基于InSAR技术的多年冻土地表变形特征及潜在热融滑塌识别研究

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中国多年冻土面积排行世界第三,多年冻土面积约占国土总面积的22%。中国的多年冻土主要分布在青藏高原、西部山区和东北北部山区,其中青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的中低纬度多年冻土区。多年冻土给资源开发和工程建设带来了很大挑战,全球变暖导致的多年冻土退化问题也破坏了生态环境,引发一系列热融滑塌等灾害。传统的多年冻土区地表变形数据采集和热融滑塌调查依靠野外布设站点、人工调查等手段,这种方法成本高、限制大,加之多年冻土区恶劣的环境导致野外数据采集难以大范围开展,只能监测重点区域,同时传统手段的采样数据反映的是单点或小区域的情况,无法从宏观角度反映多年冻土数据的空间分布特征。近年来遥感技术逐渐成为多年冻土区调查的主流手段之一,遥感影像、无人机影像在热融滑塌识别中取得了较大成效。但光学遥感影像和无人机影像仅能识别发育到较大规模、具有明显形态特征的热融滑塌,对处于发育早期的潜在热融滑塌则力不从心。合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地表微小变形监测领域取得了长足发展,具有大范围、全天候、高精度等优势。由于水冰密度差异,活动层夏季消融、冬季冻结过程会引起地表产生微小变形,为InSAR技术从宏观角度监测活动层冻融过程产生的微小地表变形提供了条件。热融滑塌在发育过程中先塌后滑的变形特征也为基于InSAR地表变形数据进行潜在热融滑塌识别提供了条件。本文采用InSAR技术开展了祁连山黑河上游2017年3月至2020年6月的多年冻土区地表变形监测,在确保Sta MPS的大气校正效果和结果精度十分理想的情况下,从宏观角度分析了多年冻土地表变形的分布特征及成因。在总结热融滑塌的发育机理和变形特征的基础上,基于InSAR变形结果、地形等数据进行了潜在热融滑塌识别。主要成果和结论如下:(1)InSAR技术的大气校正效果和结果精度满足大范围多年冻土地表变形监测的需要。祁连山地区巨大高差引起的大气垂直分层效应导致干涉相位与高程线性相关,InSAR时空滤波大气校正前,干涉相位与高程的回归系数约为-0.007rad/m,时空滤波大气校正后的干涉相位与高程不相关,分离出的大气相位与高程的回归系数约为-0.006rad/m。InSAR技术提取的绝大多数PS点的相干系数大于0.7,根据形变模型,说明PS点的形变精度优于4mm。同时,升降两个轨道同一区域的同名PS点形变速率的回归系数约为0.91,在显著性小于0.01时,相关系数约为1,表明升降轨在不同观测几何下的结果具有较高的一致性,侧面证明了InSAR技术获取的地表变形数据的可靠性。(2)祁连山黑河上游多年冻土整体上较稳定,绝大多数区域形变速率在-2~2mm/a之间;形变较大的区域主要沿山脉分布,形变速率的绝对值在8~20mm/a之间。冻融过程和水力侵蚀作用是研究区地表变形的两大驱动因素。冻融过程产生的地表变形具有周期性,夏季融沉量和冬季冻胀量在一个周期内基本实现平衡,典型区域的地表冻胀变形幅度约为10mm;多年冻土退化问题导致地表产生较小量级的沉陷趋势,3年累计沉降量约为2mm。冰川或融水侵蚀导致地表变形较剧烈,地表变形曲线呈阶梯状,地表变形主要发生在夏季,每年夏季的下沉量可达10mm,冬季基本处于停滞状态,具有明显的季节性特征。(3)基于InSAR地表变形、地形和植被条件以及遥感影像目视解译判别三步规则在祁连山黑河上游识别出34处热融滑塌,其中较大规模的热融滑塌证明了结果的可靠性。热融滑塌的变形曲线侧面反应了热融滑塌的发育情况和地下冰的消融情况。受冻融过程影响,地表变形曲线具有周期性的热融滑塌有进一步发育的可能,规模可能持续扩大;地表变形曲线为线性的热融滑塌由于地下冰退化较为严重,滑塌体仅在重力的作用下沿坡下滑,其规模可能不再扩大;潜在热融滑塌具有局部变形速率大、周围稳定的特点,地表呈现周期性下沉,具有发育成热融滑塌的可能。
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