基于Sentinel-1A...据的黑方台地区沉陷特征分析_张辉.pdf

Mar.,2023Vol.21,No.3地 理 空 间 信 息GEOSPATIAL INFORMATION2023 年 3 月第21卷第 3 期引文格式：张辉,党星海,李旺平,等.基于Sentinel-1A数据的黑方台地区沉陷特征分析J.地理空间信息,2023,21(3):52-58.doi:10.3969/j.issn.1672-4623.2023.03.012基于Sentinel-1A数据的黑方台地区沉陷特征分析（1.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 建筑勘察设计院，甘肃 兰州 730050；3.青海大学 地质工程系，青海 西宁 810016；4.兰州理工大学 设计艺术学院，甘肃 兰州 730050）摘要：甘肃黑方台地区由于长期大水漫灌引起台塬沉陷、塬边滑坡等自然灾害。为研究沉陷区域的空间分布特征和成因，以2017年9月2020年11月的Sentinel-1A影像为数据源，利用永久散射体（PS）与短基线集（SBAS）技术提取研究区地表沉陷信息；选取新源村与党川村滑坡高相干点D1、D2，结合灌溉、降雨、温度数据对两种结果进行交叉验证与分析。结果表明：两种技术识别的沉陷区域主要分布于新源村、方台村、朱王村、陈家村以及台塬周边，利用PS与SBAS技术在新源村和党川村解算得到的最大年均沉降速率分别为31.75 mm、28.65 mm和32.6 mm、28.4 mm，两种技术在空间分布和解算结果上一致性较高，SBAS技术提取的沉降点数量多于PS技术；由于23月温差较大，随着温度升高引起冻土融化，新源村与党川村滑坡均出现沉陷趋势，68月灌溉量和降雨量增多，导致黄土台塬沉陷，滑坡频发，8月后灌溉量与降雨量减少，新源村沉陷速率趋于平缓，而党川村滑坡在10月后产生冻结滞水效应，沉陷有加剧的趋势。两种技术可为黑方台地区健康发展与灾害防治提供科学依据与参考。关键词：Sentinel-1A；PS；SBAS；地表沉陷；黑方台中图分类号：P237文献标志码：B文章编号：1672-4623（2023）03-0052-07Subsidence Characteristics Analysis of Heifangtai Area Based on Sentinel-1A DataZHANG Hui1,DANG Xinghai1,2,LI Wangping1,ZHAO Jianyun3,JIA Liqi4,ZHANG Xiuxia1,HAO Junming1,ZHOU Zhaoye1,FAN Xincheng2(1.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Architectural Survey and Design Institute,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;3.Department of Geologic Engineering,Qinghai University,Xining 810016,China;4.School of DesignArts,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)Abstract:The plateau subsidence and tableland edge landslide were caused by long-term flood irrigation in Heifangtai of Yongjing,Gansu Prov-ince.In order to study the spatial distribution characteristics and causes of subsidence area,taking the Sentinel-1A images from September 2017to November 2020 as data sources,we used PS and SBAS technologies to extract the surface subsidence information in the study area.Then,combining with irrigation,rainfall and temperature data,we selected the high coherence points D1and D2located in Xinyuan Village and Dangch-uan Village,and cross-verified and analyzed the two sets of results.The results show that the subsidence areas identified by the two technolo-gies are distributed equally in Xinyuan Village,Fangtai Village,Zhuwang Village,Chenjia Village and the surrounding area of tableland edge.Themaximum annual average subsidence rates calculated by PS and SBAS in Xinyuan Village are 31.75 mm and 28.65 mm,respectively,and in Dan-gchuan Village are 32.6 mm and 28.4 mm,respectively.The spatial distribution and calculation results of two techniques are consistent.Due tothe great temperature difference between Xinyuan Village and Dangchuan Village from February to March,both areas show a tendency of subsid-ence with the increase of temperature.From June to August,large-scale irrigation and increased rainfall lead to the subsidence of loess tablelandedge and frequent landslides.After August,irrigation and rainfall decrease,the subsidence rate of Xinyuan Village tends to be flat,and the subsid-ence of Dangchuan Village has a tendency to intensify,which is closely related to the occurrence of landslide disaster in January 2021.These twotechnologies can provide scientific basis and reference for the healthy development and disaster prevention in Heifangtai.Key words:Sentinel-1A,PS,SBAS,surface subsidence,Heifangtai收稿日期：2021-08-27；修回日期：2021-12-09。项目来源：国家自然科学基金资助项目（51968042）。第一作者简介：张辉（1997），硕士研究生，研究方向为3S技术集成与应用，E-mail：。张辉1，党星海1,2，李旺平1，赵健赟3，贾丽奇4，张秀霞1，郝君明1，周兆叶1，樊新成2黄土是我国西北干旱、半干旱地区广泛分布的第四纪沉积物，包括碎屑矿物和黏土矿物，普遍具有发育良好的管状孔隙，在自重应力和附加应力共同作用下，浸水后土的结构被破坏，形成湿陷性黄土1-2，将对其上的建筑物造成一定的危害。甘肃省永靖县的黑方台地区属于典型的黄土台塬，长期大水漫灌导致台塬大面积沉第21卷第3期张辉等：基于Sentinel-1A数据的黑方台地区沉陷特征分析陷3，对当地人民生产生活造成严重威胁，为降低沉陷带来的安全隐患，需对黑方台地区的沉陷特征进行分析。传统地面测量手段以水准测量为主，由于监测范围小、成本高，已不能满足实际需求。合成孔径雷达（InSAR）是一种快速发展的遥感技术，通过SAR相位信息获得地表形变信息，可达到厘米级的监测精度，极大地提高了监测效率，但受空间和时间失相干影响严重。为减少该类误差带来的影响，赵富萌4等基于哨兵数据利用SBAS技术对中巴公路盖孜河谷地质灾害进行了早期识别，为地质灾害预警提供了科学依据；潘光永5等将SBAS技术应用于矿区沉降监测中，对矿区合理开采利用和灾害预防具有重要意义；王群6等将PS和OffsetTracking技术应用于滑坡中，可提前识别可能产生的滑坡体，为发生滑坡预警提供了有力依据；Novellino A7等将InSAR技术与机器学习相结合对滑坡进行风险评估，并取得了成效。因此，采用InSAR技术对黑方台地区进行地表沉陷监测，全面掌握黑方台地区地表沉陷变形的时空特征对早期滑坡识别十分重要。本文以黑方台地区为研究区，利用PS和SBAS技术对黑方台地区2017年7月2020年11月的38景Sentinel-1A数据进行处理分析；基于台塬与滑坡区域高相干性的同名点，利用两种技术进行交叉验证，并结合地表形变因素进行综合分析，以期为黑方台地区早期滑坡灾害识别与健康可持续发展提供数据支撑。1研究区概况与数据来源1.1研究区概况黑方台地区位于甘肃省兰州市西北部，距兰州40 km，总占地面积为13.4 km2，属黄河4级阶地；地处黄河北部、湟水河西部，地理范围为10327101033386E、360814361153N，由于特殊的地理位置，使其成为一个孤立的台塬。以虎狼沟为中界线，东部为黑台，西部为方台，黑台地势西高东低，方台地势北高南低，年均气温为9.4，年均降雨量为281.2mm。1986年水库淹没区的居民全部移居到黑方台，极大地促进了当地农业的迅速发展。引水灌溉工程的建立，实现了大规模灌溉。1984年以来，台地边缘发生了50多次滑坡8，山体滑坡的规模和频度不断增加，黑方台地区已成为甘肃省山体滑坡最严重、最频发的地区。研究区地层结构自上至下依次为黄土、粉质粘土、砂卵石和白垩系砂泥岩，台面高于周围河面100 m以上，地下水的补给来源主要为降雨和灌溉。大量灌溉水引起地下水位的上升，导致台塬沉陷与台塬周边滑坡的发生9。1.2实验数据本文以覆盖研究区的38景Sentinel-1 A（数据源自http:/www.esa.int/）以及相应的精密轨道数据为数据源，干涉模式和极化方式分别为宽幅干涉（IW）和垂直极化（VV），时间跨度为 2017 年 9 月2020 年11月，影像数据参数如表1所示。所用去除干涉地形相位的 DEM 来自 ASF Earth Data 网站（https:/search.asf.alaska.edu/#/），分辨率为12.5 m。灌溉量、降雨量数据借鉴参考文献10，温度数据来源于历史天气网。表1Sentinel-1A影像数据参数参数轨道方向入射角波段极化方式数量时间Sentinel-1A降轨36.1C同向极化382017-09-162020-11-112监测技术与数据处理2.1监测技术2.1.1PS-InSAR技术PS技术通