詹景祥,千喜俊，閆成龍

(1.廣東省地質(zhì)測(cè)繪院，廣東 廣州 510800;2.黑龍江綠野工程咨詢有限公司,黑龍江 哈爾濱 150036；3.黑龍江第三測(cè)繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150086)

南加州洛杉磯位于美國(guó)東南部，該地區(qū)干旱缺水，同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的暴漲，該地區(qū)對(duì)水的需求不斷增加，不斷抽取地下水，導(dǎo)致某些地區(qū)的含水量已降至歷史新低。由于每年只有少量的降雨滲透到地下補(bǔ)給地下水，地下水循環(huán)失去平衡，最終導(dǎo)致土層下陷，地面下沉。同時(shí)美國(guó)南加州洛杉磯地區(qū)分布許多斷層，斷層在一定程度上可以阻止地下水的運(yùn)動(dòng)，造成區(qū)域局部長(zhǎng)時(shí)間的沉降、抬升或地表季節(jié)性的形變[1], 易引起環(huán)境惡化，給城市建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及人民生活造成危害和經(jīng)濟(jì)損失，在濱海區(qū)域或?yàn)I江易受海水或河水的侵襲，引起江水和潮水倒灌，給城市、農(nóng)田造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失；地面沉降也使內(nèi)陸平原地區(qū)遭受洪水災(zāi)害的頻率增大，危害程度加重[2]；造成城市公共設(shè)施、水利設(shè)施、交通運(yùn)輸及港口碼頭的損害。同時(shí)地面沉降的不均勻往往使地面和地下建筑遭受巨大的破壞，危及建筑物穩(wěn)定、安全。例如，北京市由于過(guò)度抽取地下水導(dǎo)致地面嚴(yán)重沉降,沉降面積達(dá)到1 800 km2，其中沉降量大于200 mm的地區(qū)有650 km2 [3]。每年耗資數(shù)以億元治理地面下沉觸發(fā)的次生災(zāi)害，給當(dāng)?shù)匕l(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重阻礙。

因此研究地下水過(guò)度抽采導(dǎo)致的地面形變問(wèn)題，不僅具有很強(qiáng)的理論意義，而且具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。InSAR作為一種新型的空間對(duì)地形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有全天候、全天時(shí)、范圍廣、精度高等諸多優(yōu)勢(shì)[4]。常規(guī)D-InSAR技術(shù)可以檢測(cè)出厘米級(jí)形變[5]，但結(jié)果會(huì)很大程度地受到時(shí)空去相干和大氣效應(yīng)等影響，降低監(jiān)測(cè)精度，甚至極端情況下無(wú)法進(jìn)行干涉。以D-InSAR技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的小基線集方法(SBAS)，將所有滿足基線要求的干涉對(duì)都進(jìn)行解算，采用奇異值分解法(SVD)得出最小范數(shù)解，從而能監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間的地表形變，有效克服時(shí)空去相干和大氣效應(yīng)的影響，可提高監(jiān)測(cè)精度至毫米級(jí),已取得很多成功應(yīng)用，如文獻(xiàn)[6-7]中利用SBAS成功監(jiān)測(cè)了北京地區(qū)由于過(guò)度超采地下水引起的地表形變。本文將采用2003年10月～2009年2月的34景ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)和SBAS技術(shù)對(duì)美國(guó)南加州洛杉磯地區(qū)進(jìn)行研究，獲取長(zhǎng)時(shí)間段上的形變速率場(chǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用于充分掌握地表時(shí)空變化，迅速監(jiān)測(cè)形變異常區(qū)域，并為當(dāng)?shù)卣峁Q策依據(jù)，預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。

1 SBAS技術(shù)原理

短基線集(SBAS) 方法是新近發(fā)展的一種D-InSAR時(shí)間序列分析方法，最先由Berardino[8-11]和Lanari[9-13]等研究人員提出，用于研究低分辨率、大尺度上的形變。SBAS方法通過(guò)自由組合基線較短的影像對(duì)，產(chǎn)生的一系列基于不同主影像的時(shí)間序列干涉圖子集，再利用矩陣的奇異值分解(SVD)方法，將多個(gè)短基線集聯(lián)合起來(lái)求解[10]，有效地解決各數(shù)據(jù)集間空間基線過(guò)長(zhǎng)造成的時(shí)間不連續(xù)問(wèn)題，改善大氣延遲的影響，提高監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率，得到覆蓋整個(gè)觀測(cè)時(shí)間的形變序列和平均沉降速率。SBAS的基本步驟如下：

1)獲取同一區(qū)域按照時(shí)間順序t0,……,tN排列的N+1幅SAR影像，選取其中一幅影像作為主影像，并將其它SAR影像配準(zhǔn)到主影像上。N+1幅SAR影像可生成M幅差分干涉圖。需要注意的是，每一幅解纏后的差分干涉圖都已經(jīng)通過(guò)圖中某個(gè)穩(wěn)定區(qū)域或形變量已知的參考像素點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)校正。

2)對(duì)于從影像tA和主影像tB(tB>tA)時(shí)刻獲取的SAR影像生成的第j幅差分干涉圖，方位向坐標(biāo)為x和距離向坐標(biāo)r的像素的干涉相位可以寫(xiě)為

d(tA,x,r)]+ΔΦtopo(x,r)+

(1)

δφj(x,r)=φB(x,r)-φA(x,r)≈

(2)

3)為了獲得具有物理意義的沉降序列，將式(2)中相位表示為兩個(gè)獲取時(shí)間之間平均相位速度和時(shí)間的乘積,得

(3)

第j幅干涉圖的相位值可以寫(xiě)為

(4)

即各時(shí)段速度在主、從影像時(shí)間間隔上的積分。寫(xiě)成矩陣形式為

Bν=δφ.

(5)

式(5)是一個(gè)M*N的矩陣。由于小基線集的差分干涉圖采用了多主影像策略，因此，矩陣B容易產(chǎn)生秩虧。采用SVD方法就可以得到矩陣B的廣義逆矩陣，進(jìn)而得到數(shù)據(jù)矢量的最小范數(shù)解，最后通過(guò)各個(gè)時(shí)間段內(nèi)速度的積分就可以得到各個(gè)時(shí)間段的形變量。

2 利用SBAS監(jiān)測(cè)洛杉磯地表形變

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)采用2003-10-29—2009-02-04期間34景ENVISAT數(shù)據(jù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。基于這些數(shù)據(jù)，設(shè)置時(shí)間閾值(Temporal Baseline)為550 d，臨界基線最大百分比為45%，最后組合生成158個(gè)干涉對(duì)，時(shí)空基線圖見(jiàn)圖1。在生成干涉圖時(shí)，在距離向和方位向分別做1視和5視的多視處理以降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，提高程序的運(yùn)算速度和抑制相位噪聲，并采用改進(jìn)的Goldstein濾波法[11]對(duì)生成的干涉圖進(jìn)行濾波，以提高干涉圖的質(zhì)量。使用SRTM90 m精度的DEM去除地形相位，再使用最小費(fèi)用流法(MCF)對(duì)差分干涉圖進(jìn)行相位解纏[12]。對(duì)解纏結(jié)果進(jìn)行反演，估計(jì)殘余高度和位移相關(guān)信息，用來(lái)對(duì)合成的干涉圖進(jìn)行重新去平，再次進(jìn)行相位解纏和精煉，估計(jì)高度和位移速度。最后進(jìn)行大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，得到更加優(yōu)化的位移結(jié)果，并假定2003-10-29的地表形變?yōu)? m。

表1 ENVISAT數(shù)據(jù)參數(shù)

圖1 時(shí)空基線圖

圖2 平均形變速率圖

2.2 時(shí)間序列結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)SBAS技術(shù)處理得出研究區(qū)域在2003年10月到2009年2月的平均形變速率圖, 如圖2所示。

從圖2中可以看出，該研究區(qū)域絕大部分地表處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，平均形變速率在-5～5 mm/y。此外，波莫納、莫雷諾、圣貝納迪諾和圣塔安娜4處區(qū)域?yàn)檩^為明顯的沉降區(qū)域，其中沉降漏斗中心最大形變速率可達(dá)-35 mm/y。同時(shí)圣菲斯普林斯區(qū)域?yàn)樘齾^(qū)域,抬升中心的最大形變速率可達(dá)11.2 mm/y。從時(shí)間序列形變圖可以看出，多個(gè)沉降漏斗逐漸形成，形變范圍在逐漸擴(kuò)大，造成沉降漏斗的主要原因是地下水超采，導(dǎo)致水位下降，形成區(qū)域性沉降。

分別選取形變最為明顯的5個(gè)區(qū)域并編號(hào)：區(qū)域1圣菲斯普林斯、區(qū)域2波莫納、區(qū)域3圣貝納迪諾、區(qū)域4莫雷諾、區(qū)域5圣塔安娜，同時(shí)選出較為穩(wěn)定的城市區(qū)域6、7、8作對(duì)照，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)選取3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析。結(jié)果分別見(jiàn)圖3—圖10。

圖3 區(qū)域1圣菲斯普林斯的累積形變曲線圖

由圖3可知，在2003年10月至2009年2月期間，區(qū)域1圣菲斯普林斯區(qū)域地表抬升的形變量可達(dá)60 mm。推測(cè)區(qū)域1圣菲斯普林斯的地表抬升是由注水造成。因?yàn)閰^(qū)域1圣菲斯普林斯是一個(gè)油藏區(qū)域，該油藏是采取早期注水方法開(kāi)發(fā)。在正常油藏的注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，施工單位會(huì)使累計(jì)注水量與累計(jì)產(chǎn)油量近似，使得油田地層壓力應(yīng)保持在原始地層壓力附近。但地區(qū)局部油層物性差，連通性不好，就會(huì)在高壓注水層中形成高壓區(qū)域，或者注水在井間、層間產(chǎn)生異常高壓帶，導(dǎo)致局部壓力上升，巖石骨架膨脹，水層厚度增加，最終地層逐漸抬升。

圖4 區(qū)域2波莫納的累積形變曲線圖

圖5 區(qū)域3圣貝納迪諾的累積形變曲線圖

圖6 區(qū)域4莫雷諾的累積形變曲線圖

圖7 區(qū)域5圣塔安娜的累積形變曲線圖

由圖4—圖7可知，區(qū)域2波莫納沉降漏斗的形變量可達(dá)-143 mm，區(qū)域3圣貝納迪諾沉降漏斗的形變量可達(dá)-69 mm，區(qū)域4莫雷諾沉降漏斗的形變量可達(dá)-161 mm,區(qū)域5圣塔安娜沉降漏斗的形變量可達(dá)-56 mm，4個(gè)沉降漏斗區(qū)域的3個(gè)特征點(diǎn)的沉降速率基本一致。查閱地圖可得，區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域5為城市地區(qū)，而區(qū)域4為農(nóng)田地。沉降的主要原因?yàn)槿藗冞^(guò)量抽取地下水，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行地下水人工回灌，使地層內(nèi)的氣、液壓降低，土粒間的有效應(yīng)力增加，地層壓密，最終形成區(qū)域性沉降。而區(qū)域3圣貝納迪諾區(qū)域的左側(cè)沉降漏斗并沒(méi)有往外擴(kuò)散，推測(cè)該區(qū)域有一斷層，阻止地下水的運(yùn)動(dòng)。

由圖8—圖10可知，穩(wěn)定區(qū)的累積形變曲線以0 mm為基準(zhǔn)線上下波動(dòng)，且波動(dòng)幅度在±10 mm以內(nèi)。可以看出該區(qū)域的形變有著較為明顯的季節(jié)性變化，在五月至九月旱季期間，地區(qū)普遍沉降；而在每年十月起至翌年四月雨季期間，地區(qū)普遍抬升。

圖8 區(qū)域6的累積形變曲線圖

圖9 區(qū)域7的累積形變曲線圖

圖10 區(qū)域8的累積形變曲線圖

綜上所述，以穩(wěn)定區(qū)作對(duì)照，圣菲斯普林斯、波莫納、圣貝納迪諾和莫雷諾等地區(qū)形變明顯，最大形變量可達(dá)-161 mm，應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)注意，注意地下水的抽采和油藏開(kāi)采過(guò)程，以防發(fā)生生產(chǎn)事故和二次災(zāi)害等。

3 結(jié) 論

簡(jiǎn)述SBAS小基線集技術(shù)的基本原理，最后利用ENVISAT衛(wèi)星的34景SAR數(shù)據(jù)獲得美國(guó)南加州洛杉磯地區(qū)的形變場(chǎng)，得到34景數(shù)據(jù)生成的時(shí)間序列分析圖、研究區(qū)域的平均形變速率圖和累積形變曲線圖。經(jīng)過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1)ENVISAT衛(wèi)星影像可作為監(jiān)測(cè)美國(guó)南加州洛杉磯地區(qū)的地表形變的有效數(shù)據(jù)源。除了部分山區(qū)之外，ENVISAT衛(wèi)星影像對(duì)絕大部分區(qū)域能保持良好的相干性。使用SBAS技術(shù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，能客觀地、大范圍地反映研究區(qū)域的地表形變情況，為政府部門(mén)和生產(chǎn)單位提供決策依據(jù)，同時(shí)具有一定的科學(xué)意義。

2)美國(guó)南加州洛杉磯地表形成多個(gè)沉降漏斗，最大沉降量已超過(guò)161 mm，沉降中心的形變速率可達(dá)35 mm/yr，主導(dǎo)因素為超量開(kāi)采地下水造成的地下水位下降，不排除構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。但可以認(rèn)為美國(guó)南加州洛杉磯地表沉降的漏斗產(chǎn)生的機(jī)理主要是地下水位下降導(dǎo)致的地面沉降，根據(jù)此機(jī)理，可以進(jìn)一步研究構(gòu)建基于沉降漏斗的沉降-地下水模型，開(kāi)展預(yù)測(cè)分析。

3)在整個(gè)區(qū)域趨向沉降的情況下，圣菲斯普林斯區(qū)域由于石油抽采過(guò)程中注水導(dǎo)致地表抬升，形變量達(dá)到66 mm，平均形變速率為11.2 mm/yr。對(duì)周邊的城市帶來(lái)不良影響，應(yīng)引起重視。

4)今后在城市區(qū)域的地面沉降災(zāi)害治理重點(diǎn)依然放在地下水開(kāi)采管控上，條件具備時(shí)應(yīng)該采用回灌措施，抑制不可恢復(fù)的沉降。

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