基于时序InSAR的黄土高原人类工程活动扰动区地表形变监测与机理分析-以延安新区为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 周朝栋 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 兰恒星 |
| 关键词 | InSAR 地表形变 沉降 抬升 工程扰动 黄土高原 延安新区 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 随着我国“西部大开发”的稳步推进及“一带一路”倡议的实施，黄土高原地区正在开展一系列“平山造城”、“治沟造地”、“固沟保塬”等大规模的人类岩土工程活动。其中黄土高原中部的延安新区建设工程是目前全球范围内湿陷性黄土地区“平山造城”规模最大，最具代表性的岩土工程。人类工程活动对该区域的地形地貌、应力场、水文地质、生态环境等产生了巨大的扰动作用。扰动区内施工完成初期存在一系列的地面沉降、边坡失稳等地表形变现象。地表形变过程是地质环境演化的一个重要表象，其往往伴随着地质灾害（地面沉降、地裂缝和滑坡等）的孕育和发生，严重时危害人们的安全生产和生活。针对人类工程活动扰动区地表形变的监测和水文地质环境过程的理解一直是工程地质、遥感科学、测绘工程和地理信息系统等学科交叉研究的热点问题。如何获取精准且全面的地表形变信息、探明扰动区内地表形变的演变过程规律及其发生机理，是地质灾害防治工作的重要基础研究。 传统水准测量、GPS和分层标等离散点形变监测方法已无法满足当今全域形变信息获取的需求。新一代先进的合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术以其全天候、全天时和高精度等优势快速发展成为一种高效、精准地获取地表形变信息的遥感影像测量方法。然而，黄土高原人类工程扰动区内，由于填方区存在植被生长变化、高填方区域快速形变等现象，导致雷达影像干涉处理过程中失相干情况严重。目前主流的时序InSAR方法（永久散射体法和小基线集法）仍然无法有效的获取扰动区内全域的形变结果，特别是高填方、快速沉降区内形变信息缺失现象严重。扰动区内地面沉降和抬升的时空演变模式、填方区域地面沉降发生的严重程度，挖方区是否存在地面回弹现象及回弹程度都仍未得到有效的监测和证实；地表形变（沉降和潜在抬升）的发生机理仍未得到科学的解释。基于以上难题，本研究针对延安新区“平山造城”工程完工初期阶段，传统InSAR方法在扰动区内形变信息缺失的问题，采用双层网络连接永久散射体和分布式散射体的方式改进时序InSAR方法，并以延安新区“平山造城”和延安南沟“治沟造地”工程扰动区为例进行长时间序列的地表形变遥感监测。同时结合地面水准、GNSS、IBIS等形变监测技术方法，交叉验证改进的时序InSAR方法获取形变结果的精准度。在获取优化后的SAR地表形变结果基础上，本研究继续探索了扰动区内地表形变发生的时空演变规律，黄土边坡形变的“呼吸效应”、季节性波动等演化过程。进一步对延安新区地表形变的发生机理进行模型解释。本研究获取的主要结论和创新点如下： （1）针对工程扰动区现有传统InSAR监测结果形变点空间密度低的难题，采用双层网络连接永久散射体和分布式散射体的方式，改进了永久散射体和分布式散射体的筛选条件，获取了延安新区更高密度的形变像元监测结果。延安新区的高填方区域由于季节性植被覆盖和沉降速度快等因素致使InSAR处理过程中失相干严重，导致主流时序InSAR监测方法如：永久散射体法（PSI）和小基线集法（SBAS）在该区域的形变监测结果中形变信息缺失严重。本研究针对填方区像元的时序相干性和后向散射特性，结合传统PSI和SBAS特点，提出了双层构网结合连接永久散射体（PS）和分布式散射体（DS）的方法进行扰动区形变像元的筛选。首先综合考虑振幅离差指数ADI、综合相干性ACC和旁瓣阈值（SLT）三个指数优化PS点筛选；其次采用相干权重相位连接法（CWPL）优化分布式散射体相位重估过程。改进方法不仅保证了高质量的PS像元，又增加了低相干区域分布式散射体的有效识别，最终显著提高了扰动区地表形变信息点的空间密度，解决了扰动区InSAR时序形变监测过程中因失相干和快速形变而无法获取有效形变信息的难题。对比传统PSI和SBAS方法，改进方法获取的结果不仅增加了形变点的空间采样率与分布密度，并且提供了细节更丰富的形变结果，同时在一定程度上提高了相位解缠的可靠性，获取了更为准确的地表形变结果，进而为延安新区建成后地表形变发生的时空模式和地表形变发生机理提供了更好的支撑。 （2）针对工程扰动区域地表形变的演变过程及规律仍不明晰的难题，以优化的高密度形变监测结果为基础，采用了地理信息系统空间量化分析的方法，探究了填方区地面沉降的时空演变规律、首次捕捉到了罕见的挖方区地面回弹现象的整个时空演变过程和黄土边坡温控形变的“呼吸效应”。基于改进时序 InSAR方法获取的高密度形变结果，分别从扰动区的三个空间尺度（全域形变场、重点沉降漏斗和抬升区域、重点高边坡区域）进行地表形变的GIS量化时空演变分析。研究发现了延安新区建成后扰动区存在严重的不均匀形变现象：大范围的沉降集中分布在填方区，罕见的相对微弱的回弹现象发生在主要的挖方区。延安新区从2015到2019年间最大累积沉降和抬升量分别约为-350mm和+130mm，主要存在三个大范围的沉降区域，桥沟沉降区（漏斗S1）、金塔沟沉降区（漏斗S6）、西北沉降区（漏斗S2-S5）和九个抬升区域（R1-R9），最大沉降速率达到-87mm/a，最大抬升速率为+26mm/a。最大的桥沟沉降漏斗（S1）由北向南呈现出三个沉降梯度，沉降量依次增加，第三阶梯存在两个沉降中心（累计沉降量都大于300mm）；空间统计表明扰动区的地面破裂现象多发生在不均匀沉降最为严重的填挖边界区域。延安新区内回弹现象主要分布在西北-东南走向的9个抬升区。时间序列的抬升信息发现了挖方区地表回弹现象的整个发展过程可以分为三个不同阶段：快速回弹期间，缓慢回弹期，新的平衡期。星载InSAR和地基IBIS对延安南沟“治沟造地”扰动区的监测表明：改进的时序InSAR方法相对传统PSI形变监测结果提升明显；黄土边坡形变结果表现出日时间尺度的温控形变“呼吸效应”和长时间尺度的季节性波动规律。 （3）针对工程扰动作用下地表形变发生的机理不明的难题，采用空间统计模型和正演地球物理模型，模拟了地表形变发生的关键诱发因子高程变化量和形变量之间的相关性，验证了地面回弹现象的多孔粘弹性形变机制。本研究在探明扰动区地表形变的时空演变模式的基础上，进一步通过地理空间统计模型，揭示了地表形变量和地表高程变化量之间的相关关系：扰动区地表形变量和其主要诱发因子（工程前后的地表高程变化量）表现出较强的线性负相关，高程增加的区域（填方区）表现为地面沉降现象，高程增加量越大，沉降量越大；高程减少的区域（挖方区）多发生地面回弹现象，高程减小量越大，抬升量越大；同时发现了沉降和回弹现象对高程变化量的敏感程度并不一致，这也一定程度上反映出沉降和回弹的机制并不相同。地面沉降的发生主要原因为填方区域重塑土的压缩、排气和固结等过程。针对回弹现象，通过参考形变模型（PREM）结合黄土属性构建了正演的地球物理模型，参考工程扰动区水文地质环境变化，模拟了研究区内的回弹过程。结果表明地面回弹现象的主要原因为短期荷载移除引起的弹性形变和水文地质环境变化引起的多孔粘弹性形变。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 233 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186899]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周朝栋. 基于时序InSAR的黄土高原人类工程活动扰动区地表形变监测与机理分析-以延安新区为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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