时序InSAR地面沉降监测与地下水-地面沉降预测模型参数反演

摘要

随着大规模的城市建设及过量的地下水抽取，导致了城市地下水位的下降，从而引起严重的地面沉降与地表塌陷等一系列地质灾害的发生。加强城市地表沉陷监测和建立地下水-地面沉降预测模型是预防地表沉陷灾害发生有效手段。利用InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术对大尺度的城市地面沉降进行监测，可以得到大面积、高分辨率和高精度的持续的时序沉降监测结果，为地面沉降预测模型参数的反演提供大量的实测数据。
　　本文系统分析了常规InSAR与时序InSAR技术原理、处理流程以及主要误差源与敏感度。针对时序InSAR地面沉降监测技术中的大气信号分离问题，研究了常规时空滤波与平滑样条滤波两种大气信号分离算法，分别采用常规时空滤波方法与平滑样条滤波方法进行大气滤波，实现大气信号与形变信息的分离，并对两种滤波方法得到的大气与形变结果进行对比与分析，通过对滤波算法的实验评价两种滤波对大气与形变信号分离的精度与抗差程度。针对地下水-地面沉降预测模型参数反演问题，对模型参数与沉降值的相关性进行了分析，采用InSAR地面沉降监测数据约束下的LS(Least Square，LS)反演方法得到模型中的固结系数;采用连续小波变换方法分离出地面沉降量中因含水层压缩变形引起的地表弹性与非弹性沉降量，并结合地面沉降预测模型反演得到弹性释水系数和非弹性释水系数;利用InSAR地面沉降监测值，根据Biot固结理论中的自由应力下体积应变公式反演得到模型的地下水体积变化量参数。以天津市InSAR地面沉降监测为例，采用短基线集InSAR(Small Baseline InSAR,SBAS-InSAR)方法，获取了地面沉降变形值，并基于PS点的地面沉降值解译了地下水位、地下水系统、基地构造等相关水文地质信息，通过InSAR地面沉降值反演了地面沉降模型参数，建立了天津市地下水-地面沉降预测模型，采用Modflow地面沉降预测数值模拟软件模拟计算，将模拟计算结果与地面沉降测量值进行比较，验证了模型参数反演方法的正确性。实验表明地面沉降误差小于10mm，最大残差15mm。主要研究成果如下:
　　(1)研究了InSAR时序处理过程中常规时空滤波与平滑样条滤波两种大气信号分离算法，分别采用常规时空滤波方法与平滑样条滤波方法进行大气滤波，实现大气信号与形变信息的分离，并对两种滤波方法得到的大气与形变结果进行对比与分析，通过实验得出:在非均匀采样状态下常规滤波方法滤波参数的固定使滤波结果存在着不确定性，平滑样条滤波也可以有效的分离大气与沉降信号，该滤波方法通过选取最佳平滑系数，能够较好的逼近形变相位分量。
　　(2)通过研究地面沉降模型建立与参数反演理论，分析地下水三维渗流-地面沉降预测模型的建立过程，探讨了渗流偏微分方程定解条件及耦合后的收敛性能，并对模型中的几个重要模型参数如地下水位、弹性释水系数、非弹性释水系数、固结系数、开采量与沉降的关系进行参数相关性分析，解释每个参数对沉降模型的主要贡献度与灵敏度。
　　(3)提出了一种含水层弹性、非弹性释水系数的InSAR反演方法。研究承压含水层形变机理，结合垂直时序InSAR形变分量和水位变化因素，采用连续小波变换（Continuous Wavelet Transform,CWT）方法分离周期形变信号分量和长期趋势，分别得到含水层弹性和非弹性时序形变信息，孤立的信号分量基于地面沉降模型用于估计弹性储存系数、非弹性骨架释水系数和压实时间常数，从而可以得到精确的弹性、非弹性释水系数，解决了以前靠InSAR只能反演平均释水系数一个参数的困难，为后续的水文地质研究提供更准确的参数依据。采用最小二乘方法，建立了InSAR时序数据源下的固结系数约束方程，提出基于InSAR时序技术的含水层固结系数反演方法。结合Biot固结理论中的自由应力下体积应变模型，讨论不同水文地质概念模型下InSAR对地下水探测的敏感性，提出采用卫星视角分量矢量化的方法将其垂直分量融入Biot模型中，从而达到体积应变积分方程求解收敛、地下水体积变化率反演的目的。
　　(4)为了验证本文提出的基于InSAR技术的地下水-地面沉降预测模型参数反演方法的准确性与实用性，以天津市沉降区为例，采用SBAS-InSAR技术对主要沉降大区域与单个漏斗区进行监测，并采用定性与定量的方法作了基于PS点的地面沉降特征、地下水位、地下水系统、基地构造等相关水位地质解译。基于上述提出的反演方法反演了地下水-地面沉降预测模型所需的弹性释水系数、非弹性释水系数、开采量变化和固结系数，并利用Modflow三维地下水流软件，Interbed-Storage程序包模拟地面沉降，先用初始水位地质实测单点参数代入模型作为初始参数模拟得到一个与InSAR时间内对应的沉降值序列，再利用InSAR反演得到的参数代入模型得到一个与InSAR时间内对应的沉降值序列并与实测水准、InSAR进行精度对比验证地下水-地面沉降预测模型的可靠性，最后提出基于赤池信息准则(Akaike's Information Criterion,AIC)下的地面沉降模型参数、与沉降值精度综合评价方法。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 时序InSAR地表形变信息提取及大气改正

1．2．2 地下水-地面沉降预测模型及参数反演研究状况

1．2．3 基于InSAR技术的地下水-地面沉降预测模型相关参数反演

1．3 主要研究内容

1．4 研究技术路线与方法

2 时序InSAR地表形变测量原理与数据处理

2．1 InSAR技术原理与数据处理流程

2．1．1 InSAR技术原理

2．1．2 InSAR数据处理流程

2．2 InSAR误差源与敏感度分析

2．2．1 时间失相干

2．2．2 基线失相干

2．2．3 轨道误差

2．2．4 DEM误差

2．2．5 多普勒质心失相干

2．3 时序InSAR方法及原理

2．3．1 干涉对自由组合优选方法

2．3．2 典型稳定散射体(高相干点)探测方法

2．3．3 PS-InSAR方法及原理

2．3．4 SBAS-InSAR方法及原理

2．3．5 TCP-InSAR方法及原理

2．4 时序InSAR大气滤波方法研究

2．6 本章小节

3 地下水-地面沉降预测模型建立与参数反演理论

3．1 土力学模型

3．2 自由应力下体积应变模型

3．3 地下水-地面沉预测模型

3．3．1 理想模型

3．3．2 简化模型

3．3．3 模型参数分析

3．4 地下水-地面沉降预测模型参数反演算法

3．4．1 基于Taylor展开的最小二乘参数反演

3．4．3 基于遗传算法的参数反演

3．5 本章小结

4 基于时序InSAR沉降监测数据的地下水-地面沉降预测模型参数反演

4．1 时序InSAR数据约束下固结系数的LS反演

4．2 基于InSAR监测数据的含水层弹性、非弹性释水系数反演

4．2．1 含水层弹性、非弹性形变信号分离

4．2．2 弹性、非弹性释水系数反演算法

4．2．3 弹性、非弹性释水系数反演实验分析

4．3 基于InSAR监测数据的地下水体积变化率参数反演

4．3．1 地下水体积变化率参数分析

4．3．2 地下水体积变化率反演

4．4 本章小结

5 时序InSAR天津地面沉降监测与形变分析

5．1 SAR数据源

5．2 SBAS-InSAR数据处理

5．3 监测结果分析

5．3．1 精度分析

5．3．2 地面沉降分布特征

5．3．3 地下水位与地面沉降相关性分析

5．3．4 地下水系统对地面沉降影响分析

5．3．5 地面沉降与基底构造相关性分析

5．4 本章小结

6 天津市含水层参数反演与地下水-地面沉降预测模型数值模拟

6．1 研究区概况

6．1．1 研究区水文地质特征

6．1．2 研究区地下水位及动态特征

6．1．3 研究区开采量状况

6．1．4 研究区气象资料

6．2 弹性、非弹性释水系数反演

6．3 地下水体积变化率反演

6．4 Nodflow地面沉降数值模拟与精度分析

6．4．1 Processing Modflow简介

6．4．2 研究区地质模型构建

6．4．3 模型范围及边界条件

6．4．4 模型初始参数对比

6．4．5 模型时空离散

6．4．6 数值模拟结果分析

6．4．7 与传统沉降模型对比分析

6．5 沉降模拟精度评价

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

缩略词

作者简历

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