雷坤超，陳蓓蓓，宮輝力，賈三滿

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048）

超量開采地下水引發(fā)的地面沉降已成為全世界廣泛關(guān)注的地質(zhì)環(huán)境問題。由于傳統(tǒng)監(jiān)測手段的缺陷，在過去很難準(zhǔn)確定義形變區(qū)域的范圍、形變幅度以及季節(jié)性形變特征［1］。隨著星載合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(DInSAR)技術(shù)的問世及發(fā)展，以其實時動態(tài)、大范圍、高精度的特點(diǎn)已經(jīng)在地面沉降、火山運(yùn)動、地震、冰川漂移等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力［2～3］。2000 年，A Ferretti等［4～5］首次提出永久散射體干涉測量技術(shù) (Permanent Scatterer for SAR Interferometry，PS-InSAR)，該方法通過選取那些自身散射特性較強(qiáng)并且相位信息較為穩(wěn)定的地面目標(biāo)點(diǎn)作為地表形變信息的表征，可以有效降低空間、時間失相關(guān)及大氣延遲的影響，準(zhǔn)確獲取PS點(diǎn)形變信息，提高了地面沉降的監(jiān)測能力。2004年，Hooper等人［6］提出了一種新的PS點(diǎn)識別及相位組分的分析方法—StaMPS，該方法利用SAR圖像上像元幅度離散指數(shù)和相位空間相關(guān)性進(jìn)行相干目標(biāo)點(diǎn)選取，通過引入大氣延遲校正模型減弱大氣延遲的影響，進(jìn)而獲得地表形變信息。

本文采用改進(jìn)后的永久散射體干涉測量算法(StaMPS)，利用覆蓋天津地區(qū)的16幅 Envisat衛(wèi)星ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行永久散射體干涉處理，獲取天津2004～2008年時間序列地面沉降演變特征，繪制沉降速率分布圖。同時將宏觀尺度地面沉降量與地下水、活動斷裂進(jìn)行耦合研究，分析不同含水層系統(tǒng)地下水開采、活動斷裂對地面沉降的影響。

1 PS-InSAR方法

利用PS-InSAR技術(shù)提取地表形變之前，首先要對覆蓋研究區(qū)的多幅SAR影像進(jìn)行差分干涉處理，形成時間序列干涉影像對，再提取出不受空間、時間失相關(guān)和大氣延遲影響的穩(wěn)定地面目標(biāo)點(diǎn)，通過分離出點(diǎn)目標(biāo)上的地形相位來達(dá)到提取地表形變的目的［7］。

1.1 時間序列差分干涉處理

在所選取的N+1幅SAR影像中，選取一幅作為主圖像，其余為輔圖像。將N幅輔圖像分別與主圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，并進(jìn)行干涉處理，得到N個干涉對。對于N個干涉而言，通過引入外部DEM數(shù)據(jù)(二軌法)聯(lián)合進(jìn)行差分干涉處理，可以得到N幅干涉測量相位圖。經(jīng)過差分干涉處理后每個像元均包含如下組分［7］:

式中:φinsar——點(diǎn)目標(biāo)干涉相位；

φdef——雷達(dá)視線方向形變相位，時間域相關(guān)，空間域也相關(guān)；

φtopo——地形相位，與垂直基線相關(guān)；

φatm——大氣延遲相位，時間域不相關(guān)，空間域相關(guān)；

φorbit——軌道誤差相位，時間域上不相關(guān)。

在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中，去除這些誤差組分，是準(zhǔn)確獲取地表形變值的關(guān)鍵。

1.2 PS點(diǎn)選取

PS點(diǎn)的選取就是在N+1幅影像中挑選出那些散射特性較強(qiáng)并且較為穩(wěn)定的像素，可以是具有二面角且散射特性較強(qiáng)的建筑物體，如道路邊沿、橋梁、房屋屋頂以及裸露的巖石等。由于PS點(diǎn)的選取會影響到監(jiān)測結(jié)果的精度，因此在保證選取的PS點(diǎn)可靠的情況下，應(yīng)盡可能的多選些PS點(diǎn)。目前，進(jìn)行PS點(diǎn)選取的方法主要有四種:相關(guān)系數(shù)閾值法、振幅離差閾值法、相位離差閾值法、時序相關(guān)系數(shù)和振幅離差雙閾值法。文中采用改進(jìn)后的PS選取算法—StaMPS，即先采用振幅離差閾值法進(jìn)行PS點(diǎn)初選，再根據(jù)PS點(diǎn)的相位空間相關(guān)性進(jìn)行篩選，確定最終的PS點(diǎn)。

2 研究區(qū)概況

天津平原是華北平原的一部分，東南臨渤海，北依燕山山脈，北部為山前沖洪積平原，中南部為沖積平原，東南部為濱海沖海積平原。在區(qū)域構(gòu)造上位于天山—陰山緯向構(gòu)造帶和新華夏構(gòu)造體系的交接部，構(gòu)造十分復(fù)雜。區(qū)內(nèi)主要斷裂有寧河—寶坻斷裂、滄東斷裂、海河斷裂、天津斷裂等。天津地下水類型可分為:第四系松散巖類孔隙水、新近系松散巖類孔隙水和以碳酸巖巖溶裂隙水為主的基巖裂隙水［8］。由于地下水埋藏條件和開采程度不均衡，地下水動態(tài)變化在時空分布上存在明顯的差異性。在寶坻斷裂以北地區(qū)，地下水處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)，多年水位動態(tài)變化較小，但是以南地區(qū)，由于深層淡水嚴(yán)重超采，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，進(jìn)而誘發(fā)地面沉降。研究區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)選取

選取2004年1月～2008年12月的16景Envisat衛(wèi)星ASAR影像作為差分干涉處理數(shù)據(jù)源(表1)。以2006年3月10日ASAR影像為公共主影像，利用荷蘭Delft大學(xué)空間研究中心提供的衛(wèi)星精密軌道文件進(jìn)行SAR數(shù)據(jù)軌道信息讀取和圖像的精確配準(zhǔn)，采用美國宇航局(NASA)航天飛機(jī)測圖任務(wù)(SRTM)3″分辨率(90m)DEM進(jìn)行地形相位的去除。所選數(shù)據(jù)最大時間基線為910d，最大空間基線為300m。

表1 研究區(qū)ASAR數(shù)據(jù)選取Table 1 Selection of ASAR data in the study area

3.2 PS點(diǎn)選取結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)共識別出的永久散射體點(diǎn)744645個，城區(qū)PS點(diǎn)密度達(dá)到300個/km2，在郊區(qū)(建筑物較少地區(qū))PS點(diǎn)密度達(dá)到50個/km2，所選取的PS點(diǎn)保持著良好的相干性，比傳統(tǒng)PS技術(shù)有了較大的進(jìn)步。將選取的PS點(diǎn)與研究區(qū)高分辨率遙感影像進(jìn)行疊加分析可知，研究區(qū)內(nèi)的PS點(diǎn)大多分布在房屋的屋頂以及道路、橋梁的邊沿上。

圖2 PS點(diǎn)選取結(jié)果(白色點(diǎn))Fig.2 Selection of PS points(white points)

4 結(jié)果分析

4.1 天津地面沉降分布特征

通過差分干涉處理及PS點(diǎn)提取，獲得天津地區(qū)時間序列地面沉降速率分布圖(圖3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)地面沉降分布存在較大的差異性。沉降最嚴(yán)重的區(qū)域為西部和南部地區(qū)，其中市區(qū)、北辰區(qū)、西青區(qū)和靜海區(qū)沉降速率大都在20.91～30.74mm/a，東麗區(qū)和塘沽區(qū)是地面沉降重災(zāi)區(qū)，最大年均沉降量達(dá)到38.9mm/a。天津地面沉降在分布態(tài)勢上表現(xiàn)出不均勻的特征，寧河、寶坻和武清北部地區(qū)沉降較小，甚至出現(xiàn)地表回彈現(xiàn)象，主要是因為這幾個區(qū)縣地下水開采較少，大氣降雨對地下水形成有效補(bǔ)給所致。而市區(qū)、北辰區(qū)、西青區(qū)、靜海區(qū)、東麗區(qū)和塘沽區(qū)的地面沉降中心均已連成一片，并且有向外擴(kuò)張的趨勢，其沉降漏斗面積達(dá)1594.75km2。

圖3 年平均沉降速率與水準(zhǔn)等值線圖Fig.3 Average annual velocity of land subsidence and leveling contour map

通過將水準(zhǔn)測量獲取的沉降速率等值線與2004～2008年P(guān)S-InSAR提取的地面沉降速率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們的趨勢具有較高的一致性，這也是對PS-InSAR結(jié)果的初步驗證。隨著時間的推移，天津地面沉降速率場在空間展布上也呈現(xiàn)出動態(tài)變化的特性，沉降速率場比水準(zhǔn)測量得到的沉降等值線向東有所偏移，這可能與地下水開采不均衡有關(guān)。

4.2 地面沉降與地下水相關(guān)性分析

天津地下水降落漏斗主要分布在市區(qū)、北辰區(qū)、西青區(qū)、靜海區(qū)、東麗區(qū)和塘沽區(qū)，隨著地下水的持續(xù)開采，這些地區(qū)的地下水位仍處于下降的趨勢。將InSAR監(jiān)測到的時間序列地面沉降速率分布圖與不同含水層系統(tǒng)等水位線進(jìn)行耦合(圖4～7)分析發(fā)現(xiàn):(1)地面沉降漏斗多發(fā)生在地下水超采區(qū)內(nèi)，沉降中心與地下水漏斗中心并非完全吻合，沉降漏斗有向東偏移的趨勢。其主要原因可能是軟土層固結(jié)速度滯后于地下水水頭變化所致［9］，并且不同地區(qū)的軟土層厚度對該區(qū)域地面沉降的發(fā)生、發(fā)展也有顯著影響。(2)不同含水層系統(tǒng)水位變化對地面沉降貢獻(xiàn)有所不同，中深部承壓含水層(50～100m、100～180m)地下水開采對地面沉降影響較大，是地面沉降的主要貢獻(xiàn)層。

圖4 潛水層水位埋深等值線圖Fig.4 Contour map of ground weter levels in the unconfined aquifer

圖5 承壓含水層Ⅰ等值線圖Fig.5 Contour map of ground weter levels in theⅠconfined aquifer

圖6 承壓含水層Ⅱ等值線圖Fig.6 Contour map of ground weter levels in theⅡconfined aquifer

圖7 承壓含水層Ⅲ等值線圖Fig.7 Contour map of ground weter levels in theⅢconfined aquifer

4.3 地面沉降與基底構(gòu)造相關(guān)性分析

地層巖性及結(jié)構(gòu)特征是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景。以往研究成果表明，天津地區(qū)地面沉降災(zāi)害主要由于過量開采地下水造成，但區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造是地面沉降發(fā)生、發(fā)展的第二位原因［10］。圖 8中，對 PSInSAR提取的地面沉降進(jìn)行風(fēng)險分級，分為地面沉降嚴(yán)重區(qū)、地面沉降較大區(qū)、地面沉降較小區(qū)、地面上升較小區(qū)、地面上升較大區(qū)共5個級別。將時間序列地面沉降結(jié)果與構(gòu)造斷層空間分布進(jìn)行耦合分析發(fā)現(xiàn)，天津地面沉降嚴(yán)重區(qū)主要受海河斷裂、滄東斷裂和天津斷裂的控制，其中東麗—塘沽—津南區(qū)沉降漏斗分布在海河斷裂與滄東斷裂的交匯處，沉降速率較大地區(qū)主要分布在海河斷裂以北，并沿著滄東斷裂的方向發(fā)展；武清—北辰—西青—市區(qū)沉降漏斗主要以天津斷裂為界，形成西北和東南兩大沉降區(qū)；海河斷裂與天津斷裂和滄東斷裂垂直，貫穿天津整個地面沉降區(qū)，對天津南北兩大沉降區(qū)的形成和發(fā)展起著重要作用。

圖8 地面沉降與斷層相關(guān)性比較圖Fig.8 Relationship between land subsidence and faults

圖9 剖面線分布圖Fig.9 Distribution of the profiles

為定量研究活動斷裂兩側(cè)地面沉降變化特征，分別在滄東斷裂、天津斷裂和海河斷裂垂直方向，各繪制兩條剖面線(圖9)。滄東斷裂剖面A-A'和B-B'處，斷裂帶兩側(cè)沉降量較小，有些地區(qū)呈上升狀態(tài)，但在斷裂帶中心位置地面沉降非常明顯，斷層兩側(cè)形變梯度呈漏斗狀分布，最大沉降速率為35mm/a和25mm/a。天津斷裂剖面C-C'處，沉降區(qū)分布在斷裂兩側(cè)，沉降最嚴(yán)重的區(qū)域分別發(fā)生在距斷裂帶中心5km處，呈“W”狀分布；而在D-D'處，沉降速率沿剖面線由西向東逐漸增加，最大沉降速率為32mm/a，斷層兩側(cè)形變梯度達(dá)到47mm。海河斷裂剖面E-E'處，斷層兩側(cè)形變梯度較大，達(dá)到45mm，沉降最嚴(yán)重區(qū)域距斷裂帶中心6km，最大沉降速率為28mm/a；海河斷裂剖面F-F'處，沉降中心與斷裂帶中心重合，形變梯度呈“V”狀分布，最大沉降速率達(dá)到43mm/a(圖10)。由此可知:天津地區(qū)地面沉降存在明顯的構(gòu)造控制特性，斷層上下盤處地表形變梯度較大，推斷其原因可能是斷層兩側(cè)可壓縮層厚度不同，同時受斷層上下盤滑動作用的影響所致。

圖10 斷層兩側(cè)形變梯度圖Fig.10 Deformation gradient map on both sides of the faults

5 結(jié)論與探討

(1)天津地區(qū)地面沉降分布差異性較大，不均勻沉降特征明顯，西南部地區(qū)為沉降重災(zāi)區(qū)，并有東移的趨勢。

(2)地面沉降漏斗多發(fā)生在地下水超采區(qū)內(nèi)，沉降中心與地下水漏斗中心并非完全吻合，向東偏移，可能由于軟土層固結(jié)速度滯后于地下水水頭變化所致，并且與軟土層厚度有關(guān)。中深部承壓含水層(50～100m、100～180m)地下水開采對地面沉降影響較大，是地面沉降的主要貢獻(xiàn)層。

(3)天津地面沉降存在明顯的構(gòu)造控制特性，主要受海河斷裂、滄東斷裂和天津斷裂影響，斷層兩側(cè)形變梯度較大。

探討:(1)PS-InSAR技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢和高精度，無疑將成為今后地面沉降監(jiān)測的主要手段之一，但目前仍存在一些問題尚未很好解決，尤其在相位解纏算法方面仍需持續(xù)改進(jìn)。(2)InSAR技術(shù)與水文地質(zhì)學(xué)交叉研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)，InSAR的發(fā)展提高了對含水層系統(tǒng)壓縮變形空間分布的刻畫，促進(jìn)了對水文地質(zhì)單元和含水層系統(tǒng)的認(rèn)識，給水文地質(zhì)學(xué)研究帶來新的視角。但在其它水文地質(zhì)過程方面還未得到廣泛應(yīng)用，如識別地下水阻水邊界及構(gòu)造特性；確定形變含水層系統(tǒng)巖性及水力性質(zhì)；提取水文地質(zhì)參數(shù)；約束地下水流和地面沉降區(qū)域水文地質(zhì)概念模型和數(shù)值模型等。因此，應(yīng)加強(qiáng)InSAR技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中應(yīng)用研究，為水文地質(zhì)學(xué)提供技術(shù)支撐，促進(jìn)水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展。

［1］宮輝力，張有全，李小娟，等.基于永久散射體雷達(dá)干涉測量技術(shù)的北京地區(qū)地面沉降研究［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2009，19(11):1261 －1266.［GONG H L，ZHANG Y Q，LI X J，et al.Land Subsidence Research in Beijing Based on the Permanent Scatterers InSAR Technology［J］.Progress in Natural Science，2009，19(11):1261 －1266.(in Chinese)］

［2］陳強(qiáng)，劉國祥，丁曉利，等.永久散射體雷達(dá)差分干涉應(yīng)用于區(qū)域地表沉降探測［J］.地球物理報，2007，50(3):737 － 743.［CHEN Q，LIU G X，DING X L，et al.Radar differential interferometry based on permanent scatterers and its application to detecting regional ground subsidence［J］.CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSIC，2007，50(3):737 －743.(in Chinese)］

［3］何秀鳳，仲海蓓，何敏.基于PS-InSAR和GIS空間分析的南通市區(qū)地面沉降監(jiān)測［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，39(1):129 －134.［HE X F，ZHONG H B，HE M.Ground Subsidence Detection of Nantong City Based on PS-InSAR and GIS Spatial Analysis［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2011，39(1):129 －134.(in Chinese)］

［4］Ferretti A，Prati C，Rocca F.Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in SAR interferometry［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2000，38(9):2202 －2212.

［5］Ferretti A，Prati C，Rocca F.Permanent scatterers in SAR interferometry［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2001，39(1):8 －20.

［6］Hooper A，Zebker H，Segall P，et al.A new method for measuring information on volcanoes and other natural terrains using insar persistent scatterers［J］.Geophysical Research Letters，2004，31(23)，5，doi.10.1029/2004GL021737.

［7］廖明生，裴媛媛，王寒梅，等.永久散射體雷達(dá)干涉技術(shù)監(jiān)測上海地面沉降［J］.上海國土資源，2012，33(3):5－10.［LIAO M S，PEI Y Y，WANG H M，et al.Subsidence Monitoring in Shanghai Using the PSInSAR Technique［J］. Shanghai Land ＆Resources，2012，33(3):5 －10.(in Chinese)］

［8］段永侯，王家兵，王亞斌，等.天津市地下水資源與可持續(xù)利用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，31(3):29－39.［DUAN Y H，WANG J B，WANG Y B，et al.Groundwater resources and its sustainable development in Tianjin［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2004，31(3):29 －39.(in Chinese)］

［9］陳崇希，裴順平.地下水開采—地面沉降模型研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001，28(2):5 － 8.［CHEN C X，PEI S P.Research on groundwater exploitation-land subsidence model［J］.Hydrogeology＆ Engineering GEology，2001，28(2):5 － 8.(in Chinese)］

［10］王若柏，孫東平，耿世昌，等.天津地區(qū)地面沉降及其對地理環(huán)境的影響［J］.地理學(xué)報，1994，49(4):317－323.［WANG R B，SUN D P，GENG S C，et al.Dynamics of ground subsidence and its effects on geogeaphical environment in the tianjin area［J］.Acta G Eographica Sinica，1994，49(4):317 － 323.(in Chinese)］