DInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)青藏高原凍土形變的試驗(yàn)研究＊

胡 波 汪漢勝 賈路路 王 平 胡 俊 樊文靜

(1)中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430077 2)中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049 3)中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083 4)長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院,西安 710054)

DInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)青藏高原凍土形變的試驗(yàn)研究＊

胡 波1,2)汪漢勝1)賈路路1,2)王 平3)胡 俊3)樊文靜4)

(1)中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430077 2)中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049 3)中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083 4)長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院,西安 710054)

以青藏鐵路拉薩段為試驗(yàn)區(qū),利用D InSAR技術(shù)和 Palsar數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得到了該地區(qū)的凍土形變,對(duì)形變圖的分析表明,其形變非常吻合凍土凍脹融沉的物理變化規(guī)律,說明D InSAR技術(shù)適合在青藏高原大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)凍土形變。

青藏高原;凍土;青藏鐵路;凍脹融沉;D InSAR

1 引言

合成孔徑雷達(dá)差分干涉 (D InSAR)是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)影像的相位信息獲取地表變化的技術(shù),利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的單視復(fù)數(shù)雷達(dá)圖像的相干信息進(jìn)行差分或利用外部DEM數(shù)據(jù)消除地形效應(yīng)后,提取地面信息,最終達(dá)到探測(cè)地表微小形變的目的,視線向形變監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到毫米級(jí)[1]。D InSAR已發(fā)展成為一種專門監(jiān)測(cè)地表形變的新技術(shù),由于其具有高覆蓋、全天候和高精度等優(yōu)勢(shì),在監(jiān)測(cè)大面積微小地面形變?nèi)绲卣稹⒒?、泥石流、火山、?gòu)造活動(dòng)、冰川消融、城市沉降等監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方面有著廣泛的應(yīng)用。因此,D InSAR已成為監(jiān)測(cè)環(huán)境災(zāi)害最有效的空間對(duì)地觀測(cè)手段之一。

青藏高原凍土面積占該地區(qū)總面積的 57%。凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì),溫度的變化所引起的凍脹和融沉對(duì)凍土地區(qū)的工程安全有很大的影響。青藏高原大多屬高溫凍土,高原大氣溫度和地表溫度隨季節(jié)性變化較大,導(dǎo)致了青藏高原凍土的不穩(wěn)定[2]。

高原凍土的凍脹和融沉歸根結(jié)底是地表形變問題,我們嘗試采用D InSAR技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并對(duì)凍融區(qū)進(jìn)行精確劃分,詳細(xì)給出凍土的凍脹融沉大小和深度。關(guān)于D InSAR監(jiān)測(cè)凍土,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。我國(guó)于 2001年在青藏高原北麓河附近建立了凍土工程研究基地,李震等[3]基于重復(fù)軌道的 ERS1/2 SAR圖像,研究了利用干涉 SAR技術(shù)探測(cè)凍土形變的方法,得到了研究區(qū)凍土形變結(jié)果,通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較,表明重軌差分干涉測(cè)量可以精確地探測(cè)凍土表面形變。謝酬等[4]研究了利用PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行凍土形變檢測(cè)的方法,并對(duì)其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析,其結(jié)果也表明了該方法與水準(zhǔn)測(cè)量方法有較好的一致性。本文將在前人工作的基礎(chǔ)上,選擇青藏鐵路經(jīng)過的拉薩及附近的某一段為試驗(yàn)區(qū),研究青藏高原季節(jié)性的和長(zhǎng)期變化的凍脹融沉規(guī)律。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi)主要土地類型有冰川、積雪、裸巖、灌叢等,植被以高寒草原為主,混生有墊狀植物。該研究區(qū)主要是高溫多年凍土區(qū)。高溫多年凍土由于冷蓄量比較小,對(duì)外界環(huán)境變化比較敏感,穩(wěn)定性差,從而易引發(fā)凍脹融沉現(xiàn)象。凍土活動(dòng)層的年變化過程一般分 4個(gè)階段：夏季融化、秋季凍結(jié)、冬季降溫、春季升溫[5]。凍土的凍結(jié)和融化隨溫度和季節(jié)的變化交替出現(xiàn),在這兩種因素的作用下,地表就會(huì)反復(fù)的隆升和下降,引起地表不均勻沉降,從而引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、泥石流、建筑物塌陷等。

青藏高原地區(qū)地形、地貌、生態(tài)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。我們知道波長(zhǎng)越長(zhǎng),穿透性越強(qiáng),故相對(duì)于 ERS和 ENV ISAT數(shù)據(jù)來說,日本ALOS衛(wèi)星采用了先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)技術(shù),可獲得更高分辨率的雷達(dá)影像。在高植被覆蓋和地形復(fù)雜多變地區(qū),L波段的 PALSAR數(shù)據(jù)可以保持很高的相干性,尤其對(duì)于形變梯度大的區(qū)域,不易引起干涉條紋的混疊,因此,PALSAR數(shù)據(jù)比較適合地形復(fù)雜區(qū)域和凍土形變監(jiān)測(cè)。故本試驗(yàn)選擇 3景 PALSAR數(shù)據(jù),其成像時(shí)間分別為2008年 12月 17日、2009年2月 1日和 2009年 3月 19日。圖幅的 4個(gè)角坐標(biāo)及中心坐標(biāo)見表 1。

表1 PALSAR數(shù)據(jù)4角及中心坐標(biāo)Tab.1 Coordinates of the four corners and the center of the PALSAR data

地形數(shù)據(jù)為美國(guó)宇航局提供的 90 m×90 m分辨率的DEM。圖 1為青藏高原試驗(yàn)區(qū)的 SRT M數(shù)據(jù),圖 2為 SRT M數(shù)據(jù)的三維顯示。

圖1 青藏高原試驗(yàn)區(qū)的 SRT M數(shù)據(jù)Fig.1 SRT M data of test area in the Qinghai-Tibetan plateau

圖2 SRT M數(shù)據(jù)的三維顯示Fig.2 Three-dimensional display of the SRT M

3 數(shù)據(jù)處理

鑒于衛(wèi)星的重返周期及復(fù)雜地形對(duì)地形相位的影響,外部DEM的輔助正好可以克服計(jì)算地形相位貢獻(xiàn)值的缺陷[6]。因此,選用雙軌法進(jìn)行差分干涉提取地表形變。

以 2008年 12月 17日為主影像,2009年 2月 1日、2009年 3月 19日為從影像,分別進(jìn)行干涉,形成 2個(gè)干涉對(duì),分別命名為 20081217—20090201, 20081217—20090319,數(shù)據(jù)處理主要包括配準(zhǔn)、干涉、濾波、解纏、地理編碼等 5個(gè)步驟[7-9]。相干圖、差分干涉圖、形變圖見圖 3～8。

圖 3 2008-12-17—2009-02-01相干圖Fig.3 Coherence map of 2008-12-17—2009-02-01

圖 4 2008-12-17—2009-03-19相干圖Fig.4 Coherence map of 2008-12-17—2009-03-19

圖 5 2008-12-17—2009-02-01差分干涉圖Fig.5 Differential interferogram of 2008-12-17—2009-02-01

圖 6 2008-12-17—2009-03-19差分干涉圖Fig.6 Differential interferogram of 2008-12-17—2009-03-19

圖 7 2008-12-17—2009-02-01形變圖Fig.7 Defor mation map of 2008-12-17—2009-02-01

圖 8 2008-12-17—2009-03-19形變圖Fig.8 Defor mation map of 2008-12-17—2009-02-01

從圖 7可以看出,研究區(qū)域發(fā)生了整體抬升,最大抬升量達(dá) 0.16 m。這是因?yàn)樵?2008-12-17日—2009-02-01日時(shí)間段內(nèi),試驗(yàn)區(qū)經(jīng)歷了冬季降溫過程從而引起凍土凍脹,故研究區(qū)域普遍發(fā)生抬升,同時(shí),凍脹形變達(dá)到最大。從圖 8可以看出,研究區(qū)域發(fā)生了大范圍的沉降,最大沉降量達(dá) 0.28 m。這是因?yàn)閺?2008-12-17日—2009-03-19日,天氣轉(zhuǎn)暖,凍土融沉而引起大范圍的沉降。從形變圖中,我們還可以分析出在沒有出現(xiàn)人為活動(dòng)的區(qū)域,由于熱平衡保持完好,形變量相對(duì)較小,而在青藏鐵路所經(jīng)過的區(qū)域,地表發(fā)生了明顯的沉降,這是因?yàn)榇笮凸こ袒顒?dòng)改變了多年凍土的熱量平衡,使得季節(jié)融化深度加深和次年回凍深度減薄。這一結(jié)果與馬小杰[10]給出的利用水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果比較穩(wěn)合。

4 結(jié)論與討論

研究驗(yàn)證了 PALSAR數(shù)據(jù)在凍土形變監(jiān)測(cè)方面具有巨大的優(yōu)勢(shì),為青藏鐵路的監(jiān)測(cè)提供了一種便捷手段。同時(shí)也可指導(dǎo)凍土地區(qū)的工程建設(shè)活動(dòng),可以通過 PALSAR數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果來判斷凍土地區(qū)的形變大小是否超出可承受范圍,預(yù)防病害的發(fā)生。

下一步的研究將通過處理研究區(qū)域不同時(shí)段的數(shù)據(jù),得到研究區(qū)域的凍土形變規(guī)律,擬合出形變隨時(shí)間變化的關(guān)系。建立凍脹融沉預(yù)測(cè)模型,對(duì)各種特征區(qū)的時(shí)間序列形變觀測(cè)結(jié)果,進(jìn)行最小二乘回歸分析,回歸模型包括季節(jié)性變化、半年變化和長(zhǎng)期線性變化等成分,建立各種特征區(qū)特別是鐵路和公路的變形預(yù)測(cè)模型,可對(duì)凍土地區(qū)的凍融進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。

致謝 感謝NASA與日本航空局提供 SRT M數(shù)據(jù)和PALSAR數(shù)據(jù)!

1 Xia Ye.Bam earthquake：Surface defor mation measurement using radar interferometry[J].Acta Seis mologica Sinica, 2005,18(4)：451-459.

2 答治華,童長(zhǎng)江.建立青藏鐵路多年凍土區(qū)工程的監(jiān)測(cè)體系的必要性[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2002,(2)：68-70.(Da Zhihua and Tong Changjiang.Necessity of the establishment monitoring system in the permafrost regions of the Qinghai-Tibet Railway[J].Railway Engineering,2002,(2)：68-70)

3 李震,等.差分干涉 SAR凍土形變檢測(cè)方法研究[J].冰川凍土,2004,26(8)：389-396.(Li Zhen,et al.Differential interferometric SAR detection of permafrost deformation [J].glacial soil,2004,26(8)：389-396)

4 謝酬,等.基于 PALSAR數(shù)據(jù)的青藏高原凍土形變檢測(cè)方法研究[J].國(guó)土資源遙感,2008,9(3)：15-19.(Xie Chou,et al.A study of deformation in permafrost regions of Qinghai-Tibet Plateau based on AloS/PALSAR D InSAR Interferometry[J].Journal of Remote Sensing,2008,9(3)：15-19)

5 趙林,等,青藏高原五道梁附近多年凍土活動(dòng)層凍結(jié)和融化過程[J].科學(xué)通報(bào),2000,45(11)：1 205-1 211. (Zhao Lin,et al.Qinghai-Tibet Plateau permafrost Wudaoliang active layer near the freezing and thawing process [J].Science Bulletin,2000,45(11)：1 205-1 211)

6 LiaoM S,et al.Reconstruction ofDEMS From ERS1/2 Tandem Data in Mountainous Area Facilitated by SRT M Data [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007,45(7)：2 325-2 335.

7 胡波,汪漢勝.二軌法 D InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)城市地表沉降[J].測(cè)繪工程,2010,19(2)：37-41.(Hu Bo and Wang Hansheng.Two-pass method D InSAR technology to monitor ground subsidence[J].Engineering of Surveying and Mapping,2010,19(2)：37-41)

8 胡波,汪漢勝.D InSAR技術(shù)對(duì)地震同震形變場(chǎng)的研究[J].測(cè)繪工程,2010,19(1)：9-12.(Hu Bo and Wang Hansheng.Research on extract earthquake co-seis mic deformation by Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar[J].Engineering of Surveying andMapping,2010,19 (1)：9-12)

9 胡波,汪漢勝,PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表形變的研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2010,(1)：34-39.(Hu Bo and Wan Hansheng.Monitoring ground subsidence with permanent scatterers interferometry[J].Geodesy and Geodynamics,2010,(1)：34-39)

10 馬小杰,等.青藏鐵路路基沉降變形的灰色預(yù)測(cè)模型研究[J].路基工程,2006(5)：1-3.(Ma Xiaojie,et al. The Qinghai-Tibet railway on the settlement of the gray prediction model[J].Foundation Engineering,2006,(5)：1 -3)

USING D InSAR TO MONITOR DEFORMATION OF FROZEN GROUND IN TIBETAN PLATEAU

Hu Bo1,2),Wang Hansheng1),Jia Lulu1,2),Wang Ping3),Hu Jun3)and FanWenjing4)

(1)Key Laboratory of Dynam ic Geodesy,Institute of Geodesyamp;Geophysics,CAS,W uhan 430077 2)Graduate Universty of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100049 3)Departm ent of Surveying and Land Infor m ation Engineering,Central South University,Changsha 410083 4)Shool of Geology Engineering and Geom atics of Chang’an University,Xi’an 710054)

The Lasa section of theQinghai-Tibet railwaywas selected as a test region.The defor mation of frozen ground in the test region were successfully monitored with D InSAR.Through the analysis of the deformation,it is found that the deformation conformes to the law of physical changes of frozen ground,frost heave and thawing settlement.It is shown that D InSAR technique has good prospects in defor mation monitoring for the frozen ground in Qinghai-Tibetan plateau.

Tibetan Plateau;frozen ground;Qinghai-Tibet rail way;frost heave and thawing settlement;D InSAR

1671-5942(2010)05-0053-04

2010-05-10

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(40825012)

胡波,男,1983年生,博士研究生,主要從事 InSAR研究.E-mail：hubo@asch.whigg.ac.cn

P227

A