基于多星MT-InSAR的崇明岛近十三年地表形变时序反演及海岸洪涝模拟

作     者：姚程方 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵卿

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0815[工学-水利工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 081602[工学-摄影测量与遥感] 

主      题：崇明岛 MT-InSAR 形变时序融合 误差分析 洪涝模拟 

摘      要：崇明岛是位于长江口的河口冲积岛,并计划建设成为一座世界级的生态岛,是上海重要的生态屏障。崇明岛是由上游河流挟带巨量泥沙在河口沉积形成的岛屿,河口沉积物土层孔隙比大、含水率高,极易在固结压实和释水等作用下发生显著的压缩变形。在1950年后崇明岛进行了多次大规模的围垦,至今围垦面积已经超过了600 km,而这些新成陆区的自重固结可能会引起持续十几年甚至几十年的大范围、缓慢、不均匀的沉降,因此需要监测崇明岛近期连续地面沉降为崇明岛地面沉降灾害的防治提供数据支撑。伴随着全球海平面上升,崇明岛可能遭受海平面上升和区域地面沉降的综合影响,使得相对海平面高度加速抬升,进一步加剧崇明岛遭受海岸洪涝、海水入侵、湿地退化的风险。掌握崇明岛长期连续的地面沉降时空演化特征以及进行海岸洪涝模拟对于防范化解区域安全风险和提高灾害防治能力是必要的。为了获得崇明岛近十三年的地表形变,本研究获取了2007—2010年19幅ALOS-1影像、2009—2013年21幅Radarsat-2 Multilook Fine(RSD2MF)影像、2012—2016年44幅Radarsat-2 Wide(RSD2W)影像和2015—2020年120幅Sentinel-1A(S1A)影像,首先通过小基线集(Small Baseline Subset,SBAS)方法获取了崇明岛在四个不同时期内的形变时序。进而基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法将这四个形变时序进行融合获得了崇明岛的2007年至2020年间长达十三年超长连续形变时序,填补了崇明岛近年来长期连续地表形变监测的缺失。崇明岛2007—2020年融合形变时序显示:崇明岛东部陈家镇的瀛东村形变最为显著,年平均形变速率达到了-25 mm/year,形变累积量超过了350 mm。在陈家镇的住宅区(裕鸿佳苑社区)也出现了大面积沉降,沉降速率超过-15 mm/year,快速沉降发生在2007—2014年,此后2014—2020年,形变速率明显放缓。本研究比较了基于SVD方法的五个融合策略分别得到的2007—2020年连续十三年崇明岛累积形变量和地表形变速率,五种策略融合后的形变时序均保持一致。即在利用SVD方法融合有时间重叠的多星MT-InSAR形变时序时,其融合先后顺序不影响融合形变时间序列。在融合误差方面,本研究以干涉中失相干效应导致的误差作为误差源,通过误差传播定律,建立了评估基于SVD方法融合多星SBAS形变时间序列理论误差的方法,进而,对多星SBAS形变时间序列融合后形变时序的融合误差进行了评估,其中两星SBAS形变时序相融合时,RSD2W+S1A融合形变时序的误差最小,均值和标准差分别为1.9 mm和2.1 mm;三星SBAS形变时序相融合时,RSD2MF+RSD2W+S1A融合形变时序的误差最小,均值和标准差分别为3.5 mm和3.2 mm;四星SBAS形变时序相融合得到的ALOS-1+RSD2MF+RSD2W+S1A融合形变时序的误差均值和标准差为10.3 mm和7.6 mm。此外本研究使用2015—2020年的S1A数据集反演得到了整个崇明岛海堤的形变,结果显示第2、3、7和20段海堤发生明显形变,位于崇明岛东北部第2段海堤是发生形变最明显的海堤段,其2015—2020年平均形变速率达到了-29mm/year。基于LISFLOOD-FP水动力模型模拟了相对海平面上升前后崇明岛各段海堤溃堤后发生海岸洪涝的情景,并统计了各情景下的洪涝淹没面积和淹没深度。洪涝模拟结果显示,相对海平面上升前,第3-4、7-9段海堤溃堤后,淹没面积均超过了200 km。相对海平面上升后,各段海堤溃堤情景下洪涝淹没面积相较于相对海平面上升前,均有所扩大,第1、2、6-9和20段海堤溃堤后增加了超过50 km的淹没面积,第1和20段海堤溃堤后淹没面积在相对海平面上升后也达到了200 km。结合海堤形变速率分析,第2、3、7和20段海堤是关键海堤段,其平均形变速率在-8.5 mm/year以上,且在相对海平面抬升后,溃堤后的淹没面积均超过200 km。综上,本研究反演得到了崇明岛近十三年长期连续的地表形变时序,证明了SVD方法融合有时间重叠的多星MT-InSAR形变时序时,其融合先后顺序不影响融合后形变时序,并建立了评估SVD方法融合有时间重叠的多星SBAS形变时序理论误差的方法。根据崇明岛2015—2020年形变反演结果提取了环岛海堤的形变,分析各海堤分段的危险性,使用LISFLOOD-FP水动力模型模拟了崇明岛沿海相对海平面高度上升前后的各段海堤溃堤后的淹没情景。