任志鵬 張雙成,2,3 司錦釗 惠文華 李思潔子 胡興群 張昌波

1 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,西安市雁塔路126號,710054 2 長安大學(xué)地學(xué)與衛(wèi)星大數(shù)據(jù)研究中心,西安市雁塔路126號,710054 3 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室,西安市雁塔路126號,710054 4 陜西佳維空間地理信息科技有限公司,陜西省安康市鉆石南路1號,725000

膨脹土是一種非飽和土,主要由具有結(jié)晶膨脹潛力的粘土礦物組成,具有遇水膨脹、失水收縮的脹縮性,且其形變具有長期性、反復(fù)性[1-2],對工程建設(shè)安全性具有重要影響。安康富強機場是典型的膨脹土高填方機場,存在地基變形隱患。

傳統(tǒng)形變監(jiān)測方法如水準(zhǔn)測量通常具有較高的觀測精度[3],但空間分辨率較低[4],要得到整個區(qū)域的形變信息需要大規(guī)模布設(shè)相應(yīng)設(shè)備。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù)作為一種新型的大地測量技術(shù),可以連續(xù)跟蹤觀測地表微小形變信息,實現(xiàn)大范圍、長時間監(jiān)測[5-6],能用于與土壤性質(zhì)相關(guān)的形變監(jiān)測[7-8]。

本文運用短基線集干涉測量(SBAS-InSAR)和人工角反射器干涉測量(CR-InSAR)技術(shù)對竣工后的安康膨脹土機場區(qū)域進行形變監(jiān)測,結(jié)合監(jiān)測結(jié)果及降雨數(shù)據(jù),分析研究區(qū)形變規(guī)律,為后續(xù)機場區(qū)域形變治理和膨脹土邊坡防治提供幫助。

1 InSAR解譯地表形變基本原理

1.1 SBAS-InSAR原理

短基線集干涉測量技術(shù)[9]是一種將單次觀測結(jié)果作為觀測值并基于最小二乘法則來獲取高精度形變時間序列的InSAR分析方法,通過短基線SAR影像對組合生成干涉圖合集,增加單個主影像條件下的干涉圖數(shù)量,從而減小時空失相干對干涉圖質(zhì)量的影響。經(jīng)過一系列去噪處理后,基于形變速率最小二乘法則,使用奇異值分解(singular value decomposition,SVD)方法獲取相干目標(biāo)的視線向形變速率和時間序列。假設(shè)有N+1景影像,生成M幅干涉圖,以線性形變速率表示形變相位為:

(1)

M幅干涉圖可以組成一個方程組:

Bv=δφ

(2)

式中,B為M×N維矩陣。如果N景影像組成L個子集,則方程組有無窮多個解,在SBAS方法中可以通過奇異值分解法求得最小范數(shù)平差準(zhǔn)則下的解。差分干涉圖中除形變相位以外還存在其他相位,可以在時間域和空間域內(nèi)對殘余相位進行濾波等處理,以分離大氣延遲相位和非線性形變相位[10]。

1.2 CR-InSAR原理

角反射器起初用于SAR系統(tǒng)的外部校準(zhǔn),通過精確測量所用角反射器的后向散射系數(shù),可以直接確定天線圖和處理器校準(zhǔn)[11]。假設(shè)安裝M+1個角反射器,共有N+1幅SAR影像,選取其中一景影像作為主影像可生成N個干涉對,包含M+1個CR點相對于某一主影像的形變相位。在去除地平效應(yīng)之后,選取其中一個比較穩(wěn)定的CR點作為整個區(qū)域的參考點,則其他CR點相對于參考CR點的差分相位可表示為:

Δφ=-2πΔk+Δφtopo+Δφatmos+

(3)

式中,Δφ為該點相對于參考點的觀測相位;Δk為該點相對于參考點的整周未知數(shù);Δφtopo、Δφatmos、Δφnoise分別為CR點相對于參考點的高程相位、大氣延遲相位和噪聲相位;ΔR為該點相對于參考點的形變相位。Δφtopo可由GNSS數(shù)據(jù)計算得到,因此地形相位可認(rèn)為已知。在差分干涉之后采用LAMBDA方法進行相位解纏,可得到CR點的相對形變信息。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

安康富強機場位于安康市漢濱區(qū)五里鎮(zhèn)東南,距安康市中心15 km。機場跑道長2 600 m,寬45 m,施工期間進行大規(guī)模挖填方工作,挖填方面積達(dá)52 000 m2,最大挖填方高差達(dá)94 m,導(dǎo)致機場在竣工后極易發(fā)生地基變形。安康機場地處月河流域,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,年均降水量975.5 mm。該區(qū)域分布有大量膨脹土,夏季降雨高發(fā)期,膨脹土吸收地表水分,體積發(fā)生膨脹;雨水匱乏期體積則會收縮。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

2.2 數(shù)據(jù)來源

2020-05機場整體施工基本完成,地基基本固定,可以進行 InSAR形變監(jiān)測。因此,本實驗選擇2020-05～2022-04共49 景Level-1 Sentinel-1A升軌SLC數(shù)據(jù)。Sentinel-1A衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)成像模式為干涉寬幅(IW),極化方式為VV與VH雙極化,入射角為39.5°,分辨率為5 m × 20 m(方位向×距離向),軌道號100,軌道配置為升軌,時空基線如圖2所示。實驗還用到空間分辨率為30 m的SRTM DEM數(shù)據(jù)和空間分辨率為3 m的無人機采集的DEM數(shù)據(jù)作為外部DEM模擬地形相位;使用歐空局提供的POD精軌數(shù)據(jù)提高軌道精度;降雨數(shù)據(jù)通過機場邊坡區(qū)域的雨量計裝置獲得。

圖2 時空基線Fig.2 Spatio-temporal baselines

2.3 監(jiān)測策略

機場邊坡坡向與雷達(dá)遙感衛(wèi)星LOS向垂直,適宜使用InSAR技術(shù)進行形變監(jiān)測。機場兩側(cè)膨脹土邊坡前期土壤裸露面積較大、植被稀少,相干性較為理想,適宜使用SBAS-InSAR技術(shù)進行形變監(jiān)測。在監(jiān)測后期,邊坡種植的低矮灌叢可能會影響SAR影像的相干性,在夏季植被生長茂盛時期(圖3),機場兩側(cè)邊坡區(qū)域相干性明顯降低。為研究低矮灌叢對監(jiān)測結(jié)果的影響,2021-04在機場邊坡區(qū)域加裝4個角反射器(圖3(d))。在夏季植被茂盛時期,加裝的角反射器比周圍植被區(qū)域具有更好的相干性。

圖3 不同季節(jié)機場邊坡相干性對比Fig.3 Comparison of airport slope coherence in different seasons

運用SBAS-InSAR和CR-InSAR解算安康機場區(qū)域形變,對安康機場區(qū)域進行為期2 a的形變監(jiān)測,其中SBAS-InSAR監(jiān)測周期為2020-05～2022-04, CR-InSAR監(jiān)測周期為2021-04～2022-04,實驗整體流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Flowchart of data processing

3 結(jié)果與分析

3.1 形變監(jiān)測結(jié)果

使用SBAS-InSAR技術(shù)解算機場區(qū)域2020-05-24～2022-04-20形變結(jié)果,年形變速率和標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示,所得形變速率結(jié)果投影在LOS方向上,正值表示反射信號區(qū)域向靠近衛(wèi)星方向移動,負(fù)值表示向遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向移動。年均形變速率標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為[12]:

圖5 SBAS-InSAR形變速率及標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5 Deformation rate and standard deviation of SBAS-InSAR

(4)

從圖5可以看出,機場大部分區(qū)域形變速率在-15～20 mm/a之間,形變速率標(biāo)準(zhǔn)差均小于7.9 mm/a,跑道附近區(qū)域較為穩(wěn)定。從SBAS結(jié)果可以看出,主要有A、B、C三處失穩(wěn)區(qū)域,A區(qū)域LOS向最大形變速率為48.8 mm/a;B區(qū)域LOS向最大形變速率為39.4 mm/a,形變速率標(biāo)準(zhǔn)差均小于6.7 mm/a;C區(qū)域為機場東側(cè)2個錐形填方邊坡,其沿LOS向最大形變速率大于50 mm/a,形變速率標(biāo)準(zhǔn)差均小于7.6 mm/a。其中,A、B區(qū)域為機場最大填方邊坡,且靠近飛機起降區(qū)和航站樓,需要進一步分析監(jiān)測結(jié)果。

3.2 時序InSAR監(jiān)測結(jié)果分析

角反射器可以在SAR影像獲取時同步得到研究區(qū)形變信息,能更加客觀地評價InSAR形變測量結(jié)果的可靠性[5]。將CR1作為解算參考點,CR2和CR3作為監(jiān)測點計算形變結(jié)果。圖6(a)為CR2點SBAS-InSAR結(jié)果與CR-InSAR結(jié)果形變趨勢比較,2種方法表現(xiàn)出相同的形變趨勢,在監(jiān)測期間均向遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向移動。通過建立回歸方程,計算得到2種方法所得時序結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.88。運用同樣方法得到CR3點2種結(jié)果的形變趨勢(圖6(c))與相關(guān)性(圖6(d))。由于SBAS-InSAR在處理數(shù)據(jù)過程中要進行多視處理,會損失空間分辨率,將其結(jié)果直接與角反射器相位中心形變進行比較會存在一定系統(tǒng)誤差。從散點圖擬合結(jié)果可以看出,SBAS-InSAR結(jié)果較為可靠。

圖6 CR-InSAR與SBAS-InSAR結(jié)果對比Fig.6 Comparison of CR-InSAR and SBAS-InSAR results

3.3 形變規(guī)律分析

富強機場區(qū)域原始地形以丘陵為主,因此在建設(shè)過程中要進行相當(dāng)大規(guī)模的挖填方工程,具體挖填方區(qū)域如圖1(c)所示。機場填方區(qū)域的填土來自相鄰?fù)诜絽^(qū)域,主要是以膨脹土為主的粉質(zhì)粘土。機場內(nèi)部區(qū)域在建設(shè)過程中均進行膨脹土改良與土質(zhì)壓實施工,并進行混凝土澆灌,構(gòu)筑體強度有明顯提升。但機場南、北以及東側(cè)膨脹土高填方邊坡存在一定面積的裸露土壤,地質(zhì)體以膨脹土為主,該區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的地表裂隙[13]。

為了把握機場區(qū)域的形變特點,從整體到局部對機場區(qū)域進行分析。研究時段內(nèi)整個機場區(qū)域形變時序如圖7所示,對比圖1(c)可以發(fā)現(xiàn),機場形變主要位于填方區(qū)域,并且形變區(qū)域隨著時間推移逐漸變大。早期形變位于南北邊坡西側(cè)位置,與圖5中LOS向形變速率最大的區(qū)域一致,隨著時間推移,形變區(qū)域擴散到整個邊坡區(qū)域。機場東側(cè)為2個錐形邊坡,其形變最大區(qū)域位于邊坡最高點,隨著時間推移,錐形邊坡形變區(qū)域也由頂部逐漸擴散至整個邊坡。機場在建設(shè)時對內(nèi)部區(qū)域進行壓實施工,而外部邊坡只是進行邊坡加固,導(dǎo)致邊坡體與機場內(nèi)部壓實構(gòu)筑體剝離,從而表現(xiàn)出從頂部向底部的變形趨勢。

圖7 機場區(qū)域時序形變Fig.7 Time-series deformation of airport area

膨脹土填方體的表面形變會受降水影響,土壤含水量達(dá)到一定量時會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象[14]。由降雨數(shù)據(jù)可知,安康機場區(qū)域降雨季節(jié)性明顯且集中分布在7～9月。本文選擇4個邊坡區(qū)域特征點來分析降雨和膨脹土邊坡形變的關(guān)系。圖8(a)和8(b)特征點分別對應(yīng)圖5(a)中最大填方區(qū)域A、B,填方前后高差達(dá)到46.86 m,為典型的膨脹土高填方體。2個特征點對應(yīng)的形變速率分別為48.8 mm/a和39.4 mm/a,整體形變趨勢表現(xiàn)為沿LOS方向遠(yuǎn)離衛(wèi)星,且形變速率逐漸變緩。區(qū)域A、B在降雨高發(fā)期形變速率減緩,在降雨達(dá)到一定量時甚至?xí)豅OS方向靠近衛(wèi)星移動。形變區(qū)域C中2個特征點(圖8(c)和 8(d))位于機場東側(cè)2個錐形邊坡,其形變趨勢基本一致,形變速率均大于50 mm/a。在竣工后的一段時間內(nèi),邊坡形變特征與膨脹土特性比較吻合,但竣工1 a后,在降雨高發(fā)期邊坡形變并未發(fā)生明顯減緩甚至抬升現(xiàn)象,這與Zhang等[15]在該區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果一致。

圖8 邊坡區(qū)域特征點時序形變Fig.8 Time-series deformation of feature points in slope area

綜合形變結(jié)果與降雨數(shù)據(jù)可知,在降雨高發(fā)時期,機場南、北膨脹土邊坡變形會減緩,甚至出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,這可能是由于邊坡區(qū)域膨脹土吸水發(fā)生膨脹變形,抵消了邊坡完工后填方土固結(jié)壓縮等引起的變形,因此安康機場邊坡特殊的形變方式可以認(rèn)為是機場填方變形和膨脹土特有性質(zhì)共同作用的結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文基于SBAS-InSAR和CR-InSAR技術(shù),利用49 景Sentinel-1數(shù)據(jù)對安康富強機場進行為期2 a的形變監(jiān)測,獲得機場區(qū)域時序形變圖,同時結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)分析安康機場膨脹土邊坡形變規(guī)律。結(jié)果表明,在2020-05～2022-04期間,機場邊坡區(qū)域形變沿LOS向遠(yuǎn)離衛(wèi)星,且該區(qū)域與機場填方區(qū)域高度重合,這可能與機場填方施工后填方土發(fā)生固結(jié)壓縮有關(guān)。機場邊坡區(qū)域形變速率隨時間推移逐漸變緩,空間上表現(xiàn)出由點到面的形變趨勢,發(fā)生形變最大的區(qū)域為最先發(fā)生形變的區(qū)域。在邊坡上選取特征點分析形變時序并結(jié)合安康地區(qū)降雨數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)膨脹土邊坡形變在夏季降雨高發(fā)期會明顯變緩,甚至出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,這可能與膨脹土遇水膨脹的特性有關(guān)。安康機場形變?nèi)栽诔掷m(xù),對機場區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)測很有必要。