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InSAR技术在地表形变监测中的应用

赵佳曼  
【摘要】:近年来地表形变引起来的地质灾害对人们的正常生产和生活造成了巨大的损失,因此由自然或人为引起的地表形变正逐年受到人们的关注,对地表形变进行有效率的监测迫在眉睫。地表形变包括以地震为代表的地壳活动造成的地表变形,因人为集中过量开采地下水或基础设施大量修建引起的城市地面沉降和因地下矿藏的开采引发的矿区地面塌陷等。近年来发展起来的合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术弥补了传统水准测量和GPS测量的投入高、耗时长和效率较低等不足,可以不受天气限制对形变区进行大范围的观测。本文采用InSAR技术分别对地震形变、城市地面沉降和矿区地面塌陷的问题进行了研究。主要研究结果如下。(1)详细阐述了InSAR、D-InSAR、MAI和SBAS-InSAR的原理方法,对地震研究相关理论和Okada位错模型进行了简述,介绍了研究用到的SAR遥感影像数据,ENVISAT ASAR、ALOS PALSAR和COSMO-SkyMed。(2)在对伊拉克地震的同震形变研究中,分别采用一对升轨和一对降轨的Sentinel-1同震干涉影像,对2017年11月13日伊拉克地震的三维同震形变场进行获取与分析。利用D-InSAR技术分别对升降轨影像对进行干涉处理,获取地震视线向的变形。利用MAI技术分别对升降轨影像对进行干涉处理,获取地震方位向的变形。再采用数学方法合成三维同震形变场,获得此次地震在东西向、南北向和上下三个方向的形变分量值。最后基于Okada模型进行了震源几何参数的反演,发现此次伊拉克地震以逆冲型为主,节面沿西北向展开,东北部下盘下降,西南部上盘上升。并获取了此次地震的断层参数,将拟合结果与美国地质调查局等研究机构的结果进行对比,证明结果可靠。(3)在对无锡地区的城市地面沉降的研究中,采用2004年5月至2010年4月间的26景C波段ASAR卫星影像、2007年2月至2011年2月间的22景L波段ALOS卫星影像、2011年7月至2012年7月间11景X波段COSMO卫星影像,利用SBAS-InSAR技术获取了无锡地区的长时间形变序列。研究表明,由于人为集中大量开采地下水,锡西-澄南地区发生了比较明显的沉降现象。在江苏省限期禁采地下水政策出台之后,锡山区与新吴区出现了小范围回弹。最后使用水准数据对ASAR的结果进行了精度验证,发现InSAR监测结果与水准数据结果较为吻合。另外利用ASAR结果与ALOS结果重叠时间的部分进行了交叉验证,结果显示R2为0.5568,p0.0010.05,通过了0.05水平的显著性检验,证明相关性较好。(4)在对巨野煤田的矿区地面塌陷的研究中,获取了 2017年5月至2018年11月间的21景C波段Sentinel-1卫星影像,采用SBAS-InSAR技术获取了巨野矿区的塌陷分布图,并生成了矿区内七大煤田的长时间形变序列图。结果表明,在一年半的研究时间段内,矿区发生了比较明显的沉降,尤其以郭屯矿区为中心的区域最为明显,累积沉降量达-72mm。并且在研究时段内,69%的土地发生了超过45mm的沉降。最后以郭屯矿区为例,利用水准数据的观测值对InSAR结果进行了精度对比验证,发现两种方法获得的结果相关性较好。(5)从上述三种应用中可以得出,InSAR技术已经可以成熟地运用在地表形变监测方面。D-InSAR技术不受恶劣天气和时间的限制,高精度地获取大面积下的形变值,但其在长时间微小形变的监测中容易产生时空失相干和大气延迟等误差,影响监测结果。因此D-InSAR技术更多被用于监测如地震形变等短时间内发生巨大地表形变现象的应用中。而SBAS-InSAR则弥补了D-InSAR的一些不足,SBAS-InSAR所需数据量较大,但更适用于对大范围下的精细形变进行监测,因此被更多的用于城市地面沉降和矿区形变等应用中。InSAR技术在形变监测应用中的日益成熟一方面得益于技术的不断革新,另一方面也在于InSAR卫星影像数据的不断精细,特别是在全球实现无缝覆盖的短时空基线InSAR卫星,为InSAR技术的发展提供了重要的数据源。


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