人工角反射器(CR)的InSAR监测方法。SAR卫星的分辨率是地裂缝定位与监测的主要制约因素之一。2007年德国TerraSAR卫星的发射,SAR数据的分辨率提高到了3m,而且监测精度也比C波段的数据提高了近两倍,开拓了新的应用领域,也为地裂缝的应用提供了重要的数据支持。近年来,随着西安市的逐步扩张,相继出现了多条新的地裂缝。最新调查发现,西安地裂缝已增加至14条,并向南跨越长安-临潼断裂带发展了4条长安地裂缝。为此,本文研究采用2009~2010年获取的6景TerraSAR-X数据对西安-长安地裂缝近年的活动性进行了监测与验证。

1 小基线集技术与人工角反射器

1.1 小基线集技术

随着SAR数据的增加,为了提高InSAR监测形变的精度,可以采用设置空间基线和时间基线的超短基线InSAR技术(即SBAS法)。对于任一干涉图j,当去除平地相位和地形相位后,其(x,r)像元对应的解缠相位可表示为:

式(1)右端前三项可以表示为:

式中,λ为波长;TerraSAR为X波段;波长为3.1cm;M表示干涉图总数。假设N表示所有SAR影像数,则有:

假定不同干涉图之间的形变速率为Vk,k+1,k为SAR影像的序列号,则tA~tB间的累计形变可以表示为:

对M个解缠相位进行最小二乘或奇异值分解(SVD),即可求出不同SAR获取期间的形变速率Vk,k+1。

1.2 人工角反射器技术

当有M+1个角反射器,N+1幅SAR影像,选取其中一幅影像作为主图像,可以形成N个干涉对,其中包含了M+1个CR点的相对于主影像的变形相位。当去除地平效应后,并选取其中一个比较稳定的CR点作为参考点,则其他的CR点相对于参考CR点的差分相位可以表示为:

设影像获取期间为线性形变,地形相位通过GPS测量值精确消除,大气相位通过设置CR点间的距离来消除,则式(4)可简化为:

对于整周未知数,借鉴GPS中求解整周模糊度的LAMBDA方法,首先采用虚拟观测法解决式(5)的秩亏问题,然后应用LAMBDA算法分两步求出整周模糊度ΔKi,j,最后代入式(5)求出CR点之间的相对形变速率Vj。

 

2 西安地裂缝TerraSAR监测实验

2.1 数据介绍

本实验采用6景3m分辨率的TerraSAR-X数据进行干涉处理,外部DEM选取3弧秒的SrtmDEM,设置时间基线阈值为110d,空间垂直基线分量阈值为350m,从而生成了15个干涉组合,如表1所示。

表1 TerraSAR干涉组合数据表

2.2 计算方案

为了获取高精度和高可靠性的地面沉降和地裂缝形变结果,本文采用3种InSAR监测方案,并对监测结果进行了实地验证。

2.2.1 方案一:小基线集技术分析

选取覆盖西安-长安地裂缝12000×18000个像元的区域进行解算。首先采用超短基线方法对表1中15个干涉组合进行配准、差分、滤波和相位解缠,并对相位解缠图进行解缠误差的探测与改正。对15个干涉图进行比较来确定干涉图中是否含有大气效应。

2.2.2 方案二:二轨法差分形变分析

由于TerraSAR干涉中受到严重的基线去相干、时间去相干以及城市环境下高层建筑导致的外部DEM误差影响,由高程模糊度可知,对于TerraSAR数据,侧视角θ=28.6°,斜距ρ=576km,则有:

对于垂直基线为100m的干涉对,即使20m的高程误差,也会导致0.8cm的垂直形变误差。为此选取垂直基线最短的第10个干涉组合进行了二轨法处理,结合SBAS相位解缠图,认为该干涉图中可以忽略大气误差的影响,最后分析了和f11两侧的两对人工角反射器在6景SAR影像获取期间的相对形变时间序列结果。

3 结果分析

3.1 SBAS结果

图1为15个差分干涉图,可见其去相干非常严重。其中干涉组合1、8、10、12、14效果较好,从这几个干涉图中也可以看出它们具有一致的干涉纹图,说明大气效应对这几个干涉图影响不明显。

3.2 二轨法差分结果分析

对表1中第10个干涉组合进行二轨法差分解算,其地理编码后的形变图如图2所示,参考点选择为位于西安市西郊的某稳定区域,图中叠加了14条西安地裂缝和4条长安地裂缝(编号从北向南),同时有XJ07、XJ08和XJ02、XJ03两对人工角反射器分别安置在f3和f11地裂缝的两侧。一条剖线从北向南穿越了f6至fc4共13条地裂缝,该剖线位置也是西安在建的2号地铁经过的线路。

图1 15个干涉组合的差分干涉相位图

从图2可以判断出该监测区域有3个地面沉降区域,分别为胡家庙、西安高新区和曲江新区,其44d的垂直形变最大已达1.5cm。另外,还探测出3个地面上升的区域,分别为位于长安区的A区域,位于高新区的B区域和位于西郊XJ07和XJ08安置角反射器的区域。上升量级最大已达1.5cm。为了检验InSAR监测地裂缝活动的准确性,于2010-07-13对A、B两处上升区域经过实地调查,发现存在明显的地裂缝现象,如图2(B)和2(c)所示。而且照片两处的裂缝是于2009年9月份开始出现的,是f11地裂缝向西延伸的结果。

图2 西安地裂缝地面沉降形变图(44d)

图3显示了穿越13条地裂缝的形变特征,从中可以看出大部分地裂缝没有出现在形变最大的地方,而是出现在稳定区域与形变区域的转折部位,包括稳定区域与沉降区域以及稳定区域与上升区域的结合部。从地裂缝的活动性来看,f1~f10在这一时间段不太活跃,而f11~fc3为明显活跃的地裂缝。结合图2中工程勘察地裂缝的位置可以看出,仍有一些新的地裂缝没有调查到,如A、B两处,因此,采用高分辨率InSAR技术可以指导地裂缝调查。另外,有些已查明的地裂缝其地面位置不太准确,也可以采用InSAR辅助的办法对其平面位置进行修正。最后,对于历史调查中推测为隐伏地裂缝也可采用InSAR监测成果

图3西安-长安地裂缝形变剖线图

3.3 CR-InSAR地裂缝监测结果分析

对6景TerraSAR影像,选择最开始的一景作为主影像,其他影像均与其配准,并进行CR解算,获取了两对CR相对形变的时间序列结果,如表2和图4所示。

表2 CR-InSAR监测结果表

从图4可以看出,地裂缝f3活动性很弱,仅为1mm,而地裂缝f11两侧的形变差异在88d达到3mm。进一步比较图4与图5,二轨法差分方法与CR-InSAR在监测f11地裂缝中得到了类似的结果,说明地裂缝没有出现在形变量最大的地方。

图4 f3和f11两侧CR-InSAR监测时间序列结果

4 结语

1)相对于C波段数据,X波段的TerraSAR数据时间去相干与基线去相干非常严重,而在城市环境下高层建筑导致的外部DEM误差也是TerraSAR进行差分干涉的另一主要误差源。

2)采用基于超短基线方法,可以很好地比较多个干涉图的条纹特征,从而定性地分析干涉图中是否存在大气效应,并对相位解缠误差进行识别与改正。

3)基于垂直基线仅有5m的一对干涉图,获取了44d的地表垂直形变,揭示了西安地区存在活动的地裂缝现象,而且地裂缝出现在稳定区域与形变区域的结合部,采用高分辨率InSAR干涉技术有望指导野外地裂缝调查。

4)基于CR-InSAR技术能高精度地监测地裂缝两侧的相对形变以及随时间的变化特征。

5)对于本文发现的多处地面沉降与上升的区域还需进一步研究深部构造以及近年地下水变

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