陳志謀，胡 波，陳金座，羅楚楚，張華鵬，姚俊啟，陳進(jìn)清

(1. 福建偉志工程勘測股份有限公司，福建 晉江 362200； 2. 廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

利用InSAR技術(shù)監(jiān)測石油開采引起的地表形變

陳志謀1，胡 波2，陳金座1，羅楚楚1，張華鵬1，姚俊啟1，陳進(jìn)清1

(1. 福建偉志工程勘測股份有限公司，福建 晉江 362200； 2. 廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006)

隨著人類工業(yè)文明的不斷發(fā)展，石油成為重要的化工資源。然而，石油開采帶來的負(fù)面影響卻日益凸顯，如環(huán)境污染、資源枯竭、開采安全問題等。由石油開采導(dǎo)致的地面沉降則是這些問題里最不容忽視的，石油開采會(huì)導(dǎo)致油層中地下壓力的減少，造成油層的緊密壓實(shí)。當(dāng)壓密的數(shù)值達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)引起地表下沉。在城市區(qū)域內(nèi)，地表形變會(huì)影響各種生產(chǎn)設(shè)施的安全使用。本文以國內(nèi)某油田為試驗(yàn)對(duì)象，利用短基線集技術(shù)(SBAS)進(jìn)行處理，對(duì)石油開采時(shí)引起的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，綜合分析其地表形變速率、范圍，以及地面變形影響因素，為生產(chǎn)單位和當(dāng)?shù)卣块T提供決策依據(jù)。

石油開采；地表形變；合成孔徑雷達(dá)干涉測量；小基線集

石油作為人類工業(yè)文明發(fā)展的推動(dòng)力，隨著社會(huì)需要的不斷擴(kuò)大，已成為人類現(xiàn)代生活中方方面面都不可缺少的資源。石油工業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的血液，但石油是不可再生的一次能源。當(dāng)今社會(huì)發(fā)展倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會(huì)，提倡發(fā)展和使用新能源，但我國仍以煤和石油作為能源結(jié)構(gòu)的核心成分，且這種能源結(jié)構(gòu)將長期存在。不管是從我國的能源結(jié)構(gòu)來看，還是從工業(yè)需要的發(fā)展來看，石油開采是一項(xiàng)尤其重要的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，牽涉到國民生產(chǎn)總值的發(fā)展。它在為國計(jì)民生作出重大貢獻(xiàn)的同時(shí)，負(fù)面影響也接踵而至。地下資源的開采，包括煤礦、石油和天然氣，必然會(huì)導(dǎo)致地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，石油開采區(qū)也會(huì)有不同程度的沉降。城市區(qū)域內(nèi)，石油開采引起的地表形變將影響城市各種設(shè)施的正常運(yùn)營使用；海洋區(qū)域內(nèi)，石油開采將會(huì)引起海水倒灌、港口淹沒、威脅鉆井平臺(tái)的安全使用，如美國加州長灘的 Wilmington 油田的地面沉陷監(jiān)測達(dá)10 m之巨。1984 年北海的 Ekofish 采油平臺(tái)下面的海底表面曾下陷 3.5 m，為此不得不投資 10 億美元對(duì)采油平臺(tái)進(jìn)行升高處理[1-5]。

一直以來，探索監(jiān)測地表形變的技術(shù)和方法就是眾多大地測量學(xué)家和地球物理學(xué)家致力研究的內(nèi)容，技術(shù)涉及了精密水準(zhǔn)測量、GPS技術(shù)、地下水監(jiān)測井技術(shù)、土工測量技術(shù)、放射性分層標(biāo)監(jiān)測技術(shù)等。以上所述的地面形變監(jiān)測的方法具有時(shí)間分辨率高、監(jiān)測精度高等優(yōu)勢(shì)，但都只能對(duì)有限的離散點(diǎn)進(jìn)行觀測，故具有低空間分辨率且覆蓋范圍較小的技術(shù)劣勢(shì)，加之監(jiān)測費(fèi)用較高，難以滿足大范圍的地球物理研究以及形變?yōu)暮︻A(yù)測和評(píng)估的實(shí)際需要。InSAR(interferometric synthetic aperture radar)是一種新型的空間對(duì)地觀測技術(shù)，具有高空間分辨率、高精度、監(jiān)測范圍廣、穿透性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今地學(xué)界較為先進(jìn)的基于面觀測的地表形變監(jiān)測手段。目前，已有眾多的國內(nèi)外專家學(xué)者成功應(yīng)用InSAR技術(shù)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測工作，并取得了令人矚目的成果[6-8]。

雖然國內(nèi)外的眾多學(xué)者在地表沉降方面作了大量且細(xì)致的研究，但大部分的研究內(nèi)容均是關(guān)于礦區(qū)或城市地面沉降，在對(duì)石油開采導(dǎo)致的地表沉降方面研究較少。姜巖等[9]介紹了油氣開采引起地表下沉的機(jī)理和下沉危害,把油氣開采引起的地表移動(dòng)視為隨機(jī)過程,并以整個(gè)開采區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,提出了下沉源函數(shù)和下沉傳播分布函數(shù),建立了開采引起地表下沉的預(yù)測模型,為研究油氣開采引起的地表沉陷損害問題提供了理論依據(jù)。田紅等[10]通過對(duì)油藏壓實(shí)與沉陷的機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析,給出了油藏壓實(shí)與沉陷量的預(yù)測模型及計(jì)算方法，并以某海上油藏實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算。張文昭[11]在美國威明頓油田地表下沉與防治中，分析了美國威名頓油田地面下沉狀況，并提出了防治方法。

本文選取某油田的20景TerraSAR數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用InSAR技術(shù)中的(短基線集)(SBAS)技術(shù)進(jìn)行處理，對(duì)該油田進(jìn)行石油開采時(shí)引起的地表形變進(jìn)行監(jiān)測，綜合分析其地表形變速率、范圍，以及地面變形影響因素，并提出預(yù)警和相關(guān)建議，為生產(chǎn)單位和政府部門提供決策依據(jù)。

1 短基線集(SBAS)技術(shù)

SBAS技術(shù)即短基線集差分干涉測量技術(shù)，是將所獲得的長時(shí)間序列SAR數(shù)據(jù)組合成具有小空間基線干涉子集的(集合內(nèi)SAR圖像基線距小，集合間的SAR圖像基線距大)干涉測量數(shù)據(jù)組，然后通過利用奇異值分解方法(SVD)將不同時(shí)間基線的空間小基線子集數(shù)據(jù)組合形成時(shí)間序列，進(jìn)而獲取高精度形變場的差分干涉測量技術(shù)。SBAS技術(shù)是Berardino等[5]在2002年提出來的，它能夠解決D-InSAR技術(shù)中由于長基線導(dǎo)致的幾何去相關(guān)問題，并利用所有獲取的數(shù)據(jù)，提高了采樣的時(shí)間分辨率，保證了變形的時(shí)間序列分析具有較高的空間密度，同時(shí)也適合對(duì)非城市區(qū)域地表形變場時(shí)間演化進(jìn)行分析。

SBAS處理流程如圖1所示，其主要步驟如下：

(1) 估算所有SAR圖像的基線，根據(jù)短時(shí)空基線原則確定時(shí)空基線閾值，生成連接圖。

(2) 對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，生成干涉紋圖，精確估算空間基線，結(jié)合 DEM 數(shù)據(jù)去除平地相位和地形相位，對(duì)差分干涉圖進(jìn)行濾波等。

(3) 根據(jù)相干系數(shù)圖，選擇圖像上的高相干目標(biāo)點(diǎn)。

(4) 對(duì)所有的差分圖進(jìn)行相位解纏和定標(biāo)，將差分相位信息轉(zhuǎn)換為高程向的形變量。

(5) 對(duì)結(jié)果進(jìn)行第一次反演，建立線性模型，利用矩陣奇異值分解方法，估算形變速率和高程系數(shù)。

(6) 對(duì)結(jié)果進(jìn)行第二次反演，去除大氣效應(yīng)和地形殘余相位，得到最終的平均位移速率，并確定 PS 點(diǎn)三維位置信息，然后計(jì)算非線性形變速率和位置時(shí)間序列。

(7) 得到最終的位置時(shí)間序列后，可以進(jìn)行必要的地理編碼和時(shí)序分析。

圖1 SBAS處理流程

2 SBAS數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)選用了20景德國TerraSAR數(shù)據(jù)，采用X波段，波長為5.6 cm。獲取的衛(wèi)星影像時(shí)間跨度為2010—2015年。其中DEM數(shù)據(jù)為美國宇航局提供的SRTM V4 DEM，分辨率為90 m，絕對(duì)精度為16 m。

2.1 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

準(zhǔn)備數(shù)據(jù)輸出文件夾，以衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間(格式為YYMMDD)命名。從文件夾內(nèi)的summary影像說明書中查找獲得影像獲取時(shí)間為“20121231 16:15:05.492”，新建準(zhǔn)備存放聚焦處理后得到的SLC影像數(shù)據(jù)的文件夾，文件夾以影像獲取時(shí)間20121231來命名，其余19景Raw SAR影像準(zhǔn)備同上處理。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

進(jìn)行Raw SAR的聚焦處理，依次輸入各個(gè)Raw SAR數(shù)據(jù)的頭文件(Leader file)和影像文件(Image file)，參數(shù)設(shè)置中根據(jù)每景影像極化形式的不同選擇同極化(HH)或交叉極化(HV)模式，最后輸出結(jié)果至預(yù)先準(zhǔn)備好的路徑下對(duì)應(yīng)的文件夾中。

2.3 生成連接圖

數(shù)據(jù)預(yù)處理后，可進(jìn)行SBAS小基線集法處理的第一步，將20景SLC(single look complex)影像輸入，參數(shù)設(shè)置中需要注意臨界基線百分比(normal baseline)、時(shí)間基線閾值(temporal baseline)和三維解纏(Delaunay 3D)的設(shè)置，臨界基線百分比和時(shí)間基線閾值需要經(jīng)過多次試驗(yàn)才可獲得最優(yōu)的設(shè)置數(shù)值，本文采用的空間基線閾值百分比為45%，時(shí)間基線閾值為725 d，勾選Delaunay三維選項(xiàng)，最后共得到99對(duì)干涉對(duì)。圖2為99個(gè)干涉對(duì)的時(shí)空基線圖。

圖2 干涉對(duì)時(shí)空基線

2.4 定義感興趣研究區(qū)域

由于獲取的SAR影像覆蓋的區(qū)域較大，而本次研究區(qū)域僅為SAR影像覆蓋區(qū)域的一部分，可對(duì)整體影像進(jìn)行感興趣區(qū)域的裁剪。裁剪需要利用預(yù)先準(zhǔn)備好的矢量數(shù)據(jù)，輸入連接圖步驟生成的auxiliary文件和DEM文件，裁剪出感興趣的研究區(qū)域，注意得到裁剪區(qū)域圖后，需要在Google Earth中打開查看實(shí)地區(qū)域，檢查是否覆蓋在感興趣研究區(qū)域。

2.5 干涉工作流

該步驟為SBAS-InSAR方法中的核心步驟，主要包括干涉圖生成、干涉圖去平和相位解纏等，同樣導(dǎo)入auxiliary文件和DEM文件后，參數(shù)默認(rèn)，開始運(yùn)行處理，處理時(shí)間約為7 h，可以在生成的文件夾查看生成的干涉圖、相干系數(shù)圖和解纏圖。需要注意的是，查看過程需要查找出質(zhì)量較差的干涉圖，在下一步驟中剔除，避免后面處理結(jié)果被質(zhì)量較差的干涉圖所污染。

2.6 連接圖編輯

連接圖編輯可對(duì)質(zhì)量不好的干涉對(duì)進(jìn)行剔除，移除相干性低、解纏結(jié)果不好，以及大氣影響較大的像對(duì)，該步驟主觀因素較大，依靠經(jīng)驗(yàn)所判斷剔除的數(shù)據(jù)也不一樣。需要注意的是剔除像對(duì)后，需要查看各像對(duì)的連接情況，盡可能將每個(gè)數(shù)據(jù)都連接起來，提高數(shù)據(jù)利用率，尤其對(duì)于時(shí)間序列上的第一幅影像和最后一幅影像，不能輕易剔除，否則將會(huì)縮短SBAS小基線的時(shí)間序列分析長度，進(jìn)行剔除處理后，得到新的連接圖。

2.7 軌道精煉和重去平

該步驟用于估算和去除殘余的恒定相位，還可以去除解纏后依然存在的相位梯度。該過程需要?jiǎng)?chuàng)建地面控制點(diǎn)(ground control points，GCP)文件，輸入干涉圖和DEM即可進(jìn)行選取GCP。需要注意的是，選取的地面控制點(diǎn)需要分布在相干性較好的區(qū)域，并且均勻分布，遠(yuǎn)離形變區(qū)域。本次試驗(yàn)選取了63個(gè)地面控制點(diǎn)，參數(shù)默認(rèn)，開始運(yùn)行處理,地面控制點(diǎn)選點(diǎn)如圖3所示。

圖3 研究區(qū)的地面控制點(diǎn)選取

2.8 SBAS反演

SBAS反演可分為兩個(gè)步驟：第一次反演估計(jì)位移速率和殘余地形，用來對(duì)合成的干涉圖進(jìn)行去平，重新作相位解纏和精煉；第二次反演是在第一次得到的形變速率(_disp_first)基礎(chǔ)上，進(jìn)行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位。需要注意的是，本次試驗(yàn)中兩次反演的Product Coherence Threshold相關(guān)系數(shù)閾值都設(shè)置為0.35，一旦進(jìn)入反演步驟，不能再對(duì)干涉對(duì)進(jìn)行處理。

2.9 地理編碼

地理編碼為SBAS處理的最后一步，進(jìn)行地理編碼的同時(shí)，將地表形變結(jié)果投影到試驗(yàn)設(shè)置的方向上，本次試驗(yàn)設(shè)置方向?yàn)槟J(rèn)方向，即為雷達(dá)視線方向LOS方向，輸入DEM后進(jìn)行處理，最終得到平均形變速率圖、相對(duì)一個(gè)日期的形變量圖、平均形變速率的精度圖等，可用于對(duì)最終結(jié)果的分析和論證。

3 結(jié)果分析

經(jīng)地理編碼后的地表形變圖為SBAS最后的處理結(jié)果，得到的平均形變速率圖和時(shí)間序列形變圖如圖4、圖5所示。從圖4平均速率形變圖中可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)有3個(gè)明顯的漏斗形沉降，經(jīng)查詢，最大的形變速率可達(dá)-73.6 mm/a。在時(shí)間序列形變圖中可見漏斗形沉降的形成過程，形變范圍在逐漸擴(kuò)大。造成這種結(jié)果的原因是石油開采，從地下抽取石油會(huì)導(dǎo)致土的自重應(yīng)力增加，地面便會(huì)以鉆井為中心往下塌陷，進(jìn)而形成漏斗形沉降，不斷累及周邊地區(qū)。

圖4 平均形變速率結(jié)果

圖5 時(shí)間序列形變

以最新一期2015-10-16的SAR影像數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采用Surfer軟件畫出三維形變圖和等值線圖。由圖6和圖7可得，研究區(qū)域內(nèi)已形成3個(gè)明顯沉降漏斗，其中A區(qū)域的沉降量最大，在A區(qū)域沉降的中心區(qū)域選擇3個(gè)點(diǎn)，由圖8累積形變曲線中可見，3點(diǎn)的沉降量已超過-200 mm。同時(shí)A區(qū)域的沉降形變范圍最廣，并持續(xù)累及周圍地表，有與其他兩個(gè)沉降漏斗區(qū)域形成整塊區(qū)域沉陷的趨勢(shì)。由圖9可知，最大的沉降漏斗的直徑已達(dá)2 km，且在持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)石油開采區(qū)周邊的村落帶來的影響尤其應(yīng)引起重視。

圖6 2015-10-15的形變等值線

圖7 2015-10-16的三維地表形變

圖8 2015-10-16的累積形變曲線

圖9 Google Earth的形變疊加

4 結(jié) 論

利用TerraSAR衛(wèi)星的20景SAR數(shù)據(jù)獲取某油田的形變場，采用SBAS方法對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該研究區(qū)域的平均形變速率圖、時(shí)間序列形變圖和累積形變曲線圖。經(jīng)分析可得以下結(jié)論：

(1) 研究使用的TerraSAR影像對(duì)覆蓋范圍內(nèi)大部分地區(qū)的相干保持能力較強(qiáng)，可作為該石油開采地區(qū)地面沉降調(diào)查與監(jiān)測的有效數(shù)據(jù)源。本研究采用的SBAS數(shù)據(jù)處理方法能夠高精度、面積性地刻畫該地區(qū)的地面沉降態(tài)勢(shì)，為該地區(qū)地面沉降災(zāi)害管理提供具有指導(dǎo)意義的科學(xué)數(shù)據(jù)，為政府部門和生產(chǎn)單位提供決策依據(jù)。

(2) 在該研究區(qū)域的中心地帶為石油開采區(qū)，地面沉降現(xiàn)象嚴(yán)重，已形成3個(gè)明顯的沉降漏斗，沉降中心的線性沉降速率可達(dá)-73.6 mm/a，最大的沉降量已超200 mm。由圖9可知，最大的沉降漏斗的直徑已達(dá)2 km，且在持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)石油開采區(qū)周邊的村落帶來的影響尤其應(yīng)引起重視。

致謝：本文研究中使用的數(shù)據(jù)由德國宇航局提供，SRTM數(shù)據(jù)由NASA提供，特此致謝。

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MonitoringtheSurfaceDeformationCausedbyOilExplorationBasedonInSAR

CHEN Zhimou1，HU Bo2，CHEN Jinzuo1，LUO Chuchu1，ZHANG Huapeng1，YAO Junqi1，CHEN Jinqing1

(1. Fujian Weizhi Surveying and Mapping Engineering Co. Ltd., Jinjiang 362200, China； 2. Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006, China)

With the development of the industrial civilization, the petroleum has become more and more important in the chemical industry. However, the negative impact of oil mining has become increasingly prominent, such as environmental pollution, resource depletion, mining safety issues, etc. The surface subsidence caused by oil exploitation is the most important problem, resulting in the decrease of the underground pressure in the oil layer, which leads to the compaction of the oil layer. When the quantity of the intensity of pressure reaches a fixed value, it will cause the surface subsidence. In the urban area, surface deformation will affect the safe usage of various production facilities. This paper takes an oilfield as the study object, using SBAS technology (small baseline subset) to monitor the surface subsidence caused by implementation of oil production activities. Eventually it provides a comprehensive analysis of the phenotypic variable rate and scope, ground deformation factors and the basis for decision-making for the production sectors and government departments.

petroleum exploitation; surface deformation; InSAR; small baseline subset

陳志謀，胡波，陳金座，等.利用InSAR技術(shù)監(jiān)測石油開采引起的地表形變[J].測繪通報(bào)，2017(11)：42-46.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0345.

P258

A

0494-0911(2017)11-0042-05

2017-03-01

福建省科技廳科技計(jì)劃(2017Y3004)；國家自然科學(xué)基金(41204012)

陳志謀(1976—)，男，高級(jí)工程師，長期從事變形監(jiān)測及工程測量工作。E-mail：358863955@qq.com