兰州新区地表形变特征及其与土地利用类型的关系研究

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地表形变的监测与分析,是掌握形变规律、评估结构健康的重要技术方向。伴随“一带一路”倡议的提出,沿线城市的建设以及可持续发展受到了广泛的关注。作为西北地区的第一个国家级新区,兰州新区是“一带一路”上的重要节点城市。近年来,兰州新区持续进行大规模的建设,城市土地利用发生了很大改变。虽然有学者在建设初期对兰州新区的形变时空特征以及形变机理进行了研究,但随着城市的快速发展,鲜有关于兰州新区形变时空特征的新报道,更加缺乏全面系统的形变机理分析。此外,现有的文献大多集中在应用单一的时序InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术提取试验区的形变测量场,少有学者联合多种时序InSAR技术同时结合不同轨道模式的雷达数据获取试验场的形变特征。本文基于2017年3月至2019年10月和2017年3月至2020年3月的Sentinel-1A数据,分别探讨土地利用转移情境下区域尺度与土地未发生显著转移条件下典型区域的形变特征,并进行细致的机理分析。主要研究内容与结论包括:(1)运用SBASInSAR和PSInSAR技术提取了兰州新区的DS和PS点,进而反演获得兰州新区2017年3月至2019年10月的平均形变速率以及时间序列形变量。两种独立的时序InSAR技术获取的时序形变量表现出较高的一致性,证明了实验结果的可靠性。实验结果显示,研究时段期间的兰州新区大部分地表处于稳定状态,主要的形变速率区间处于-10至10 mm/a,西岔镇的形变最为显著。SBASInSAR和PSInSAR技术所得形变结果的最大年形变速率为-52.48 mm/a和-56.35 mm/a。形变显著的区域表现在建筑区和削山造地区等土地类型发生显著转移的区域,沉降区主要集中在填方区。从2017年初至2019年末,兰州新区的地表形变范围不断扩大和加速。土地开发、建筑修建、地质条件以及降水是导致区域严重地表形变最为主要的因素。(2)基于46景升轨和45景降轨Sentinel-1A雷达影像,使用SBASInSAR和PSInSAR技术获取了中川国际机场2017年3月27日至2020年3月23日、2017年3月20日至2020年3月28日的地表形变速率以及时序位移量,并采用内、外部检验的方式对四种监测结果进行了评定。同时结合相干性系数均值、直方图统计、形变速率方差及其标准差,选取最理想的形变结果探讨了土地未显著转移条件下的形变特征,并从人为因素和自然因素分析了中川国际机场地表形变的成因。结果表明,四种形变结果总体较为一致,不同轨道模式数据采用同种时序InSAR技术所得监测点的方差和标准差较为接近,同种轨道模式数据采用不同时序InSAR技术的形变结果略有差异,SBASInSAR相比PSInSAR的监测结果更为稳健。中川国际机场存有零散的沉降区,机场西南角的形变最显著,最大的垂直沉降速率达11 mm/a。中川国际机场的地表形变与道路网、内部扩建等人为因素有关,地层界线与机场内部形变不直接相关,地表沉降区与岩性关联紧密。(3)利用两幅高分一号卫星影像并使用随机森林算法,获取了兰州新区2017年3月26日以及2019年10月29日的土地利用分类结果,联合此前由SBASInSAR技术获取的兰州新区2017年3月20日至2019年10月24日地表形变速率进行叠加分析。结果显示,研究时段期间,不同土地利用类型对应的沉降量不同,裸地和建筑用地最大,其沉降量最大值分别能达到23 mm和10 mm;耕地和草地次之;林地和水体最小,并且沉降起伏显著。在土地转移的过程中,裸地和建筑用地的迁移与沉降的关联度最高。
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