基于时序InSAR的盐渍土区域地表形变过程建模与动态演化机理分析

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盐渍土具备的盐胀、溶陷及腐蚀等不良工程地质特性对自然环境和人工建筑物会造成破坏性灾害,比如边坡失稳、建筑物破裂、路基不均匀隆起或下沉以及地下金属管道腐蚀等。因此,在受盐渍土影响的区域开展大型工程建设、资源开发,特别是大型带状工程如铁路、公路和高压输电线路在穿越不同地质单元时,会存在由于不均匀形变导致的潜在地质灾害问题。监测并解译盐渍土区域的时序动态演化过程对于防控潜在地质灾害、合理开发自然环境和保障大型工程建设显得尤为重要。时序InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)作为一种新兴的对地空间观测技术,可实现对广域地表的高时空分辨率、高精度形变提取,已成功应用于城市地表、滑坡灾害、永久性冻土、高山冰川等多种复杂环境下的时序形变监测。随着大量SAR卫星的发射升空及SAR影像数据的不断积累,在面临盐渍土溶陷/盐胀等复杂地表形变提取精度和可靠性低,形变因子复杂导致常规时序InSAR解算模型适用性差,水热环境变化影响下盐渍土区域形变演化趋势不明,不同地质单元导致的差异性表层-深部形变边界模糊等问题时,传统小基线子集(Small-Baseline Subset,SBAS)时序形变分析方法存在解算流程单一性、数据利用低效性以及解算模型不适用性等缺陷,对地表区域性形变规律的精准探测和内在机理的合理解译,特别是潜在地质灾害的有效防控提出了新的挑战。本文正是瞄准上述问题与挑战,面向“一带一路”建设中氯/硫酸盐渍土区域地表动态演化规律探测和潜在地质灾害防控的重大需求,在国外选取伊朗“德黑兰至伊斯法罕高速铁路”工程穿越的典型硫酸盐渍土区域,国内选取“青藏铁路”工程穿越的典型氯盐渍土区域作为研究对象,主要针对“基于季节性时序InSAR干涉组合优化的盐渍土形变提取、顾及环境因子的盐渍土地表形变时序InSAR建模分析、多因子耦合的盐渍土区域动态演化过程建模及参数反演、基于水文模型解算的察尔汗盐湖区水体单元划分与验证”等四个方面开展深度研究。针对盐渍土区域存在显著季节性变化特征,系统研究了长时序差分干涉对的平均相干性变化规律,提出了基于高相干性干涉对的时序InSAR形变解算方法。通过对德伊高铁索尔坦盐湖段2014年10月至2020年7月间共3161幅干涉图和青藏铁路察尔汗盐湖段2015年5月至2020年5月间共2921幅干涉图的平均相干性进行统计分析,得到了盐渍土区域SAR散射信号的季节性变化规律,并提取了高相干性干涉组合参与时序InSAR形变解算,获得了卫星视线向(Line of Sight,LOS)高精度的时序形变信息。与传统SBAS-InSAR方法的解算结果进行对比,改进的时序InSAR方法大幅增加了有效相干点数量,增强了干涉图网络的稳定性,提高了解算结果的准确性和可靠性。针对单卫星轨道数据解算得到的LOS向形变在时序形变精细化建模和相关物理参数高精度反演方面存在的不适用问题,在优化单平台SAR卫星LOS向形变解算结果的基础上,提出了基于升/降轨卫星SAR数据和三次样条插值开展长时序二维形变解算的方法。通过对察尔汗盐湖区2015年至2020年共五年的升/降轨Sentinel-1A卫星SAR影像进行解算,得到了该区域具有统一时间跨度基准的高精度时序二维形变,验证了本文所提出的基于三次样条插值实现升/降轨、长时序的地表二维形变解算的有效性。针对时序InSAR形变解算中常用的线性形变模型无法适用于盐渍土区域地表非线性时序形变提取的问题,提出了联合三角函数并顾及环境影响因子的时序InSAR形变模型。以索尔坦盐湖区硫酸盐渍土为实验对象,提取得到了该区域盐渍土的长时序形变信息。经统计,采用本文所提出模型解算得到的时序形变最大均方根误差为8.6 mm,最小均方根误差为3.3 mm,与三次多项式模型和三角函数模型的解算精度相比有一定的提升,且成功分离了线性形变分量、季节性形变震荡强度以及降雨、温度影响的形变分量等,揭示了该盐渍土区域地表动态演化规律和内在机理。针对水热环境变化影响下盐渍土区域表层-深部动态演化规律难以探测的问题,本文通过考虑地下含水层水头变化对区域性地表形变产生的影响,提出了顾及环境影响因子并联合地下水文地质特征的时序InSAR形变模型及相关物理参数反演方法。选取察尔汗盐湖地区作为典型研究对象,构建了联合环境参数(温度、降水)与水文地质参数(地下水动态模型的强度系数和水文衰减系数)的耦合形变模型,成功分离了地表盐渍土形变分量和地下承压含水层水头变化引起的非季节性形变分量。通过对水文衰减系数的建模和反演,准确探测了已有断层和新发现断层的位置,并进行了不同水体单元的划分,进而为跨不同水体单元的潜在地质灾害防控提供了数据支撑。针对基于水文衰减系数划分得到的水体单元与地下深部结构之间的关系模糊问题,通过联合实测地层钻孔数据统计弱透水层累积厚度,建立了水体单元边界与弱透水层累积厚度之间关系。通过搜集察尔汗盐湖区50个地下钻井地层数据,并进行统计分析和普通Kriging空间插值,模拟了地层结构中弱透水层累积厚度的空间分布,发现在弱透水层累积厚度为2.8 m的等值线与衰减系数从0到-1突变的边界具有很好的一致性;通过选取两个子区域并计算水文衰减系数图与弱透水层累积厚度空间分布图之间的Jaccard相似系数,探清了衰减系数与弱透水层累积厚度之间高度符合的量化关系(A区Jaccard相似系数为0.866,B区Jaccard相似系数为0.879),同时验证了水文衰减系数作为划分不同水体单元和确定断层位置的可靠性,并拓展了水文地质单元划分的重要判据。本文所呈现的一系列研究成果为揭示内陆盐渍土区域动态演化规律和内在机理,以及防控潜在地质灾害和开展大型工程建设提供了创新性的方法和理论支撑。
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