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利用SARscape對日本填海造陸和天然氣開採進行地表形變監測

日本千葉市,是日本南部重要的工業港市。位於西部的浦安市是一個典型的"填海造田"城市,東南部的東金區有一片天然氣開採區域,本文利用SARscape,用干涉疊加的方法,即PS和SBAS,對這兩個區域進行地表沉降現象的監測。

1、監測區域

日本千葉市:

圖1 日本千葉市監測區範圍

2、資料情況:

2006-2010年,26期ALOS PALSAR-1資料。

2006-2010年,32期ENVISAT ASAR資料。

兩組資料,分別是L波段的PALSAR資料和C波段的ASAR資料,覆蓋相同的區域。資料量都大於20景,滿足PS和SBAS的要求。

3、監測結果與分析

對兩組資料,整個區域分別進行SBAS處理,形變速率圖上可看出,兩個結果是一致的,然而,PALSAR在空間的連續性上更好,ASAR則有較多的無效值,這也說明L波段的資料相干性要比C波段的高。不過,對已知的形變區域,兩個結果表現出很高的吻合度。

圖2 SBAS處理得到的平均形變速率(藍色:-15mm/年,紅色5mm/年),左圖為PALSAR的結果,右圖為ASAR的結果

在整體監測的結果圖上,監測到了兩個形變區域:一個是位於西部的一個垃圾填埋場,另一個是位於東南部的天然氣開採區域,這兩個區域也是我們已知的形變區域。下面分別對這兩個已知的形變區域再做區域性的分析。

1、垃圾填埋(填海造陸)區域:下圖為千葉縣浦安市在1950年、1975年、1980年的填海面積:

圖3 千葉浦安市的填海面積

對這個區域,分別用PS和SBAS的方法進行SAR時序分析,得到的結果如下圖所示:

圖4 浦安地區2006-2010年的平均位移速速率圖,26期PLASAR的結果(上),32景ASAR資料的結果(下),左邊是SBAS結果,右邊是PS結果

分析PALSAR和ASAR資料的PS和SBAS結果,均表現為:在城市區域,PS的點密度很高,和SBAS得到的結果一樣,而PS結果的空間解析度要比SBAS的高。而分析同一個點在監測時間段內的形變過程,如下圖,綠色為SBAS的結果,紅色為PS的結果,無論是哪一種資料,SBAS得到的結果更為平滑。

圖5 同一個點在時間序列上的形變過程(綠色為SBAS結果,紅色為PS結果,上圖為PALSAR結果,下圖為ASAR結果)

  1. 南部東金區域的天然氣開採區

下圖為天然氣開採公司(KNG)提供的天然氣資源儲存和開採圖以及相應的地質調查圖。在調查範圍5年內,絕大部分割槽域都有沉降發生,最大達到了20cm。這是由天然氣開採再注入水造成的地表形變,

圖6 南部東金天然氣開採區域

圖7 5年的東金區地表調查圖

對該區域性區域分別用PALSAR資料和ASAR資料做PS和SBAS處理,結果如下:

圖8 東南地區2006-2010年的平均位移速速率圖mm/年

26期PLASAR的結果(上),32景ASAR資料的結果(下),左邊是SBAS結果,右邊是PS結果。對比兩個資料的PS和SBAS的結果,PALSAR資料在非城市區域得到的PS點密度和SBAS的一致,而ASAR資料,由於在天然氣開採之後注入大量的水,PS得到了很少的一些PS點,不過SBAS能反應出整個區域的形變情況。

4、結果驗證

用從GSI地理網得到的實測的GPS資料進行結果驗證。下圖是穩定的GPS點的位置分佈:

圖9 穩定的GPS點的位置

對GPS點測量到的值繪製在時間-位移座標系,可以看到GPS的位移隨著時間有所波動,整體來看錶現出一個線性的變化,對實測值進行線性擬合,得到紅色的這條趨勢線。如下圖所示:

圖10 一個穩定的GPS點的位移實測值曲線(黑色線)及擬合結果(紅色線)

將擬合的值作為GPS點的實測值,和SBAS得到的結果進行求差,兩者之差的絕對值小於等於5mm/年。

圖11 PALSAR的SBAS結果和GPS點擬合值的差

圖12 ASAR的SBAS結果和GPS點擬合值的差

將GPS實測值的擬合值和SBAS得到的年平均速率之差進行統計分析,得到的結果如下表所示:

表1:GPS實測擬合值和SBAS得到的平均速率之差的統計值

 

GPS-PALSAR

GPS-ASAR

平均差

-0.28mm/年

-1.1mm/年

標準差

1.9mm/年

1.8mm/年

通過與實測值對比分析,SAR干涉疊加技術可以得到較高的形變測量精度。