大地测量与地球动力学

参数	Sentinel-1A
轨道方向	升轨
轨迹编号/框幅编号	40/117
航向角/(°)	-9.67
入射角/(°)	33.67
分辨率/m	2.33×13.96
时间段	2017-03-14—2022-10-26
影像数量	167

参数	Sentinel-1A
轨道方向	升轨
轨迹编号/框幅编号	40/117
航向角/(°)	-9.67
入射角/(°)	33.67
分辨率/m	2.33×13.96
时间段	2017-03-14—2022-10-26
影像数量	167

基于StaMPS和SBAS-InSAR的隆尧地裂缝及周边地表形变监测

侯祖行 ¹ , 杨成生 ²^,³^,⁴^,* , 董继红 ⁵ , 陈利东 ¹ , 王坤 ¹ , 赵子逸 ¹

大地测量与地球动力学 | 地壳运动 2025,45(4): 418-425

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大地测量与地球动力学 |地壳运动 2025 , 45 (4) : 418 -425

基于StaMPS和SBAS-InSAR的隆尧地裂缝及周边地表形变监测

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侯祖行¹, 杨成生²^,³^,⁴^,*, 董继红⁵, 陈利东¹, 王坤¹, 赵子逸¹

作者信息

1 河北省地质矿产勘查开发局第六地质大队(河北省地质矿产勘查开发局航空测量应用中心), 石家庄市中山西路891号, 050000

2 长安大学地质工程与测绘学院, 西安市雁塔路126号, 710054

3 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 南京市珠江路700号, 210004

4 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安市雁塔路126号, 710054

5 四川省综合地质调查研究所稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室, 成都市人民北路25号, 610081

通讯作者:

杨成生, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为InSAR地质灾害监测理论与应用, E-mail: yangchengsheng@chd.edu.cn

YANG Chengsheng, professor, PhD supervisor, majors in theory and application of InSAR geological hazard monitoring, E-mail: yangchengsheng@chd.edu.cn

作者简介:

侯祖行, 助理工程师, 主要研究方向为InSAR在地质灾害方面的应用, E-mail: 3070181373@qq.com

Monitoring of Surface Deformation in and around the Longyao Ground Fissure Based on StaMPS and SBAS-InSAR

Zuxing HOU¹, Chengsheng YANG²^,³^,⁴^,*, Jihong DONG⁵, Lidong CHEN¹, Kun WANG¹, Ziyi ZHAO¹

Affiliations

1 The Sixth Geological Brigade of Hebei Province Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development (Aerial Survey Application Center, Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development, Hebei Province), 891 West-Zhongshan Road, Shijiazhuang 050000, China

2 School of Geological Engineering and Geomatics, Chang'an University, 126 Yanta Road, Xi'an 710054, China

3 Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, MNR, 700 Zhujiang Road, Nanjing 210004, China

4 Key Laboratory of Mineral Resources and Geological Engineering in Western China, Ministry of Education, 126 Yanta Road, Xi'an 710054, China

5 Evaluation and Utilization of Strategic Rare Metals and Rare Earth Resource Key Laboratory of Sichuan Province, Sichuan Institute of Comprehensive Geological Survey, 25 North-Renmin Road, Chengdu 610081, China

HOU Zuhang, assistant engineer, majors in InSAR application in geological hazards, E-mail: 3070181373@qq.com

出版时间: 2025-04-15 doi: 10.14075/j.jgg.2024.05.213

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摘要

收起

基于StaMPS和SBAS-InSAR技术获取2017-03—2022-10河北隆尧地裂缝及周边的地表形变结果。结果显示，2种技术监测结果较为一致，说明结果可靠；巨鹿县周边的地面沉降较严重，已形成较大规模沉降区，最大形变速率超过-30 mm/a; 提取的时序结果均呈周期性变化，且与地下水水位和降水量变化一致性较高；隆尧地裂缝两侧地表的最大形变速率差超过40 mm/a, 最大形变量差超过200 mm, 实地调查发现，地裂缝引发的地表差异形变对当地造成巨大影响。

关键词

地面沉降 / StaMPS / SBAS-InSAR / 隆尧地裂缝 / 地下水 / 降水量

Abstract

收起

The surface deformation results in and around Longyao ground fissure, Hebei province from 2017-03 to 2022-10 were obtained based on StaMPS and SBAS-InSAR. The results show that the monitoring results of the two techniques are consistent, indicating that the results are reliable. The land subsidence around Julu county is serious, and a large scale subsidence area has been formed, with the maximum deformation rate exceeding-30 mm/a. The temporal results of extraction showed periodic changes, and were consistent with groundwater level and precipitation. The maximum deformation rate difference and the maximum shape variable difference between the two sides of the Longyao ground fissure are over 40 mm/a and over 200 mm respectively. The field investigation shows that the surface differential deformation caused by the ground fissure has a great impact on the local area.

Key words

land subsidence / StaMPS / SBAS-InSAR / Longyao ground fissure / underground water / precipitation

引用本文

侯祖行, 杨成生, 董继红, 陈利东, 王坤, 赵子逸. 基于StaMPS和SBAS-InSAR的隆尧地裂缝及周边地表形变监测. 大地测量与地球动力学, 2025 , 45 (4) : 418 -425 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.05.213

Zuxing HOU, Chengsheng YANG, Jihong DONG, Lidong CHEN, Kun WANG, Ziyi ZHAO. Monitoring of Surface Deformation in and around the Longyao Ground Fissure Based on StaMPS and SBAS-InSAR[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2025 , 45 (4) : 418 -425 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.05.213

正文

收起

我国70%的地裂缝集中于华北地区^[1]。河北邢台的隆尧地裂缝作为华北地区的典型代表，自1966年邢台地震形成以来，已成为该地区规模最大、破坏性最强的地裂缝。该裂缝延伸至20多个村庄，最大宽度20 cm，可见深度数米^[2-3]。

合成孔径雷达干涉测量(interferometeric synthetic aperture rader，InSAR)技术是当下重要的空间对地观测手段之一，其能大范围、全天候、高精度地获取地表形变信息，已被广泛用于地质灾害调查和监测中。近年来，许多学者利用InSAR技术对国内一些比较典型的地裂缝灾害进行监测，取得了较好的研究成果^[4-5]。

隆尧地区工农业生产持续加大，其对隆尧地裂缝及其周边的影响备受关注。为此，本文基于2017-03—2022-10的167景Sentinel-1升轨影像，采用StaMPS和SBAS-InSAR技术对隆尧地裂缝及其周围区域进行监测，得到该区域沉降区的空间分布和时序变化特征，并对隆尧地裂缝的长时序活动规律进行分析，探讨地表形变的影响因素，为城市地面沉降和地裂缝灾害的监测与防控提供参考。

1 研究区概况和实验数据

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本文研究区位于华北平原中心区域，范围为114°33′~115°02′E、37°12′~37°33′N，属暖温带大陆性季风气候，年均降水量478.2 mm，整体地势西北高、东南低，处在宁晋-衡水断凸、临清断凹和邢衡隆起3个构造单元的交界处。隆尧地裂缝位于山前倾斜平原堆积区，属于华北板块地壳活动较强烈的地区(图1)，区域内分布有多条正断层性质的断裂带^[6-7]。地裂缝的致裂应力由巨大的覆盖层提供。该地区在1966-03-08—29发生5次6级以上地震，地震震中位于现今隆尧地裂缝的南北两侧，这些地震导致华北平原地区多地地裂缝发育^[8]。

下载2017-03-14—2022-10-26的167景Sentinel-1升轨影像，影像参数信息见表1。数据处理过程中使用30 m分辨率的SRTM DEM数据用于像元的地理编码、消除干涉图中的地形相位；使用欧空局提供的精密轨道卫星星历数据进行轨道精化，去除因轨道误差引起的系统误差^[9]。

2 技术方法与数据处理

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2.1 SBAS-InSAR技术

SBAS-InSAR技术可以有效削弱失相干误差、大气误差、DEM误差等因素的影响，从而获得高精度的地表形变结果。该技术是将所有SAR影像按照最优时空基线分成不同的短基线子集，各子集影像进行干涉生成差分干涉图并开展相位解缠，然后利用奇异值分解方法联合各子集的解缠相位获取地表形变时间序列的最小二乘解^[1]。

2.2 StaMPS技术

StaMPS技术是利用多景覆盖同一地区的SAR影像，选择其中一景为主影像，使其他影像与主影像配准并生成干涉图，通过振幅离差指数阈值方法初选PS点；然后基于像素的时间相关性对相位稳定性进行评定，采用三维相位解缠算法进行解缠，并对解缠相位进行时域高通滤波和空域低通滤波，估计并去除干涉相位中空间相关的分量，从而得到形变相位^[10]。

2.3 数据处理流程

本文主要采用StaMPS技术获取研究区的地表形变信息，选取2019-12-29的影像为主影像。剔除空间基线大于80 m的干涉对以保证干涉相位质量，最终得到138幅干涉图，其时空基线分布见图2(a)。将振幅离差指数阈值设为0.4，从配准后的SAR影像中选取PS候选点，最大迭代次数设为4，计算每个PS候选点的相位噪声值，选出高质量PS点。采用时空滤波方法分离并剔除地形误差、轨道误差、大气误差等误差；采用时空三维相位解缠方法对干涉图进行解缠，得到地表形变信息。由于缺乏其他轨道的卫星影像，采用SBAS-InSAR技术对获取的SAR影像进行处理，与StaMPS结果进行对比验证。选取2019-12-29的影像为主影像，时间和空间基线阈值分别设为33 d和±150 m，剔除相干性差、有明显误差的干涉图，最终得到308幅干涉图，其时空基线分布见图2(b)。

3 实验结果与分析

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3.1 大范围监测结果分析

按上述流程对收集的SAR影像进行处理，得到研究区2017-03—2022-10雷达视线向(LOS)的形变速率结果(图3)，图中正值表示靠近卫星视线方向，负值表示远离卫星视线方向。可以看出，2种技术获得的形变速率结果一致性较高，形变区的位置基本一致，但部分点在形变数值上略有差异。StaMPS结果在部分区域，尤其是形变区的形变速率值略偏大。导致结果存在差异的因素有：1)2种技术获取的监测点位置不一定相同，StaMPS技术获取的PS点主要集中于建筑物、道路等较稳定地物，而SBAS-InSAR技术可手动选取相干点，从而获得数量更多、密度更集中的相干点；2)2种技术在处理方法(如选择候选点的算法)和参数设置(如相干点阈值)上不同^[11-12]。

图3显示，研究区内的地表形变分布并不均匀，高邑县西部、临城县、内丘县、宁晋县周围和邢台市西部地表较为稳定，形变速率为-10~10 mm/a。隆尧地裂缝、束鹿断凹东缘断裂、新河-南宫断裂两侧地面形变严重：新河县周围及西部、隆尧县周围、任县东部地表有所抬升，局部形变速率超20 mm/a；高邑县东部、柏乡县北部、巨鹿县周围、南宫市西部地表存在严重沉降，局部形变速率超-30 mm/a，其中巨鹿县周围已形成较大规模沉降区，值得重点关注^[13]。查阅资料发现，研究区的地面沉降主要由地下水超采所致，地面抬升主要受附近断裂带、区域地质构造影响，其中隆尧县附近区域的抬升主要受隆尧地裂缝的影响^[14]。由于隆尧地裂缝具有正断性，因而表现为裂缝北部的下盘相对上升、南部的上盘相对下降，而隆尧地裂缝又受控于隆尧断裂，所以该区域的抬升还受附近断裂的影响。

3.2 内符合精度验证

由于未收集到监测时段内的外部验证数据，故采用内符合精度验证方法验证结果的精度，即提取2种技术监测结果同名像点的形变速率值，计算2种技术形变速率结果的线性值(图4(b))。同时，用StaMPS技术的形变速率值减去SBAS-InSAR技术的形变速率值，获得同名像点上2种技术形变速率的差值，统计差值得到分布直方图(图4(a))。结果表明，2种技术形变速率结果的相关系数为0.88，标准差为5.06 mm/a，证明2种技术监测结果的一致性较好，监测结果可靠。

3.3 时序结果分析

为分析研究区长时序的形变特征，选取区内4个县城(新河县、巨鹿县、隆尧县和宁晋县，图5(a))和3个沉降中心(团城村、堤村乡和固城店镇，图5(b))，基于StaMPS结果提取时序形变结果。可以看出，新河县和隆尧县的最大累积形变量分别达210 mm和90 mm，整体形变均表现为抬升，新河县抬升趋势较急，隆尧县较缓；巨鹿县的累积形变量在2019-02前后达到最大，为-40 mm，之后形变减缓；宁晋县的最大累积形变量为-80 mm，其在2018-02前沉降较快，之后变缓。团城村、堤村乡和固城店镇的沉降均较严重，最大累积形变量分别达-250 mm、-170 mm和-160 mm。

3.4 隆尧地裂缝两侧差异形变分析

从图3可以看出，隆尧地裂缝两侧存在一定的差异形变。为更加清晰地分析地裂缝的活动特征，将图3中的红色方框区域裁剪放大(图6)。可以看出，地裂缝北侧地表处于抬升状态，形变速率超过10 mm/a，南侧大部分区域地表相对稳定，部分区域出现沉降，局部形变速率超过-20 mm/a。为验证InSAR结果的可靠性和获取研究区受地裂缝影响的实际情况，对隆尧地裂缝沿线区域进行实地考察(图6(c))。可以看出，隆尧地裂缝引发的地表差异性形变给当地居民生活和建筑设施带来巨大影响，野外调查结果和InSAR监测结果较为相符。

进一步分析隆尧地裂缝两侧地表的差异形变，提取跨地裂缝两侧的剖线和点对的时序结果，其中时序点P₁~P₄的位置如图6(a)中的蓝色五角星所示，剖线AB和CD的位置如图6(a)、6(b)中的黑色虚线所示，结果见图7和图8。从图7可以看出，剖线AB和CD北侧地表的形变表现为抬升，南侧为沉降，两侧地表的最大形变速率差分别达到30 mm/a和40 mm/a，最大累积形变量差分别超过150 mm和200 mm。从图8可以看出，地裂缝两侧2组时序点的最大累积形变量差分别达到130 mm和250 mm。其中，时序点P₃和P₄的形变趋势较为均匀，形变速率较为稳定；时序点P₁和P₂的形变趋势波动较大，尤其是P₂点，其在2017-12前表现为抬升，之后开始呈下沉趋势，2022-04前后又开始抬升。推测P₂点所在区域的地下水在2017-12前和2022-04后得到补充，水位有所升高，从而导致地表抬升。

图7和图8显示，2017—2022年隆尧地裂缝两侧的最大形变速率差为40 mm/a，这与已有结果较为一致^[15]，比2007—2011年的50 mm/a^[16]有所降低。查阅资料发现，国务院和自然资源部于2012年和2019年相继发布《全国地面沉降防治规划》和《京津冀平原地面沉降综合防治总体规划》，对华北平原地下水超采现象进行了治理，改善了地面沉降问题，隆尧地裂缝可能受此影响活跃度减弱，两侧的形变速率差得以减小。

4 监测结果讨论

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4.1 地下水水位影响分析

地表形变一般受自然和人为因素的影响而产生，自然因素包括区域地质构造、土壤岩性等，人为因素包括地下水超采、工程建设等。研究区内多为农村地区，城市化水平较低，开采地下水用于农业灌溉较多，故区内的地表形变受地下水开采和降水变化的影响较大。

根据SAR影像日期收集相应时段内4个地下水监测井的地下水水位埋深数据(数据由中国地质环境监测院提供)。地下水水位埋深数值增大说明水位降低、地下水开发程度变大；反之，意味着地下水得到补充。4个监测井的位置见图1中的蓝色正方形，其编号从左至右依次为514、512、505、510。将监测井所在位置地表形变的时序结果与地下水水位变化曲线叠加(图9)。可以发现，随着地下水水位埋深值的增大，所在区域地表的沉降也有所加剧；而随着地下水水位埋深值的减小，沉降得到缓解或有所抬升。地下水水位埋深变化和区域地表形变的时序变化在变化趋势和峰值拐点上具有高度一致性，可以认为该地区的地表形变受地下水水位变化的影响较大。值得一提的是，监测井514距离时序点P₂的直线距离约为5 500 m，且二者分布在断裂带和地裂缝的同侧，可用来分析地下水水位变化与P₂点时序变化间的关系。从图9(a)中的红色曲线可以看出，2018-02之前和2022-04之后，监测井514的地下水水位升高，这和上文推测的P₂点处地下水水位升高的时段相差不大，间接证明了时序点P₂所在区域的抬升是受地下水水位升高的影响。

4.2 降水量影响分析

从图5可以看出，提取的时序结果整体上均呈现出一定的周期波动性，推测是受当地地下水和降水量变化的影响。收集SAR影像同时段隆尧县的日降水量数据，用于分析地表时序变化与降水量的关系，结果见图10。可以看出，4个县城所在区域从每年11月开始发生沉降，在次年3月沉降达到最大，然后地表开始回弹，回弹持续到7月，之后处于一个相对稳定的状态，直到11月再次发生沉降，依此循环，周期约为1 a。从图10(b)可以看出，沉降区从每年2月开始发生沉降，沉降持续到当年8月，之后地表处于相对稳定的状态或有微小回弹，直到次年2月又开始发生沉降，依此循环，周期约为1 a，总体地表形变表现为沉降。可以发现，时序变化趋势受降水量变化的影响较大，二者在时间分布上具有高度一致性，每年雨季，随着降水量的增加，地面沉降有所减缓，地表形变趋于稳定甚至有所回弹；每年旱季，随着降水量的减少，地面沉降逐渐加剧。

调查发现，研究区内的沉降漏斗大多位于农村地区，每年2月是农作物灌溉高峰期，会消耗大量地下水，而该月份降水量又较少，地下水无法及时得到补给，从而导致地表发生沉降；而后随着灌溉用水减少、降水量增加，地下水有所回流，水位升高，使得8月之后的地表趋于稳定，甚至有所回弹。由此可见，地下水的过量开采而无法及时得到补给是导致研究区地面沉降的直接原因。此外，隆尧地裂缝所在的隆尧断裂也为地裂缝活动提供了有利条件。

5 结语

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本文利用2种时序InSAR技术对河北隆尧附近区域2017-03—2022-10的地表形变进行监测。结果表明，2种技术监测结果具有较高的一致性；巨鹿县周围形成了较大规模的连片沉降区，最大形变速率超过-30 mm/a，值得持续关注；区内地表的时序变化具有一定周期性，这与该地区的降水关系密切，二者的时间分布具有高度一致性；分析隆尧地裂缝两侧地表的差异形变，发现两侧地表的最大形变速率差超过40 mm/a，最大累积形变量差超过200 mm，而且地裂缝两侧地表的形变受地下水水位变化的影响较大，二者在变化趋势和峰值拐点上一致性较高。因此，降水和地下水开采是影响该地区地面沉降的关键因素；同时，隆尧地裂缝所处的隆尧断裂为地裂缝活动提供了有利条件。除此之外，研究区的地表形变还可能受区内断裂活动、地质构造运动和其他人类活动(如城市建设)等因素的影响，后续研究中会考虑收集相应资料。

基金

收起

国家自然科学基金(42174032)
陕西省科技创新团队项目(2021TD-51)
陕西省地学大数据与地质灾害防控三秦学者创新团队项目(2022)
中央高校基本科研业务费专项(CHD300102262206)
河北省地矿局资源环境监测仿真技术与应用创新团队项目

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2024.05.213

接收时间：2024-05-08
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-04-15

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收稿日期：2024-05-08

基金

National Natural Science Foundation of China(42174032)

国家自然科学基金(42174032)

Science and Technology Innovation Team Project of Shaanxi Province(2021TD-51)

陕西省科技创新团队项目(2021TD-51)

Shaanxi Province Geoscience Big Data and Geological Disaster Prevention and Control Sanqin Scholars Innovation Team Project(2022)

陕西省地学大数据与地质灾害防控三秦学者创新团队项目(2022)

Fundamental Research Funds for the Central Universities(CHD300102262206)

中央高校基本科研业务费专项(CHD300102262206)

Hebei Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources Monitoring Simulation Technology and Application Innovation Team Project

河北省地矿局资源环境监测仿真技术与应用创新团队项目

作者信息

1 河北省地质矿产勘查开发局第六地质大队(河北省地质矿产勘查开发局航空测量应用中心), 石家庄市中山西路891号, 050000

2 长安大学地质工程与测绘学院, 西安市雁塔路126号, 710054

3 自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 南京市珠江路700号, 210004

4 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安市雁塔路126号, 710054

5 四川省综合地质调查研究所稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室, 成都市人民北路25号, 610081

通讯作者:

杨成生, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为InSAR地质灾害监测理论与应用, E-mail: yangchengsheng@chd.edu.cn

YANG Chengsheng, professor, PhD supervisor, majors in theory and application of InSAR geological hazard monitoring, E-mail: yangchengsheng@chd.edu.cn

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ddcl/CN/10.14075/j.jgg.2024.05.213

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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