1 引 言
甘肃东部地区即陇东地区处于青藏高原向黄土高原逐渐过渡区域，发育有典型的新生代构造单元，如陇西地块、海原断裂、六盘山新生代造山带以及鄂尔多斯地块[1]。陇东地区的平凉和庆阳处于鄂尔多斯地块内部，煤炭资源丰富，但因地处黄土高原，生态环境脆弱，生态恢复能力较差，煤炭资源开发可能对生态环境造成不可逆的影响，煤炭开采导致的地表沉降容易引发滑坡、地面坍塌等灾害。因此，使用雷达干涉测量技术开展陇东地区大范围的地面沉降监测得到可靠的地表形变数据，可为陇东地区的生态保护、工业矿区开采安全事故预防提供决策分析依据。
目前，广泛应用的地表形变监测技术包括：大地水准测量、GPS连续站及流动站观测以及合成孔径雷达干涉测量（InSAR）等技术。针对陇东地区的特殊性，传统的大地水准测量耗时耗力，且GPS站点在此区域内分布过于稀疏，无法获取该区域内的地面沉降情况。相比以上两种测量手段，InSAR技术具有全天时、全天候、空间采样点密度高等特点，且无须建立地面观测站点，就能够实现高精度形变监测[2]。
与传统D-InSAR技术相比，PS-InSAR技术优势明显：其可视为面向点的处理，较少受地面恶劣环境影响，具有更强的适用性；可选择具有较长时间基线和垂直基线的干涉对，数据选取更灵活；受DEM精度影响更小；且较大程度上削弱了大气效应[17]。
因此，为揭示陇东地区的地表形变现状及形变原因，采用PS-InSAR技术对覆盖陇东地区Sentinel-1A数据进行处理监测，获得2014年10月至2019年5月时间段内的雷达视线方向（LOS）年平均形变速率场，并结合相关资料对地表形变的时空演变特征进行分析说明。最后结论可为陇东地区的地质灾害和工业用地安全事故预防提供可靠的依据。
2 研究区域概况
图1
图1
陇东研究区域地形地貌概况图
（黑框为影像覆盖区，框内数字为条带号;黑色粗实线为省界；底图为地形图）
Fig.1
Landform overview diagram of eastern Gansu province
目前关于陇东地区地表形变监测的研究相对较少，郭恒等[19]基于D-InSAR技术对平凉地区的地表沉降进行了监测研究，但是对于陇东其他地区特别是针对陇东矿区的沉降研究比较匮乏。因此，本文对陇东地区地面沉降的监测，可以为城镇规划提供可靠的数据支持，同时对规避矿区地质灾害具有指导意义。
另外，从地质构造角度来看，印度板块与欧亚板块碰撞挤压，在青藏高原向鄂尔多斯地块过渡的区域形成挤压性构造边界带，发育有海原—六盘山等断裂，形成鄂尔多斯西南缘由左旋走滑向挤压逆冲的运动转换特征[20-21]。近年来， GPS速度场以及应变率分布结果[22-23]揭示出鄂尔多斯地块周缘仅西南缘为压缩应变状态，是块体周缘现代构造活动最强烈的地区。其中，海原断裂周缘地震活动频繁，历史上曾发生过1920年海原M8.6级等多次7级以上强震，强震丛集现象显著[24]，但相对比六盘山断裂附近存在强震空区[25]，地震危险性较高。且此区域人口众多，本文对陇东地区附近大型构造断裂的地壳形变观测，为防震减灾建立有效数据基础。
3 数据选取与处理
3.1 数据选取
采用2014年10月至2019年5月约5 a同一轨道（轨道号为225）共97景覆盖陇东地区的Sentinel-1A卫星IW成像模式、SLC级别的降轨影像为数据源，并以相应区域时间的Sentinel-1POD精密定轨星历数据为辅助精轨数据。由于研究区域的升轨影像LOS向速度场获取的目的是主要关注六盘山地区的现今构造活动，这一轨道方向不能覆盖矿区并且覆盖同一区域的数据在2017年发生变化，无法对比矿区，需要结合其他处理技术，并且与降轨影像的LOS向不同，因此本文暂未采用升轨数据做对比分析。
3.2 永久散射体雷达差分干涉技术（PS-InSAR）基本原理
3.3 数据处理过程
图2
图3
进而，基于提取的永久散射体（PS点）进行差分干涉处理，获得差分干涉相位，建立函数分析模型迭代估算永久散射体（PS点）的线性形变速率、高程误差以及大气相位参数，最后去除大气延迟、DEM误差等，最终获得研究区域中永久散射体（PS点）的形变信息（图4）。
图4
图4
陇东地区地表年平均形变速率场
Fig.4
Average annual surface deformation rate field along LOS in eastern Gansu province
为了对上述结果进行验证，引入GPS台站观测结果进行对比分析。陇东地区可获取的GPS连续台站观测结果较少，但是中国地震局地震预测研究所在海原断裂与六盘山断裂交汇区建设了密集连续GPS观测剖面，为对比连续GPS垂向分量与InSAR结果提供了数据基础，将Su等[10]研究的覆盖陇东地区的GPS垂向观测结果[30]与PS-InSAR解算后相对应GPS站点附近的PS点LOS向形变结果进行对比(见图5及表1)，发现GPS观测结果与InSAR观测结果基本匹配。另因LOS向与垂向结果转换精确度在毫米以内并不影响对结果的验证，因此这里不再多做转换。由于现今连续GPS观测结果的垂向精度可达1 mm，经过GPS观测验证，InSAR观测精度也可达毫米级。
图5
图5
连续GPS站点附近PS点累计形变时序图
Fig.5
Cumulative deformation sequence diagram of PS points near a continuous GPS site
表1 陇东地区连续GPS站点观测值与其对应的InSAR观测值
Table1
GPS 站点名称 | 经度/° | 纬度/° | GPS观测值（up）/(mm/a) | InSAR观测值（Los）/(mm/a) |
|---|---|---|---|---|
| GSJN | 105.76 | 35.53 | 0.96 | 0.77 |
| LP02 | 105.61 | 35.97 | 1.38 | 1.28 |
| LP04 | 105.96 | 35.95 | 1.40 | 1.68 |
| LP06 | 106.24 | 35.92 | 1.52 | 1.30 |
由于陇东部分地区植被茂密，导致永久散射体（PS点）在此区域分布较为稀疏，引发区域形变信息获取较少，因此进一步做二维网格滤波处理，处理后的数据即可进行沉降中心附近的剖面观察。
4 陇东地区形变时间序列分析
图6
图6
研究区典型特征点累计形变时序图
Fig.6
Cumulative deformation sequence diagram of typical characteristic points in the study area
分析华亭矿区沉降量比新庄煤矿沉降量小很多的原因，主要是由于华亭煤矿在2014年（本文数据选取的开始时间）以前已经开采多年，而新庄煤矿近几年来才刚刚开始开采，因此两个矿区规模产量可能出现差距，造成同是矿区开采导致的沉降但由于开采年龄不同最大年均沉降量有所差距。
另外，在华亭矿区所取沉降中心C点附近发现有小部分地区与整体矿区沉降趋势不同，其存在地面抬升情况，结合遥感影像图分析是由于该区域近年来建造高层建筑物所致。因此，此类特殊情况并不影响对华亭矿区整体沉降的分析。在陇东地区还存在一类沉降，其沉降范围相比矿区沉降范围十分微小，在图4中仅表现为以星星点点的红色斑点状分布在山谷中。结合遥感影像图分析，此类沉降地区都有人类居住的痕迹，大部分是村庄或者城镇地区，因此推测此类沉降主要是由于抽取地下水所致。特别是在华亭矿区东北侧约50 km处，该区域沉降量较矿区沉降量较小，年均最大沉降量为11 mm/a，但沉降范围却比地下水开采的沉降影响范围要大，从遥感影像图中可知该区域为大片农田，因此推测该区域是由于过度开采地下水用于浇灌农田，导致沉降范围比其他村庄沉降范围要大。
4.1 地表沉降与构造活动的关系
图7
图7
陇东地区典型形变区域沉降等值线展布图与沉降剖面图
Fig.7
Regional settlement contour map and settlement profile map of typical deformation in eastern Gansu province
结果显示形变主要分布在海原断裂与六盘山东麓断裂转换区附近，海原断裂东南段两侧视线向（LOS向）年平均形变率为1mm/a，与郑文俊等[31]利用GPS观测和断裂晚第四纪滑动速率反映该段滑动速率为1~3 mm/a基本匹配；而六盘山东麓断裂近断层无明显变形，鄂尔多斯块体内部变形微弱，说明六盘山断裂近年来处于闭锁状态，其结果与GPS速度场反演获得的结果一致[32]。但是，因为六盘山断裂附近植被较为茂密，所以六盘山断裂附近的永久散射体（PS点）分布出现了沿断裂走向的条带状空区，所以我们获得的滤波结果并不如海原断裂东南段准确，若要进一步精确讨论其断裂活动性，应该在植被茂密处人工加以安装角反射器或应用其他大地测量手段进行进一步研究。
4.2 地表沉降与矿区开采的关系
根据《甘肃省华亭矿区总体规划（修编）环境影响报告书》中所述，华亭矿区面积为204.95 km2，煤炭资源量约为27.26亿t，矿区年产量规模达2.935×108 t。其中，华亭片区现生产能力为1 540×108 t/a；安新矿区现生产能力为770×104 t/a；赤城矿区现生产能力为390×104 t/a。《宁正矿区总体规划（修编）》表明宁正矿区总面积为1 786 km2，煤炭资源量约87亿t，矿区年产量规模约39×107 t。宁正矿区主要有核桃峪、新庄等2个矿井，其各自生产能力约为800×104 t/a。
结合以上陇东地区实际煤炭开采情况，可发现该地区形变最大的区域在空间分布上与矿区吻合，主要沉降区为华亭矿区（图4(b)）和宁正矿区（图4(a)），其中位于宁正矿区的新庄煤矿沉降量最大，LOS向年平均最大沉降达30.92 mm/a。为区域性分析华亭矿区和宁正矿区的沉降情况，对滤波处理后的地表形变信息提取沉降等值线，并且沿图7中的A-B向、C-D向、E-F向、G-H向生成沉降剖面图（图7(a)、7(b)），发现沿剖线煤矿开采区均呈现漏斗分布，其中宁正矿区的新庄煤矿漏斗中心沉降量约为8 mm/a，漏斗两侧沉降量约为0 mm/a，沉降面积约为130 km2；华亭矿区的华亭片区、安新片区、赤城片区漏斗中心沉降量在3 mm/a左右，漏斗两侧沉降量约为0 mm/a。说明华亭矿区和宁正矿区的煤矿开采仅影响到煤矿开采区域，对附近的村镇影响较小。
特此说明，由于滤波结果是经过信号处理后的结果，其最终结果已经将离散的PS点信号高频部分去除，只保留了低频部分，因此漏斗沉降中心的结果远小于矿区沉降最大处PS点时序结果。滤波结果只为分析煤矿开采区区域性分布特征，为今后的治理工作提供数据基础，但其沉降量结果远不如PS点时序结果精确，所以最大沉降量结果应以PS点时序结果为准。
5 结 论
本文基于ISCE和StaMPS数据处理平台使用PS-InSAR技术处理了2014年10月至2019年5月同一轨道共97景覆盖陇东地区的Sentinel-1A雷达卫星SLC数据，获得了近5 a来覆盖陇东地区（平凉、庆阳）的年平均地表LOS向形变场，揭示了陇东地区地表形变信息时空分布情况。
结果表明，陇东地区主要存在两类形变，一类是由构造活动引起的地表形变，主要分布在海原断裂与六盘山东麓断裂转换区附近，跨断裂年平均形变约为1 mm/a，而六盘山东麓断裂近断层无明显变形，说明六盘山断裂可能处于闭锁状态，与其他GPS等监测结果一致, 并且鄂尔多斯块体内部变形微弱；另一类则是由人类工业活动如煤矿开采或者地下水开采活动导致的地表沉降，主要影响区域分布在平凉市的华亭矿区和庆阳市的宁正矿区，呈现漏斗状沉降形态，且根据沉降中心的时间序列形变特征分析，华亭矿区年均最大沉降约为8 mm/a，而新庄煤矿（宁正矿区）年均最大沉降为30 mm/a左右。
本文对陇东地区地面沉降的监测结果，有效揭示出区域地表变形以及变形的成因，可以为陇东地区的生态保护、工业矿区开采安全等事故预防提供可靠的地表形变数据，同时对规避矿区地质灾害具有指导意义。
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