劉沛然，楊成生,2,3，趙超英,2*

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西·西安 710054；2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局工程技術(shù)研究中心，陜西·西安 710054；3.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西·西安 710054）

河北邢臺(tái)隆堯地裂縫活動(dòng)PS-InSAR監(jiān)測(cè)與分析

劉沛然1，楊成生1,2,3，趙超英1,2*

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西·西安 710054；2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局工程技術(shù)研究中心，陜西·西安 710054；3.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西·西安 710054）

河北隆堯地裂縫是我國(guó)華北平原地區(qū)目前發(fā)育規(guī)模最大的一條地裂縫。為掌握和分析該地裂縫活動(dòng)區(qū)域形變的變化特征及地裂縫發(fā)育特征、成因機(jī)理。本文利用2009～2010年間16景Envisat數(shù)據(jù)和2007～2011年間15景ALOS數(shù)據(jù)，采用PS-InSAR技術(shù)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，在2007～2011四年間，邢臺(tái)地區(qū)地面沉降主要分布在城鎮(zhèn)、地下水開(kāi)采區(qū)以及斷裂帶附近。最大年沉降速率達(dá)到60mm/a。結(jié)合河北斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造資料分析，得出邢臺(tái)市隆堯地裂縫受到隆堯斷裂帶以及地下水開(kāi)采的影響。

地裂縫； 斷裂帶；地下水開(kāi)采；PS-InSAR技術(shù)；華北平原

邢臺(tái)地區(qū)地處華北地塊核心部位，為寧晉—衡水?dāng)嗤埂⑿虾饴∑?、臨清斷陷交接處。在研究區(qū)域內(nèi)，發(fā)育著數(shù)條北北東向及東西向斷裂帶，在平面上成“三叉戟”狀圍限著這一區(qū)域，主斷裂有太行山前大斷裂、束鹿斷凹東緣斷裂、束鹿斷凹西緣斷裂，此外還發(fā)育著數(shù)條次級(jí)斷裂[1]。河北隆堯地裂縫位于邢臺(tái)地區(qū)隆堯縣（見(jiàn)圖1），東起東良鄉(xiāng)西至毛兒寨鄉(xiāng)，全長(zhǎng)約為36km。地裂縫在地表雖然斷續(xù)出露，但地裂縫發(fā)育清晰可見(jiàn)。隆堯地裂縫總體上呈線性展布，整體走向穩(wěn)定、連續(xù)，且不受沿線微地貌和地物的影響。所經(jīng)之處，房屋、道路及管線均受到不同程度破壞[2]。

隆堯地裂縫是華北平原比較典型的地裂縫災(zāi)害現(xiàn)象，許多專家和學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了一系列研究。李世雄等認(rèn)為地裂縫是由于斷裂活動(dòng)導(dǎo)致隱伏地裂縫發(fā)育，再加上地下水逐年下降，導(dǎo)致地裂縫發(fā)展加速，并在地表水在作用下產(chǎn)生地表開(kāi)裂[3]。馬潤(rùn)勇等對(duì)隆堯地裂縫進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，得出隆堯地裂縫為隆堯斷裂活動(dòng)為主的最新地表響應(yīng)，屬于構(gòu)造型地裂縫，并與地震活動(dòng)密切相關(guān)，是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力加強(qiáng)的表現(xiàn)[4]。宋偉等認(rèn)為，隆堯地裂縫的地層錯(cuò)斷現(xiàn)象主要原因是由于斷層蠕滑活動(dòng)形成的，表現(xiàn)為地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的積累與釋放[5]。徐繼山等認(rèn)為隆堯斷裂的持續(xù)活動(dòng)為地裂縫的形成提供了動(dòng)力來(lái)源，導(dǎo)致拉應(yīng)力區(qū)的擴(kuò)展，甚至是破碎帶的形成[6]。盡管如此，目前對(duì)于隆堯地裂縫的成因機(jī)制、發(fā)育機(jī)理，都是基于區(qū)域構(gòu)造背景及野外實(shí)際調(diào)查開(kāi)展的推斷與分析，尚缺乏該地區(qū)大范圍地面沉降及地裂縫活動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，容易導(dǎo)致對(duì)地裂縫成因機(jī)理解釋的誤判。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Study area

合成孔徑雷達(dá)測(cè)量（InSAR）是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的極具潛力的遙感新技術(shù)，具有全天候、大范圍、高精度監(jiān)測(cè)地表形變的優(yōu)點(diǎn)，已在多個(gè)地學(xué)研究中得到應(yīng)用[7]，但在地裂縫的監(jiān)測(cè)方面還處于探索實(shí)踐階段。鑒于此，本文采用Hopper于2004年提出的永久散射體PS-InSAR算法[8]，利用16景ENVISAT/ASAR降軌數(shù)據(jù)和15景ALOS/PALSAR升軌數(shù)據(jù)，對(duì)河北邢臺(tái)地區(qū)地面沉降及地裂縫活動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，為有效減災(zāi)避災(zāi)提供依據(jù)。

1 StaMPS-InSAR技術(shù)

PS-InSAR技術(shù)能克服常規(guī)差分干涉測(cè)量中大氣效應(yīng)和時(shí)、空間失相關(guān)的影響，即使在無(wú)法獲得干涉條紋的情況下，也可利用時(shí)間序列SAR影像上具有穩(wěn)定相位的PS點(diǎn)獲取毫米級(jí)的形變監(jiān)測(cè)精度。2004年，Hopper提出StaMPS算法，該方法基于相位的特征，選取幅度值較小且相位穩(wěn)定的點(diǎn)作為最終PS點(diǎn)。實(shí)例驗(yàn)證該方法在常規(guī)PS算法不能處理的區(qū)域仍可選取足夠數(shù)量的PS點(diǎn)，極大拓展了PS技術(shù)的應(yīng)用范圍。StaMPS技術(shù)的基本原理如下：

在差分干涉處理中，首先在序列SAR影像中挑選其中一幅作為差分干涉的公共主影像，該影像需要滿足與其他影像整體具有最佳的相關(guān)性[9]。然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析振幅穩(wěn)定性與相位穩(wěn)定性之間的關(guān)系，選取出初始PS點(diǎn)。其中涉及的振幅離差是由Ferretti等人于2001年根據(jù)SAR影像數(shù)據(jù)振幅的標(biāo)準(zhǔn)差與均值給出的：

在對(duì)各個(gè)像素的相位分量進(jìn)行分析并對(duì)其空間相關(guān)分量和非相關(guān)分量作進(jìn)一步分解，然后以此為依據(jù)得到候選PS點(diǎn)的判定準(zhǔn)則：該算法利用振幅離差指數(shù)作為PS初選點(diǎn)的探測(cè)閾值，探測(cè)的初選點(diǎn)上干涉相位均由形變相位、軌道殘差、地形誤差、大氣延遲相位等失相關(guān)噪聲相位構(gòu)成[10,11]：

各初選點(diǎn)的形變具有高度的相關(guān)性，根據(jù)此假設(shè)結(jié)合SAR影像的分辨率利用自適應(yīng)濾波依次求出一定相關(guān)空間窗口內(nèi)前四項(xiàng)空間相關(guān)部分并去除，同時(shí)估計(jì)并剔除空間非相關(guān)的入射角誤差[12]。上述過(guò)程不斷迭代且收斂后，利用殘差分量估計(jì)PS候選點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)：

Hopper等（2007）根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)思想選取γx的閾值，認(rèn)為非PS點(diǎn)也會(huì)有一定的概率具有較高的γx值，因此需要通過(guò)設(shè)置可接受的非PS點(diǎn)被誤選的概率值小于某一合理的閾值作為統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則，其目的是最大化地保留真PS點(diǎn)[13]，可接受PS點(diǎn)被誤選的概率的表達(dá)式為式（4）：

除了所要求解形變相位外，還有一些誤差項(xiàng)的存在，如大氣、軌道等誤差。大氣效應(yīng)主要表現(xiàn)為湍流大氣延遲誤差，是由于電離層中的總電子含量和對(duì)流層中的水汽含量變化所引起，一般認(rèn)為大氣延遲相位是時(shí)間不相關(guān)的，在空間上具有強(qiáng)相關(guān)性。這里把空間相關(guān)部分又可分為時(shí)間相關(guān)與時(shí)間不相關(guān)部分，前者包括地表形變、主影像的大氣誤差和軌道誤差，存在于每一個(gè)干涉對(duì)中，后者包括其余的空間相關(guān)部分，從影像大氣誤差和軌道誤差等。針對(duì)空間相關(guān)誤差相位的分離綜合采用時(shí)、空域?yàn)V波算法實(shí)現(xiàn)[14]。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用16景ENVISAT/ASAR降軌數(shù)據(jù)（Track 261），時(shí)間跨度為2009年1月到2010年10月，覆蓋范圍如圖1綠色框所示，以及15景ALOS/PALSAR升軌數(shù)據(jù)（Track 451），時(shí)間跨度為2007年2月到2011年2月，覆蓋范圍如圖1藍(lán)色框所示。試驗(yàn)中采用的DEM數(shù)據(jù)為30m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)。

首先綜合考慮時(shí)間基線、空間基線及多普勒中心頻率的共同影響，使相干性之和達(dá)到最大。分別選取20090530和20100403作為ENVISAT/ASAR和ALOS/PALSAR數(shù)據(jù)的主影像。獲取的空間基線結(jié)果如圖2所示。在選取主影像之后，通過(guò)對(duì)主影像數(shù)據(jù)的讀取、裁剪，影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、重采樣、干涉圖生成、差分干涉處理、初選PS點(diǎn)、空間相關(guān)和非相關(guān)視角誤差評(píng)估、PS點(diǎn)選取、空間非相關(guān)組分去除、相位解纏、相位分解和組分評(píng)估、形變提取，最終得到ENVISAT數(shù)據(jù)和ALOS數(shù)據(jù)的年均形變結(jié)果。利用StaMPS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理中采用的具體參數(shù)如表1所示。

圖2 空間基線分布Fig.2 Distribution of spatial perpendicular baseline

表1 數(shù)據(jù)解算中采用的參數(shù)Table1 The list of parameters used in the data processing

3 結(jié)果與分析

3.1 形變特征分析

通過(guò)InSAR數(shù)據(jù)處理，分別獲取了河北邢臺(tái)地區(qū)2009～2010年間（ENVISAT數(shù)據(jù)）及2007～2011年間（ALOS數(shù)據(jù)）的年均形變速率圖，分別如圖3和圖4所示，背景為該地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，圖中藍(lán)色實(shí)線為活動(dòng)地裂縫位置，棕色虛線為斷裂位置。從圖3中可以看出，在2009至2010年間，邢臺(tái)地區(qū)的沉降主要在高邑縣，寧晉縣以及隆堯縣東南地區(qū)，其中寧晉縣是一個(gè)明顯的小沉降中心，年沉降速率約為40mm/a，在隆堯縣的東南地區(qū)，沉降速率約為30mm/a，而隆堯縣城區(qū)域西部范圍內(nèi)存在有抬升趨勢(shì)。圖4中，在地裂縫的南側(cè)，出現(xiàn)了大片的沉降區(qū)域，其中主要包括兩個(gè)沉降中心，區(qū)域一位于地裂縫以南，形成了一個(gè)長(zhǎng)橢圓形的沉降漏斗，區(qū)域二位于巨鹿縣一個(gè)近圓形沉降中心，兩個(gè)沉降中心的最大年沉降速率為60mm/a。

從圖4中則可以清楚看到，河北平原的形變從整體上受到束鹿斷凹東緣斷裂、隆堯斷裂等斷裂帶的控制，形變主要發(fā)生在斷裂帶附近。在隆堯地裂縫的南側(cè)，主要分布著兩個(gè)大片沉降中心，而兩處漏斗區(qū)已經(jīng)連通，這說(shuō)明地下水過(guò)量開(kāi)采是造成地面加速沉降的主因[15]。

圖3 2009～2010年間邢臺(tái)地區(qū)地表形變年均速率圖（ENVISAT數(shù)據(jù)）Fig.3 Average deformation velocity in line of sight (LOS) of Xingtai region from 2009 to 2010 (ENVISAT)

3.2 特征點(diǎn)時(shí)序形變分析

為進(jìn)一步定量分析2007～2011年間各時(shí)間段的地面沉降變化，選取ENVISAT數(shù)據(jù)和ALOS數(shù)據(jù)重疊區(qū)域的同名點(diǎn)進(jìn)行分析。對(duì)圖3及圖4中的3個(gè)特征點(diǎn)，分別為巨鹿縣（A）、寧晉縣（B）、隆堯縣（C），進(jìn)行形變時(shí)間序列分析。如圖5所示，藍(lán)色折線代表ALOS數(shù)據(jù)結(jié)果，紅色散點(diǎn)則代表ENVISAT數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖4 2007～2011年間邢臺(tái)地區(qū)地表形變年均速率圖（ALOS數(shù)據(jù)）Fig.4 Average deformation velocity in line of sight (LOS) of Xingtai region from 2007 to 2011 (ALOS)

圖5 三處典型地面形變區(qū)域累積形變序列結(jié)果Fig.5 Accumulative deformation of 3 points from 2007 to 2011

從圖5可以看出，巨鹿縣、寧晉縣，在2007年2月至2011年2月的時(shí)間里沉降嚴(yán)重，累計(jì)沉降分別達(dá)到230mm和128mm，平均年沉降速率分別約為58mm/a和32mm/a。而隆堯縣（隆堯地裂縫北側(cè)）則累計(jì)抬升126mm。這說(shuō)明由于不同地層結(jié)構(gòu)差別大的地區(qū)產(chǎn)生地面的不均勻沉降而形成地裂縫[16]。并且可以看出，在大范圍華北農(nóng)田區(qū)域，相比于C波段的ENVISAT數(shù)據(jù)，L波段的ALOS數(shù)據(jù)可以更好地克服時(shí)間去相干問(wèn)題，可以獲取更多高相干點(diǎn)，所探測(cè)到的最大形變量也較大。

3.3 地裂縫活動(dòng)分析

從圖3和圖4的結(jié)果圖中不難看出，在隆堯地裂縫的北側(cè)和南側(cè)分別存在著抬升和下降的形變趨勢(shì)，因此，初步分析由于不同地層結(jié)構(gòu)差別導(dǎo)致的不均勻沉降是形成地裂縫的一個(gè)重要因素。另?yè)?jù) 2007 年河北省水資源公報(bào)，寧晉、柏鄉(xiāng)、隆堯三縣圍繞地區(qū)降落漏斗面積達(dá)1956km2，中心地區(qū)地下水埋深 64.20m。由于地下水的過(guò)度開(kāi)采，導(dǎo)致地面沉降引發(fā)底層節(jié)理延及地表開(kāi)裂，這是地裂縫活動(dòng)加劇不可忽略的因素[17～20]。

由地面沉降而造成的地裂縫與其他構(gòu)造控制型地裂縫不同，有著自身發(fā)育特點(diǎn)和分布規(guī)律。地面沉降造成的地裂縫以線狀或串珠狀塌陷坑有限延伸在地面沉降區(qū)域，而隆堯地裂縫正是典型的線狀地裂縫[6]。同時(shí)，隆堯地裂縫形變受到隆堯斷裂的控制，從圖中可以看出，該條地裂縫錯(cuò)開(kāi)上下盤地層，北盤相對(duì)上升，南盤相對(duì)下降，為正斷層性質(zhì)，這與隆堯斷裂性質(zhì)相一致。因此推測(cè)地裂縫與深部斷層相接。

為分析隆堯地裂縫活動(dòng)規(guī)律，根據(jù)地裂縫的走向，在圖4中提取出兩條平行于地裂縫走向位于南北兩側(cè)的剖面線A1和A2（圖6）以及兩條垂直于地裂縫的剖面線B1和B2（圖7）。

圖6 地裂縫水平剖線圖Fig.6 Parallel profles of Ground fssure

圖7 地裂縫垂直剖線圖Fig.7 Vertical profles of Ground fssure

從水平剖線圖A1可以看出地裂縫的北側(cè)區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定（有部分隆起趨勢(shì)），而南側(cè)的A2剖面存在明顯的地面沉降現(xiàn)象，地裂縫兩側(cè)最大沉降量較差超過(guò)5cm。各垂直剖線結(jié)果可以看出，B1、B2處地面形變特征非常明顯，均屬于陡降型，地裂縫兩側(cè)較差超過(guò)8cm。并且在地裂縫的北側(cè)均成上升趨勢(shì)，南側(cè)均成下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文采用StaMPS技術(shù)對(duì)河北省邢臺(tái)地區(qū)2009～2010年間的16景ENVISAT數(shù)據(jù)以及2007～2011年間的15景ALOS/ PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，開(kāi)展了該地區(qū)的大范圍地表形變監(jiān)測(cè)，分別得到該地區(qū)的地表形變平均速率及典型區(qū)形變時(shí)間序列，并結(jié)合地面沉降、斷裂及地下水對(duì)隆堯地裂縫活動(dòng)及形變進(jìn)行了分析。研究得出：隆堯地區(qū)的沉降主要分布在高邑縣，寧晉縣以及隆堯縣東南地區(qū)，而在隆堯縣城區(qū)域西部范圍內(nèi)存在有抬升趨勢(shì)；通過(guò)分析表明地下水開(kāi)采是該地區(qū)地面沉降的主因，而地下水開(kāi)采導(dǎo)致的不均勻沉降是加劇地裂縫活動(dòng)的一個(gè)重要因素。通過(guò)分析地裂縫水平剖線和垂直剖線，可以看出地裂縫北盤上升而南盤下降，這與隆堯斷裂的正斷層活動(dòng)性質(zhì)相一致。

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PS-InSAR monitoring of Longyao ground fssure in Xingtai, Hebei province

LIU Pei-Ran1, YANG Cheng-Sheng1,2,3, ZHAO Chao-Ying1,2
(1.School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710054, China; 2.National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Engineering Research Center of National Geographic Conditions
Monitoring, Shaanxi Xi’an 710054, China; 3.State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Shaanxi Xi’an 710054, China)

Longyao ground fissure is the largest active ground fissures in the North China Plain.In order to master and analyze the characteristics of deformation of ground fssure activity area and development characteristic Formation mechanism, permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar (PS-InSAR) was used to process 15 L-band ALOS/ PALSAR images obtained from 2007 to 2011 and 16 C-band ENVISAT/ASAR images obtained from 2009 to 2010.The result shows that subsidence is mainly located in the towns, groundwater exploration area, and fault from 2007 to 2011.The maximum annual sedimentation rate reached 60 mm/a.Combined with geological structure information analysis, we come to Longyao ground fssures in the results of the Longyao fault zone and the infuence of groundwater exploitation.

ground fssure; fault zone; groundwater exploitation; PS-InSAR; the North China Plain

P642.26

A

2095-1329(2017)03-0078-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.018

2017-03-24

修回日期: 2017-06-28

劉沛然,男,碩士生,主要從事地面沉降及地裂縫活動(dòng)監(jiān)測(cè)PS-InSAR技術(shù)研究.

電子郵箱: 734562257@qq.com

聯(lián)系電話: 029-82339251

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372375);中國(guó)地震局地震專項(xiàng)科研基金(201508009);地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目(SKLGIE2014-M-3-5);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(310826161017)

*通訊作者: 趙超英(博士/教授): zhaochaoying@163.com