2022年春季学生焦点报道

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2022年春季学生焦点报道

Erin Eckles 2022年3月18日，星期五

最新的NV5地理空间学生焦点人物是Vivek Agarwal，他对土木与测量工程、水资源工程和遥感充满热情。Vivek将他的热情融入到博士研究中，同时作为英国诺丁汉大学诺丁汉地理空间研究所（NGI）和食品-水-废弃物（FWW）系的一名学者。

他的博士工作侧重于利用永久散射体干涉合成孔径雷达（PSInSAR）、GRACE重力异常、原位观测和数据分析可视化等地理空间工具研究地下水的特性与行为。Vivek依赖ENVI®软件，因为“它是一个分析遥感数据的有用平台，特别是在ENVI SARscape中进行合成孔径雷达（SAR）分析。”虽然他于今年1月刚从诺丁汉大学获得博士学位，但他仍在FWW系继续从事研究工作，通过地理空间数据挖掘研究智能资源利用，以实现净零增益目标。

Vivek Agarwal

Vivek拥有印度罗尔基印度理工学院的土木工程（地理信息学）硕士学位。他的博士学位在诺丁汉大学Stuart Marsh教授和Rachel Gomes教授的指导下完成。Vivek并不将成就完全归功于自己，他补充道：“我非常感谢我的父母、家人、老师，尤其是我的叔叔（Hariom Agarwal先生），感谢他们在我的整个职业生涯中一直给予的祝福和支持。”

Vivek最近的研究论文题为《利用PSInSAR对伦敦和德里的地下水诱发沉降进行对比研究》，已发表在《Remote Sensing》期刊上（https://doi.org/10.3390/rs13234741）。其中的InSAR处理是使用ENVI SARscape处理与分析软件完成的。Vivek通过与欧洲空间局（ESA）地球观测数据托管处理科学项目（EOhopS）——一个ESA与NV5地理空间公司的合作项目——合作，获得了数据和ENVI SARscape的资金支持。Vivek的部分研究内容在此进行讨论。

问题背景：

几十年来，地下水被大量开采用于生活、农业和工业用途；这使得随后的人工补给成为必要，以平衡地下水消耗并控制地面沉降。在承压含水层中长期的地下水开采与补给会改变含水层的测压管压力和孔隙压力。

根据有效应力原理，含水层系统会因其特性的这些变化而发生固结，从而导致地面沉降。因此，地下水的变化可引起地表移动，这反过来又可能对基础设施和含水层的储水能力造成重大且反复的损害。因此，有必要了解由地下水开采和补给引起的地面沉降及压实过程。

英国首都伦敦和印度首都德里的人口持续增长，导致地下水资源的压力过大，从而构成了地面沉降的威胁。然而，这两个城市的地下地质和基础设施不同，但地下水对人为活动的响应及其对地面移动的后续影响尚不清楚。

据我们所知，此前尚未尝试同时使用PSInSAR研究伦敦和德里国家首都辖区地下水诱发地面沉降的具体原因。在本研究中，我们利用多种地理空间技术，如PSInSAR、GIS、时空分析、数学建模和统计分析，研究了这两个主要城市在2016年10月至2020年10月期间地下水诱发的地面沉降情况。

研究区域与方法：

图1：研究区域显示了（a）伦敦和（b）德里国家首都辖区的行政边界。红色边界显示了处理的Sentinel-1数据的范围，圆点显示了观测到的地下水井的位置。

图2：方法论

结果：

图3（a）和图3（b）分别展示了利用95幅和99幅Sentinel-1 SAR图像获得的伦敦和德里国家首都辖区的地表位移速度图。地表朝向传感器方向的移动（抬升）和远离传感器方向的移动（沉降）分别由正值（绿色）和负值（红色）表示。

图3：使用Sentinel-1数据获得的（a）伦敦和（b）德里国家首都辖区的地面移动图。绿色区域描绘抬升，红色区域描绘沉降。黑色矩形框显示了为案例研究选定的地点。

伦敦和德里国家首都辖区都是高度建成的城市区域，因此被证明是进行PSInSAR分析的理想地点。对于这两个城市，尽管地面移动总体上稳定，但在空间上主要是可变的，存在明显的大片位移区域，表现为抬升或沉降。尽管地面移动很小（毫米级），但仍可从Sentinel-1数据中识别出来。

从两个城市的Sentinel PSInSAR测量中识别出了几个有趣的特征。这些地面移动特征被确定为案例研究，其位置在图3中用黑色矩形框标出。这里仅讨论标记为L1区域的结果。所有案例研究请参阅完整论文（https://doi.org/10.3390/rs13234741）。

图4：针对北线延长线：（a）PSInSAR地面移动图，（b）地下水变化图，（c）地面抬升时间序列（L1-b），（d）地面沉降时间序列（L1-a）。（a）图中的黑色三角形代表放置隧道掘进机所需的两个主要降水竖井的位置。

连接肯宁顿和巴特西的北线延长线（NLE）旨在帮助重建沃克斯豪尔、九榆树和巴特西地区，原计划于2021年底完工。图4（a）显示了2016年10月至2020年10月期间从Sentinel-1图像获得的位移速度图。它突出显示了在巴特西发电站和肯宁顿附近分别明显的沉降和抬升模式。为了帮助分析这些模式，还提取了抬升区和沉降区的地表变形时间序列（图4（c）和4（d））。

NLE的主要隧道工程包括在巴特西和肯宁顿公园之间创建两条隧道。NLE的施工于2016年7月开始，需要对“深层”含水层进行降水，其中包括兰贝斯组的下部。NLE的降水竖井位于肯宁顿公园的北缘，放置隧道掘进机所需的两个主要竖井位置如图4（a）所示（黑色三角形）。该地区的地质相对复杂，存在若干断层、埋藏洼地和横向不连续的表层地层。地下施工工作、隧道竖井和地下水抽取共同导致了在该地区观测到的地面运动模式。

在肯宁顿，观测期间内的平均地面运动趋势是抬升（图4（a）），这与地下水位的变化（图4（b））同步。然而，变形时间序列在此期间表现出沉降和抬升的交替阶段（图4（c））。具体来说，地面在2016-2017年间沉降，随后自2017年11月起持续抬升。这种运动对应于隧道施工期间因降水导致的沉降，以及在2017年11月降水停止后的地下水回弹（隆起）。

在巴特西发电站周围，时间序列（图4（d））显示了2016年至2020年间地面沉降的线性趋势。此处的表面位移与此期间地下水位下降的情况一致（图4（b））。这很可能是由于为NLE隧道施工对该地区进行降水而进行的地下水抽取所致。巴特西发电站周围的施工活动仍在进行；因此，地下水抽取及相关的地面变形在观测期之后仍在继续。

成果：

尽管伦敦和德里的土木工程表面上看有所不同，但它们的地下水对工程决策（如地下地铁建设）的响应，以及这种响应如何反映在地表水平的变化上，却讲述着相似的故事。这表明地下水变化及由此产生的沉降可能是一种普遍效应，我们预计在世界其他面临类似工程决策的主要城市也可能观察到这种现象。

之前已有针对伦敦的与地下水结果相关的InSAR形变研究，但在德里国家首都辖区尚未进行。本研究的目的是证明地下水与沉降之间的相互关系通常是成立的。该研究还表明，ENVI SARscape 是一款功能强大、用户友好的SAR遥感数据分析工具，本研究可作为政府机构识别地下水诱发地面沉降区域和范围并采取适当措施加以缓解的指南。