تحلیل سری زمانی فرونشست هشتگرد با استفاده از روش تداخل‌سنجی راداری و سامانه موقعیت‌یابی جهانی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی نقشه‌برداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی نقشه‌برداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

3 کارشناسی ارشد، گروه زمین‌شناسی‌مهندسی، سازمان زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی کشور، تهران، ایران

4 استادیار، دانشکده مهندسی نقشه‌برداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

5 استادیار، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

در این مقاله برای نخستین بار در ایران، به منظور ارزیابی قابلیت روش تداخل‌سنجی راداری (InSAR) از مقایسه همزمان مشاهدات سامانه موقعیت‌یابی جهانی (GPS) و داده‌های راداری در دشت هشتگرد که به علت استخراج نامناسب آب‌های زیرزمینی تحت‌تأثیر فرونشست است، استفاده شد. به‌منظور تحلیل سری زمانی جابه‌جایی سطح زمین، الگوریتم خط مبنای کوتاه موسوم به SBAS به‌کار گرفته شد. تحلیل سری زمانی فرونشست، با استفاده از 6 تداخل‌نگاشت(اینترفروگرام) محاسبه شده از 4 تصویر راداری ماهواره  ENVISATASAR در بازه زمانی 4 ماه در سال 2008 انجام شد. یک عامل نرم‌کنندگی بهینه که نوفة ناشی از اتمسفر، خطای بازیابی فاز و اثرات مداری را کاهش می‌دهد و در عین حال تغییر شکل‌های غیرخطی را حفظ می‌کند، به حل کمترین مربعات اضافه شد. نتایج تحلیل سری زمانی نشان می‌داد که منطقه به طور پیوسته در حال نشست است. نقشه سرعت میانگین تغییر شکل در راستای خط دید ماهواره که از تحلیل سری زمانی به‌دست آمده، آهنگ قابل توجه فرونشست را 47 میلی‌متر در ماه نشان داد. به منظور ارزیابی نتایج سری زمانی تداخل‌سنجی راداری، یک شبکه متراکم GPS متشکل از 18 ایستگاه در منطقه طراحی شد. در مکان‌یابی ایستگاه‌ها از الگوی مکانی فرونشست حاصل  از تداخل‌نگاشت محاسبه شده از داده‌‌های 2004-2003 و بررسی‌های میدانی استفاده شد. ایستگاه‌های GPS همزمان با داده‌های راداری اقدام به جمع‌آوری و ثبت داده‌های خام کردند. سپس با استفاده از پردازش مشاهدات صورت گرفته، میزان جابه‌جایی افقی و قائم ایستگاه‌ها محاسبه شد. سری زمانی حاصل شده از دو روش تداخل‌سنجی راداری و GPS، با یکدیگر مقایسه شدند. مقایسه نتایج به‌دست آمده، سازگاری بسیار بالای تداخل‌سنجی راداری و روش ژئودتیک را ارائه داد که نشان‌دهندة عملکرد بالای روش تداخل‌سنجی راداری است.   

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Time Series Analysis of Hashtgerd Subsidence Using Radar Interferometry and Global Positioning System

نویسندگان [English]

  • P. Haghighatmehr 1
  • M. J. Valadanzouj 2
  • R. Tajik 3
  • S. Jabari 3
  • M. R. Sahebi 4
  • R. Eslami 3
  • M. Ganjiyan 3
  • M. Dehghani 5
1 M.Sc. Student, Faculty of Geodesy & Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology (KNTU), Tehran, Iran
2 Associate Professor, Faculty of Geodesy & Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology (KNTU), Tehran, Iran
3 M.Sc., Engineering Geology Group, Geological Survey of Iran (GSI)), Tehran, Iran
4 Assistant Professor, Faculty of Geodesy & Geomatics Engineering, K. N. Toosi University of Technology (KNTU), Tehran, Iran
5 Assistant Professor, Faculty of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

A large area in Hashtgerd plain, in southwest of Tehran, is subject to the land subsidence induced by overexploitation of groundwater. In this paper, in order to study the subsidence SAR interferometry (InSAR) and global positioning system (GPS) are used. The small baseline subset (SBAS) algorithm is used for deformation time series analysis. Time series analysis is performed using 6 interferograms calculated from 4 ENVISAT ASAR data spanning 4 months in 2008. A smoothing constraint that reduces the atmospheric noise, unwrapping and orbital errors whereas it preserves the non-linear deformation features is added to the least-squares solution. The time series results revealed that the area is subsiding continuously. Mean LOS deformation velocity map obtained from time series analysis demonstrated a considerable subsidence rate of 47 (mm/month). In order to assess the time series analysis results a dense GPS network consisting of 18 measuring stations is then established. The network design is carried out based on the subsidence spatial pattern extracted from an interferogram calculated from radar data of 2003-2004. The GPS stations are collecting the data simultaneously with radar data acquisitions. Horizontal and vertical components of the subsidence are extracted from GPS measurements.  The comparison of InSAR and GPS time series shows the high compatibility of the results demonstrating the high performance of InSAR technique.

کلیدواژه‌ها [English]

  • subsidence
  • time series analysis
  • InSAR
  • GPS
 
Abidin, H. Z., Djaja, R., Darmawan, D., Hadi, S., Akbar, A., Rajiyowiryono, H., Sudibyo, Y., Meilano, L., Kusuma, M. A., Kahar, J. & Subarya, C., 2001- Land subsidence of Jakarta (Indonesia) and its geodetic monitoring system, Nat. Hazards, 23: 365-387
Amelung, F., Galloway, D. L., Bell, J. W., Zebker, H. A. & Laczniak, R. J., 1999- Sensing the ups and downs of Las Vegas: InSAR reveals structural control of land subsidence and aquifer system deformation, Geology, 27(6): 483-486.
Berardino, P., Fornaro, G., Lanari, R. & Sansosti, E., 2002- A New algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 40: 2375-2383
Carbognin, L., Teatini, P. & Tosi, L., 2004- Eustacy and land subsidence in the Venice Lagoon at the beginning of the new millennium, J. Mar. Syst., 51: 345-353
Chang, C. P., Chang, T. Y., Wang, C. T., Kue, C. H. & Chen, K. S., 2004-Land surface deformation corresponding to seasonal ground-water fluctuation, determining by SAR interferometry in the SW Taiwan, Math. Comput. Sim., 67: 351-359
Crosetto, M., Tscherning, C. C., Crippa, B. & Castillo, M., 2002- Subsidence monitoring using SAR interferometry: Reduction of the atmospheric effects using stochastic filtering, Geophysical Research Letters, 29(9): 26.1-26.4.
Daniel, R. C., Maisons, C., Carnec, S., Mouelic, L., King, C. & Hosford, S., 2003- Monitoring of slow ground deformation by ERS radar interferometry on the Vauvert salt mine (France) Comparison with ground-based measurement, Remote Sensing of Environment, 88: 468-478.
Dehghani, M., Valadan Zoej, M. J., Bolourchi, M. J., Shemshaki, A. & Saatchi, S., 2008-  Monitoring of Hashtgerd land subsidence induced by overexploitation of groundwater using SAR interferometry, Journal of Geosciences, 17(1): 23-32.
Fruneau, B. & Sarti, F., 2000- Detection of ground subsidence in the city of Paris using radar interferometry: Isolation from atmospheric artefacts using correlation, Geophysical Research Letters, 27(24): 3981-3984.
Fnning, G. J., Parsons, B., Wright, T. J. & Jackson, J. A., 2005- Surface displacements and source parameters of the 2003 Bam (Iran) earthquake from Envisat and vanced synthetic aperture radar imagery, J. goephys. Res., 110, B09406, doi: 10.1029/2004JB003338.
Galloway, D. L., Hudnut, K. W., Ingebritsen, S. E., Philis, S. P., Peltzer, G., Rogez, F. & Rosen, P. A., 1998- Detection of aquifer system compaction and land subsidence using interferometric synthetic aperture radar, Antelope valley, Mojave Desert, California, Water Resour. Res., 34: 2573-2585.
Hanssen, R. F., 2001- Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis. Dordrecht. Kluwer Academic Publishers.
Heywood, C. E., 1997- Piezometric-extensometric estimations of specific storage in the Albuquerque Basin, New Mexico, in U.S. Geological Survey Subsidence Interest Group Conference: Proceedings of the technical meeting, U.S. Geological Survey Open-File Report 97-47, pp. 21-26.
Hoffman, J., Galloway, D. L., Zebker, H. A. & Amelung, F., 2001- Seasonal subsidence and rebound in Las Vegas Valley, Navada, observed by synthetic aperture radar interferometry, Water Resour. Res., 37(6): 1551-1566
Hoffman, J., Leake, S. A., Galloway, D. L. & Wilson, A. M., 2003- MODFLOW-2000 ground-water model- user guide to the subsidence and aquifer-system compaction (SUB) package, U.S. Geological Survey Open-File Report 03-233.
Lanari, R., Lundgren, P., Manzo, M. & Casu, F., 2004- Satellite radar interferometry time series analysis of surface deformation for Los Angeles, California. Geophysical Research Letters, 31, doi:10.1029/2004GL021294.
Longfield, T. E., 1932- The subsidence of London, Ordnance Survey Professional Papers, no. 14, HMSO, London.
Lundgren, P., Usai, S., Sansosti, E., Lanari, R., Tesauro, M., Fornaro, G. &  Berardino, P., 2001- Modeling surface deformation observed with SAR interferometry at Campi Flegrei Caldera, J. geophys. Res., 106, 19 355- 19 367.
Massonnet, D. & Feigl, K. L., 1998- Radar interferometry and its application to changes in the Earth’s surface, Rev. Geophys., 36: 441-500.
Motagh, M., Djamour, Y., Walter, T. R., Wetzel, H. U., Zschau, J. & Arabi, S., 2006-Land subsidence in MashhadValley, northeast Iran: results from InSAR, leveling and GPS, Geophys. J. Int., 168, doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03246.x.
Peltzer, G., Rosen, P., Rogez, F. & Hudnut, K., 1998- Poro-elastic rebound along the Landers 1992 earthquake surface rupture, J. geophys. Res., 103, 30 131-30 145.
Poland, J. F. & Davis, G. H., 1969- Land subsidence due to withdrawal of fluids, Rev. Eng. Geol., 2: 187-269.
Poland, J. F. & Ireland, R. L., 1998- Land subsidence in the Santa Clara Valley, California, as of 1982, U.S. Geological Survey Professional Paper, No.497-f, 61 p.
Riley, F. S., 1969- Analysis of Borehole Extensometer Data from Central California, International Association of Scientific Hydrology Publication, vol.89, pp. 423-431, International Association of Scientific Hydrology.
Schmidt, D. A. & Burgman, R., 2003- Time-dependent land uplift and subsidence in the Santa Clara valley, California, from a large interferometric synthetic aperture radar dataset,  Journal of Geophysical Research, 108(B9), 2416, doi: 10.1029/2002JB002267.
Terzaghi, K., 1925- Principles of soil mechanics, IV: settlement and consolidation of clay, Eng. News Rec., 95(3), 874–878.
Tesauro, M., Beradino, P., Lanari, R., Sansoti, E., Fornaro, G. & Franceschetti, G., 2000- Urban subsidence inside the City of Napoli (Italy) observed with synthetic aperture radar interferometry at Campi Flegrei caldera, J. Geophys. Res., 27, 1961-1964.
Tolman, C. F. & Poland, J. F., 1940- Ground-water, salt-water infiltration and ground-surface recession in Santa Clara Valley, Santa Clara County, California, Am. Geophys. Un. Trans., 21: 23-34.
Wegmuller, U., Werner, C. H., Strozzi, T., Wiesmann, A. & Santoro, M., 1995- GAMMA Remote Sensing Research and Consulting AG, Worbstrasse 255, CH-3073 Gumligen, Switzerland, available at http://www.gamma-rs.ch