胡 波，陳志謀，吳 洋，楊 斌，陳俊宇，陳雄樂，陳智偉

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

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂并在地面形成一定長度和寬度的裂縫的一種宏觀地表破壞現(xiàn)象，其走向和地下斷裂帶一致，規(guī)模大，常呈帶狀分布。地裂縫已成為一種獨特的城市地質災害，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，會給其所在地區(qū)的發(fā)展帶來嚴重的障礙，特別是在經(jīng)濟發(fā)達、人口數(shù)量大的城市，甚至會給人民帶來生命威脅。如我國西安的地裂縫，首次發(fā)現(xiàn)于1959年，至今已發(fā)展為14條，總延伸長度超過120 km，分布面積達到150 km2，地裂縫所過之處，地面破碎、建筑物開裂、道路變形、地下管道錯斷，成為西安最普遍的災害。其成因主要有地質構造、地震活動和抽取地下水等[1-4]。

一直以來，眾多學者使用各種形變監(jiān)測手段對地裂縫進行研究，如傳統(tǒng)的水準測量、基巖標和分層標測量，但這些方法野外作業(yè)周期長，耗費大量人力、物力和財力，而且需要長期維護監(jiān)測點的完整性；再加上這些方法的測量點分布稀疏，基于點的觀測，難以在宏觀上揭示整個形變區(qū)域的形變規(guī)律[5-7]。但DInSAR技術的出現(xiàn)彌補了上述測量方法只能監(jiān)測有限離散點的不足，并且可實現(xiàn)大面積、非接觸、全天候、高精度的形變監(jiān)測，在地面形變監(jiān)測方面顯示出巨大優(yōu)勢[8-11]。目前，國內外已有學者使用類似技術實現(xiàn)對地裂縫進行研究。

由于地裂縫本質是深部構造活動向地表延伸的斷裂活動的痕跡，因此人類無法阻止其活動。只能在查明其分布范圍之后，在擬建物規(guī)劃設計時予以避讓，在地裂縫影響范圍內的建筑尚應采取結構措施。本研究以2016年6月至2016年11月期間3景加拿大RADARSAT-2數(shù)據(jù)，利用差分干涉測量技術(differential interferometry synthetic aperture radar，DInSAR)進行處理，對河北省廊坊市大城縣的地表形變進行研究，綜合分析其地裂縫的分布、走向及影響因素，并且提出預警和相關建議，為生產(chǎn)單位和政府部門提供決策依據(jù)來采取應對措施。

1 DInSAR技術原理

DInSAR即合成孔徑雷達差分干涉技術，是對InSAR技術的進一步拓展，它是對同一地區(qū)不同時相的兩幅干涉紋圖進行差分組和從而可以消除地形影響，其目的是通過多次重復觀測進行地表微小形變的監(jiān)測。要通過干涉雷達獲取地表的形變信息，就必須消除區(qū)域的地形信息。根據(jù)去除地形相位采用的數(shù)據(jù)和處理方法的不同，DInSAR技術可使用兩種數(shù)據(jù)類型：一種是兩幅天線同時觀測到的數(shù)據(jù)，另一種是同一幅數(shù)據(jù)在不同時間內近平行觀測得到的數(shù)據(jù)。然后將從雷達獲取的數(shù)據(jù)轉化為單視復數(shù)數(shù)據(jù)，通過處理，得到地面同一位置的復圖像，利用圖上反映出來的相位差，分析得到精確的地面形變。

DInSAR中包含2次成像雷達天線到目標的傳播路徑長度差值的信息，衛(wèi)星測量的狀況、測量時間、大氣條件等因素，影響著傳播路徑的長度。如果大氣的影響被忽略，通過一定的算法刪除測量衛(wèi)星的位置變換而應發(fā)的地形所得干涉相位，可得地面變形的干涉相位，從而使試驗區(qū)的地面變形監(jiān)測得到實現(xiàn)。其數(shù)據(jù)處理的方法有兩軌法、三軌法和四軌法。

2 利用DInSAR技術監(jiān)測大城縣地表形變

2.1 測區(qū)概述

監(jiān)測地區(qū)位于河北省廊坊市大城縣，地處約116°30E—116°47′E，38°35′N—38°50′N之間，南北長約27 km，東西長約26 km，面積約為700 km2(如圖1所示)。測區(qū)屬海河流域，臨近渤海灣，位于冀中平原腹地，全境地勢平坦，多為農(nóng)田，自西南向東北逐漸降低，海拔3～10 m。大城縣屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。境內煤炭資源豐富，初步探明儲量190.1億噸，走向為西南—東北。煤田煤系基底碳酸鹽巖為強含水層，水質類型為Na2SO4型水，主要可采煤層與上下含水層之間有較厚的多層隔水層相隔，水文地質條件比較復雜。煤田上覆地層屬新生界中的第三系地層，抗壓強度不高，堅實性較差。

2.2 數(shù)據(jù)的選取

本次試驗選用了3景加拿大RADARSAT-2 0級數(shù)據(jù)，采用C波段，波長約為5 cm。影像獲取時間分別為2016-06-30、2016-08-17、2016-11-21。由于數(shù)據(jù)為0級數(shù)據(jù)，不能直接使用，應該首先進行聚焦處理，將0級數(shù)據(jù)轉化為1級數(shù)據(jù)，即將RAW數(shù)據(jù)轉化成SLC數(shù)據(jù)(單視復數(shù)數(shù)據(jù))。DEM數(shù)據(jù)為ALOS World 3D，分辨率為30 m。

圖1 研究區(qū)域位置

2.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗將3幅影像兩兩配對，獲得3幅形變圖，分別為2016-06-30—2016-08-17、2016-08-17—2016-11-21及2016-06-30—2016-11-21(數(shù)字代表影像獲取的日期)。

(1) 基線估算。這一步獲取干涉SAR像對的基線信息，檢查干涉像對的基線是否小于臨界值和能否取得好的干涉結果。此外還能獲得能探測的最小形變量等信息。

(2) 干涉圖生成。這一步是生成干涉圖，輸入兩景SLC數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)是經(jīng)過配準和多視的兩景數(shù)據(jù)的殘差相位圖和主從影像的強度圖。由于像素大小為2.34 m×2.05 m，故采取距離向為6、方位向為7的多視，約可得到14.05 m×14.30 m的地面分辨率。處理后得到干涉圖，由于測區(qū)大部分為農(nóng)田，相干性差，其中測區(qū)內散落的城鎮(zhèn)部分干涉結果較好。

(3) 自適應濾波及相干性生成。對上一步去平后的干涉圖進行濾波。本試驗采用自適應濾波方法，該方法適用于較高分辨率的數(shù)據(jù)，也是最常用的方法之一。生成濾波后的干涉圖和描述干涉圖質量好壞的相干圖，值在0～1之間。

(4) 相位解纏。干涉相位只能以2π為模，因此只要相位變化超過了2π的波長，就會重新開始和循環(huán)。相位解纏是對去平和濾波后的干涉相位圖進行相位解纏，解決2π模糊的問題。本試驗采用最小費用流解纏方法，該方法適用大面積的低相干區(qū)，即便在影像中出現(xiàn)低相干區(qū)域，仍可得到解纏結果。這種方法采用正方形的格網(wǎng)，考慮了圖像上所有的像元，對相干性小于閾值的像元作了掩膜處理。

(5) 軌道精煉和重去平。利用控制點對衛(wèi)星軌道和相位偏移進行糾正，進行軌道精煉和相位偏移的計算，消除可能的斜坡平地相位。控制點要求相位質量好、相干性高、形變小且盡量是平地上的點。試驗中采用濾波后的干涉圖作為底圖選擇控制點，如圖2(a)所示，控制點的各項誤差指標如圖3所示，軌道精煉和重去平后的解纏圖如圖2(b)所示。

圖2 控制點選取

圖3 控制點各項指標

(6) 形變圖生成。將解纏的相位信息轉化為形變信息。試驗中將像元大小設置為15 m，內插窗口為7 m，采用4次多項式內插，相干性閾值設置為0.25。生成的3幅形變圖如圖4所示。

圖4 各時間段形變圖

3 結果分析

根據(jù)6月30日到11月21日的形變圖(如圖4所示)可以看出在影像中部區(qū)域，也就是大城縣的縣城中普遍出現(xiàn)地面下沉，而在影像的左上角和右下角得到的地面形變結果為抬升，但是其形變量不大，可以認為相對穩(wěn)定區(qū)域。此外，從圖中還可以識別一些潛藏的地裂縫隱患存在。將處理結果和Google Earth疊加(如圖5所示)，影像的左上角部分道路，也就是G2京滬高速上大約6 km的部分出現(xiàn)了明顯的干涉條紋，其形變量的差約為3 cm且在G2高速經(jīng)過鄧家村的路段出現(xiàn)地形形變的正負交替，但是由于圖像中該區(qū)域附近黑色部分因為相干性低于解纏閾值而造成數(shù)據(jù)缺省的區(qū)域較多，不能準確判斷隱含地裂縫的長度和走向，位置為38°44′49.90″北，116°33′25.04″東(區(qū)域1)附近可能存在地裂縫的隱患，走向為60°～80°。在38°48′53.76″北，116°40′21.77″東(區(qū)域2)附近出現(xiàn)正負形變的交替，且在1.5 km內形變量的差超過了2 cm，判斷附近可能有地裂縫的隱患，走向預計為85°～100°。在38°39′49.04″北、116°40′19.05″東(區(qū)域3)和38°40′57.31″北、116°45′24.28″東(區(qū)域4)附近同樣存在地裂縫隱患，其走向分別預計為60°～80°和40°～55°。具體情況見表1。

圖5 Google Earth顯示結果

區(qū)域經(jīng)度緯度預測地裂縫走向1116°33′25．04″E38°44′49．90″N60～80°2116°40′21．77″E38°48′53．76″N85～100°3116°40′19．05″E38°39′49．04″N60～80°4116°45′24．28″E38°40′57．31″N40～55°

出現(xiàn)地裂縫和地裂縫隱患的可能性有很多種，根據(jù)中國地質調查局2009年的調查結果顯示，河北廊坊大城縣地區(qū)的地裂縫成因以構造運動為主，說明構造運動是地裂縫形成的主要原因之一，其地表走向有明顯的規(guī)律性，是從隱伏的斷層蠕滑型地裂縫發(fā)展成為地表的地裂縫。同時，對于大城縣而言，由于大城煤田是我國東部地區(qū)規(guī)模較大的整裝煤田，因此大規(guī)模的煤炭開采可能也是形成地裂縫的主要原因之一，煤炭的開采使得被開采部分地表不穩(wěn)定，下沉量相對周邊地區(qū)較多，在長時間開采的作用下會使得地面下沉過多，與周邊地區(qū)形成明顯的差異，最終形成地裂縫。

4 結論與討論

對于影像整體而言，大部分地區(qū)的沉降量都不算太大，最大地區(qū)的沉降量約在2～3 cm，但是存在差異性形變量，說明區(qū)域性的小形變量并不能代表沒有地裂縫的隱患存在。另外，對于地裂縫分布的分析需要重點關注的不僅僅是形變量差異較大的區(qū)域，還需要關注形變量從正值到負值變化的區(qū)域，因為時間的累積可能會讓正、負的形變各自疊加，使之差距拉大，同樣也可以出現(xiàn)地裂縫。

通過這次試驗，DInSAR雖然能得到兩幅影像中的形變量，但是常規(guī)DInSAR的形變監(jiān)測精度和可靠性還是受到幾個不確定因素的影響，包括軌道誤差、解纏誤差、時間空間失相關引入的相位噪聲和大氣時空變化引入的延遲相位等。其中，失相關和大氣相位的存在使得DInSAR在區(qū)域地表形變的監(jiān)測方面很難得到普及和應用(存在局限性)。以本次試驗來說，在多次對同一幅干涉圖像處理的過程中發(fā)現(xiàn)，影響最終形變圖結果的因素有以下幾點：

(1) 區(qū)域中存在大片的田野及其他相干性差的地物，這使得濾波后得到的圖像中仍然有大面積的噪聲存在。同時，由于這些地物的分布廣，將濾波結果好的區(qū)域分割開來，給解纏帶來了一定的困難，也影響了最終形變圖的精度。

(2) 濾波方法和解纏方法的選擇非常重要，因為試驗使用的兩組數(shù)據(jù)間有很多相干性差的區(qū)域，只有選擇了相對較好的方法之后，形變圖的精度才能相對提高。

(3) 地面控制點的選擇在本次試驗中是一個對精度影響較大。雖然選擇地面控制點的原則都是一樣的，但是選擇的點因人而異，每一次精煉和重去平選擇的控制點也不可能完全一樣，這就導致每次試驗時得到的結果都是不同的，特別是對于噪聲大的干涉圖，因為能選擇控制點的區(qū)域變少，區(qū)域中相對穩(wěn)定的區(qū)域也少，這就使得地面控制點的選擇變得困難。而且對于一些在圖上顯示出來孤島一樣的很小的區(qū)域，如果沒有控制點存在的話，精煉之后的結果可能在這塊區(qū)域上就會相對不穩(wěn)定一些。

綜上所述，本文使用DInSAR方法進行地裂縫分布的調查具有可行性，并且通過DInSAR方法得到的地面形變量進而推測地裂縫的走向。本文提取監(jiān)測區(qū)域的形變量分布圖，并且通過對形變量分布圖的解譯，分析出地裂縫區(qū)域的形變量，并推估了地裂縫區(qū)域的裂縫走向及發(fā)展趨勢。

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