基于SBAS-InSAR技术的庆阳北石窟寺区域稳定性监测与分析.pdf

第 卷 第 期 年 月文物保护与考古科学 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划()资助作者简介:张 雄()男硕士毕业于兰州大学土木工程与力学学院研究方向为岩土质文物保护:.通信作者:和法国()男博士兰州大学土木工程与力学学院讲师研究方向为岩土质文物保护 :.文章编号:():././.基于 技术的庆阳北石窟寺区域稳定性监测与分析张 雄和法国张景科武金生杨 鑫刘 强.兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州 .西部灾害与环境力学教育部重点实验室(兰州大学)甘肃兰州 摘要:区域稳定性监测是石窟寺长期保护的一项重要措施 本研究以庆阳北石窟寺所在区域为对象基于 年的 景 卫星雷达影像采用小基线集合成孔径雷达干涉测量()技术对研究区稳定性进行监测获取了研究区雷达视线向形变速率及时序形变分析了研究区形变的空间、时间分布规律及其原因 监测结果表明:北石窟寺所赋存的覆钟山山体整体稳定存在微小形变不存在潜在滑坡变形特征研究区主要形变区沿河分布蒲、茹两河交汇处形变最为明显研究区时序形变呈现随季节变化的规律性造成其规律性的原因为随季节变化的土壤侵蚀和董志塬固沟保塬项目的实施 该研究证明了 技术在文物遗址区域稳定性监测的可行性以及其在具有长期性、可靠性的优势为石窟寺遗址长期预防性保护提供了新的思路和方法关键词:北石窟寺区域稳定性文物保护中图分类号:.文献标识码:引 言石窟寺是佛教建筑中最古老的形式之一是研究古代社会政治、经济、文化、宗教、建筑等方面的重要资料 石窟寺依托山体开凿受其所在区域的地质条件、构造运动和人类活动影响 一旦所在区域的稳定性发生改变就会影响石窟寺的稳定性严重时甚至导致毁灭性破坏 因此对石窟寺区域稳定性监测是必要的 目前常用的监测方法主要有:利用全站仪、水准仪等高精度光学仪器和光电测量仪器的大地测量法、利用全球导航卫星系统的 技术、利用无人机获取多时态影像数据的遥感技术等但传统方法常常受限于外业量大、监测周期长、监测成本高、测量精度、地形条件限制等因素影响在石窟寺区域稳定性监测领域应用效果较差 本研究采用成本低、空间连续性好、持续性好并具有可回溯性的()技术对其区域稳定性进行监测 技术是近 年来发展兴起、用于解决区域地表变形监测的新技术现已经在多个领域中广泛应用 如 年法国科学家 等将地形信息与地震前后获取的 图像相结合构建干涉图得到地震后地表形变数据 年法国科学家 等首次将 ()技术应用于滑坡监测领域 年 等将 技术应用于城市地区土地沉降的测绘中 年 等利用 技术对美国阿拉斯加冰河湾 的移动进行监测 年 等利用 ()技术获取长白山天池火山的变形时间序列分析得出长白山天池火山近年来异常活动明显的结论 年杨潇潇等利用 ()技术对三峡大坝形变进行监测研究 年 等利用 ()技术对江西省丰城某矿区进行地表沉降监测 但是技术应用在文物保护领域的研究与应用非常少 本研究利用 技术获取庆阳北石窟寺区域的地表形变信息并加以分析验证 技术 文物保护与考古科学第 卷在石窟寺区域稳定性监测的可行性 研究区现状北石窟寺位于甘肃省庆阳市西峰区董志乡寺沟川村的覆钟山下(如图 所示)蒲、茹两河交汇形成的二级阶地上蒲河自北向南与北石窟寺相距约 茹河自西向东在北石窟寺西南方向约 汇入蒲河该地区属于鄂尔多斯盆地的一部分图 北石窟寺立面图.北石窟寺所在的覆钟山基岩为白垩系砂岩上覆黄土是由董志黄土塬受蒲、茹两河及沟壑切割而成的小山 其山体风化特征明显北石窟寺上方存在一个小型古滑坡目前已基本稳定未发现有活动迹象山体局部裂缝的存在严重威胁了北石窟寺的稳定石窟开凿于覆钟山脚下的直立崖面崖体中发育有大量的裂隙这些裂隙的存在为水分在崖体及其表面的运移提供了通道导致北石窟寺砂岩表层风化病害严重发育使得北石窟寺的造像及壁画等文物本体遭受严重的损坏(图)尤其构造裂隙的发育使北石窟寺的保护受到严重的挑战 图 北石窟寺内造像和壁画遭受损坏.数据与方法.试验数据实验数据选择覆盖北石窟寺区域的 卫星 模式下极化方式为 的 景降轨(卫星沿轨道由北向南飞行)()数据进行研究(如表 所示)其空间分辨率为 时间跨度为.时间间隔为 并利用空间分辨率为 的()()数据用于去除地形相位利用 精密轨道数据去除平地相位.试验方法在地表形变监测中 技术被广泛应用但对于长时间缓慢变形由于空间失相干、时间失相干和大气延迟的影响其监测精度受到限制 年 等提出了 方法该方法利用人工建筑、裸露岩石等长时间仍能保持相干性的地物进行时序分析减弱了时空失相干和大气延迟的影像提高了区域地表形变监测的精度 但由于北石窟寺区域植被覆盖人工建筑物分布密度低等因素的影响 目标点选取受到了很大的限制 年 等提出了小基线集干涉测量()技术 技术通过设置较短的时间基线和空间基线的阈值得到多个主影像组成的干涉对利用 精密轨道数据去除平地相位 数字高程数据消除地形相位并采用 滤波法进行滤波提高信噪比 采用基于目标相干性的相干系数阈值法对点目标进行提取并建立方程联合最小二乘法和奇异值分解法进行求解从而获得高精度的长时序地表形变信息弥补了 在山区地表形变监测的不足 因此本研究采用更加适合北石窟寺区域的小基线集干涉测量()方法 结果与讨论.研究区形变速率本研究利用 技术对覆盖北石窟寺区域的 景 数据进行处理得到研究区雷达视线()方向形变速率(图)图中形变速率负值表示沉降正值表示抬升 显示庆阳北石窟寺区域整体形变速率较小形变速率集中在 /但空间差异性较大相变速率大的区域大体沿着蒲河、茹河分布第 期张 雄等:基于 技术的庆阳北石窟寺区域稳定性监测与分析 在蒲茹两河交汇处其变形尤其大最大形变速率达 /北石窟寺所依附的覆钟山形变速率较小在 /之间且呈现西南侧山体(北石窟寺开凿一侧)形变速率较大其他侧山体形变速率较小的规律图 插值法得到的 方向形变速率.北石窟寺按赋存环境区域划分属于甘肃陇东区庆阳小区其环境特征为区域内黄土地貌极为发育受降水剥蚀、河流切割塬高谷深沟壑纵横分布有大小不等的塬、梁、峁、崾岘与坪、川等多阶状地貌石窟开凿于塬边沟壑之地的砂岩陡壁之上其为中生代白垩系底层强度适中利于石雕造像但由于气候较为潮湿风化问题严重 构造上庆阳地区属于鄂尔多斯盆地西南部基底较为稳定活动性弱由上述北石窟寺区域形变速率及其赋存环境可以推测出北石窟寺赋存的覆钟山整体稳定存在微小形变但不存在潜在滑坡蠕动变形特征 其形变产生的主要原因推测为土壤侵蚀北石窟寺属于黄土高原东南部温带大陆性半湿润季风气候区根据其形变沿河分布的特征可以看出该区域侵蚀方式主要为水力侵蚀风力侵蚀为次要方式 在现场调查中能够观察到明显的风化特征局部有节理裂隙出露且结果显示北石窟寺上方形变速率较大是造成崖体出现大量裂隙导致北石窟寺的造像及壁画等文物本体遭受损坏的原因之一建议在今后的保护研究中采取持续的地表形变监测措施.研究区累计形变为了更直观地分析北石窟寺区域地面形变变化趋势及规律以 年 月 日为第一时相设其位移量为 绘制其后每个时相相对于第一时相的形变量即累计位移量得到近年来研究区时间序列形变结果(图)图中形变值负值表示沉降正值表示抬升该图与图 所示区域范围大小、位置均一致 文物保护与考古科学第 卷图 北石窟寺区域时序形变结果.由图 可知蒲茹两河交汇处率先开始产生形变形变值随着时间逐渐变大形变面积随着时间不断扩张对北石窟寺区域稳定性产生了一定的影响选取 个典型点(图)绘制地表的时序累计形变量图(图)图中形变量负值表示沉降正值表示抬升图 典型点时序累计形变量图.从图 可以看出该区域在、月份基本无形变发生 月份为造成形变主要月份且靠近河流处产生形变较大远离河流处产生形变较小 月份基本稳定可以得出结论研究区形变结果季节性变化的规律 土壤侵蚀同样呈现出随季节变化的规律性其主要原因为气候的季节变化造成土壤侵蚀的外营力如水力、风力、冻融和动物活动的变化 在春季 月份随着气温上升冬季冻结的土壤表层首先融化而下部仍然冻结形成隔水层上部被水浸润的土体成流塑状态受重力影响向下流动、蠕动或滑塌冻融侵蚀活跃 且春季是该地区风力最强劲的季节风力侵蚀也十分强烈 随着夏季的到来草木萌发动物侵蚀开始增强 月以后进入降雨季节根据该地区年降水量分布 年 月降水量占全年降水量 水力侵蚀在该时间段最为强烈也是一年中土壤侵蚀最主要的时候 随后逐渐减弱在 月份到来年 月份风力、水力侵蚀都较弱侵蚀作用不明显 由此导致了研究区形变结果的规律性同土壤侵蚀一致造成其形变的主要因素为土壤侵蚀从图 可以看出 年 月份开始研究区形变量显著减少其原因除上述季节性影响风力、水力侵蚀均较弱外分析主要为董志塬固沟保塬水土保持生态建设项目的顺利完成对研究区稳定性产生了积极的影响 据了解早在 年为遏制董志塬溯源侵蚀严重的现象庆阳市政府开展了董志塬治理保护专题研究和讨论 并于 年对危险性较高的 条沟道开展了先期治理 年董志塬固沟保塬水土保持生态建设项目正式由国家启动以“固沟保塬以沟养塬”为保护理念在塬第 期张 雄等:基于 技术的庆阳北石窟寺区域稳定性监测与分析 面、沟头、沟坡、沟底构筑四道防线 塬面径流调控、沟头沟岸加固防护、坡面林草植被恢复、沟道水沙集蓄 截至 年年底完成了 条大型抢救性沟头沟道综合治理项目基本遏制了塬面萎缩、沟壑发展的趋势 该项目在遏制董志塬溯源侵蚀现象的同时对庆阳北石窟寺区域的稳定性也产生了积极的作用其遏制了覆钟山崖体节理裂隙的发育减弱了北石窟寺的造像及壁画等文物的进一步损坏对北石窟寺长期保护起到了不可忽视的积极作用 结 论本工作基于小基线集干涉测量()技术利用 年 月 日 年 月 日期间 景 数据对庆阳北石窟寺区域稳定性进行监测 监测及分析结果如下:)在 年期间北石窟寺所在的覆钟山形变速率为 /山体相对稳定未发现明显滑坡变形特征的迹象其中覆钟山西南侧(即北石窟寺开凿一侧)变形相对较大形变速率为 /覆钟山其他侧方向变形相对较小形变速率为 /)北石窟寺西南方向约 处蒲茹两河交汇及其周边区域形变速率较大为 /推测其原因为蒲、茹河两河的侵蚀以及周边大量建筑的影响)从时序累计形变图中可以看出北石窟寺区域形变集中在 月份根据该地区年降雨量分布得出期间降雨量的增加增强了水力侵蚀加速了对土壤的破环进而使北石窟寺部分区域产生形变但随着 年年底董志塬固沟保塬项目的顺利实施研究区土壤侵蚀现象的到了有效遏制研究区在 年 月份形变量微小北石窟寺区域稳定性得到加强)本工作验证了小基线集干涉测量()技术在文物保护领域尤其是石窟寺区域稳定性的长期监测的可行性为石窟寺遗址长期保护提供了新的思路和方法也期待 技术在文物保护领域更加深入的研究和应用参考文献:黄克忠.中国石窟的保护现状.敦煌研究():.():.汤国强.大地测量法数据处理系统在三峡高边坡监测工程的应用.测绘通报():.():.李治洪.系统在黄金峡坝肩边坡变形监测中的应用.人民黄河():.():.冯琪徐廷海.无人机航摄技术在地表变形监测中的应用.智能城市():.():.姜云辉王金华黎利兵等.石窟岩体稳定性监测系统应用与研究.文物保护与考古科学():.():.杨琛.中国古代建筑遗产本体监测指标体系及其适用性技术初探.天津:天津大学.:.():.(/):.:/.(/):.():.杨潇潇赵超英.基于 技术的三峡大坝形变监测.测绘技术装备():.():./“”.:.张景科张理想郭青林等.庆阳北石窟寺砂岩表层风化特征 文物保护与考古科学第 卷与地层岩性的关系研究.西北大学学报(自然科学版)():.()():.王彦武韩增阳郭青林等.甘肃庆阳北石窟寺水环境特征研究.西北大学学报(自然科学版)():.()():.李文军.北石窟寺地下水与石窟岩体潮湿渗水的关系及地下水治理措施.敦煌研究():.():.():.():.肖洪敏张文江田云锋等.基于 方法的岷江上游峡谷区地表沉降的坡向分异规律研究/.遥感技术与应用:.:/././.:.:/./.姜乃齐.基于 技术的高速公路沿线沉降监测研究.昆明:昆明理工大学.:.张宏雪曾润强孙萍萍等.基于 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