Spatial Analysis of Ground Subsidence using Radar Interferometry (Case Study: Central Plain of Ghaen City)

Document Type : Subsidence as a global challenge: Crisis management or management crisis

Authors

• Seyed Reza Hosseinzadeh ¹
• Ebrahim Akbari ²
• Mahdi Javanshiri ³
• Zinat Mohammadpour ⁴

¹ Associate Professor in Geomorphology, Department of Geography, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

² MA in Remote Sensing and Geographic Information System, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

³ Postdoctoral Researcher in Geography and Rural Planning, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

⁴ MA in Remote Sensing, Tabriz University, Tabriz, Iran

10.22067/geoeh.2022.75138.1169

Abstract

Land subsidence is one of the most important geomorphic hazards that has a slow motion but destructive effects in the long run. For the spatial analysis of the amount of displacement, the data on changes of the ground surface from Sentinel A1 for a period of 3 years (2017-2020) through the radar interferometric method and SNAP software were used. Field observations were also made to evaluate the research results. The results showed that the rate of land subsidence has increased from 2017 to 2020, from 2.6 cm in 2017 to 7.8 cm in 2020. Moreover, the groundwater hydrograph in the central plain of Ghaen has significantly decreased, so that the rate of water level drop in the plain level has been about 1.30 meters during 5 years (from 2014 to March 2020), i.e, about 26 cm per year. In addition, the analysis of spatial autocorrelation and Moran index (0.984) confirmed the clustering of subsidence event under the influence of water level changes in the study area. The correlation results also showed that there was a small correlation between the factor “changes in water level” and “land subsidence rate” (p = -0.138), which is an indirect relationship, i.e., the higher the groundwater abstraction (or the lower the water level), the higher the amount of subsidence. But due to the level of significance (sig = 0.585) this relationship is not significant.

Graphical Abstract

Keywords

• Geomorphic
• Groundwater Level
• Interferometry SNAP
• Ghaen

20.1001.1.23221682.1401.11.4.4.2

---

References

احمدی، نعیمه؛ موسوی، زهرا؛ معصومی، زهره؛ 1397. مطالعه فرونشست دشت خرمدره با استفاده از تکنیک تداخل سنجی راداری و بررسی مخاطرات آن. سنجش‌ازدور و GIS ایران. دوره 10. شماره 3. صص 52-33.

https://gisj.sbu.ac.ir/article_96591.html

آروین، عبدالخالق؛ وهابزاده کبریا، قربان؛ موسوی، سید رمضان؛ بختیاری کیا، مسعود؛ 1398. مدل‌سازی مکانی فرونشست زمین در جنوب حوزه آبخیز میناب با استفاده از سنجش‌ازدور و سیستم اطلاعات جغرافیایی. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی. دوره 10 شماره 3، صص 19-34.

https://girs.bushehr.iau.ir/article_668468.html

اسدزاده، فرخ؛ کاکی، مهری؛ شکیبا، سینا؛ راعی، بیژن؛ 1395. تأثیر خشکسالی بر کیفیت و سطح آب زیرزمینی دشت قروه چهاردولی. تحقیقات منابع آب ایران. دوره 12. شماره 37. صص 165-153.

http://www.iwrr.ir/article_32629.html

افضلی، عباسعلی؛ شریفی‌کیا، محمد؛ شایان، سیاوش؛ 1392. ارزیابی آسیب‌پذیری زیرساخت‌ها و سکونتگاه‌ها از پدیده فرونشست زمین در دشت دامغان. دو فصلنامه ژئومورفولوژی کاربردی ایران. دوره 1. شماره ۱، صص ۶۱-۷۳.

https://civilica.com/doc/793719/

اکبری، ابراهیم؛ جوانشیری، مهدی؛ محمدپور، زینت؛ 1399. بررسی فرونشست سطح زمین در دشت اسفدن. همایش محیط‌زیست جغرافیا و گردشگری دانشگاه بزرگمهر قائنات.

اکرامی، محمد؛ شریفی، ذبیح اله؛ ملکی نژاد، حسین؛ اختصاصی، محمدرضا؛ 1390. بررسی روند تغییرات کیفی و کمی منابع آب زیرزمینی دشت یزد- اردکان در دهه ۸۸-۱۳۷۹. طلوع بهداشت. دوره ۱۰. شماره ۳ و ۳-۴. صص ۸۲-۹۱. https://tbj.ssu.ac.ir/article-1-1803-fa.html

بابایی، سید ساسان؛ موسوی، زهرا؛ روستایی، مه آسا؛ 1395. آنالیز سری زمانی تصاویر راداری با استفاده از روش‌های طول خط مبنای کوتاه (SBAS) و پراکنش کننده‌های دائمی (PS) در تعیین نرخ فرونشست دشت قزوین. علوم و فنون نقشه‌برداری. دوره ۵. شماره ۴. صص ۱۱۱-۹۵. http://jgst.issge.ir/article-1-417-fa.html

بهمنش، جواد؛ صمدی، رقیه؛ و رضایی، حسین؛ 1394. بررسی روند تغییرات تراز آب زیرزمینی (مطالعه موردی: دشت ارومیه). مجله پژوهش‌های حفاظت آب‌وخاک. دوره 22. شماره 4. صص 67-84.

https://jwsc.gau.ac.ir/article_2691.html

تورانی، مرجان؛ آق آتابای، مریم؛ روستایی، مه آسا؛ 1397. مطالعة فرونشست در شهر گرگان با استفاده از روش تداخل سنجی راداری. مجله آمایش جغرافیایی فضا. دوره 8. شماره 27. صص 117-128.

http://gps.gu.ac.ir/article_65973.html

چترسیماب، زهرا؛ آل‌شیخ، علی‌اصغر؛ وثوقی، بهزاد؛ مدیری، مهدی؛ پاکدامن، محمدصادق؛ 1401. بررسی فرونشست سطح زمین در اثر برداشت بی‌رویه آب زیرزمینی با استفاده از تکنیک تداخل سنجی راداری-آبخوان مرودشت. مهندسی و مدیریت آبخیز. دوره 14. شماره 1. صص 114-125.

https://jwem.areeo.ac.ir/article_119561.html

حاجب، زهرا؛ موسوی، زهرا؛ معصومی، زهره؛ رضایی، ابوالفضل؛ 1398. مطالعه فرونشست دشت قم با استفاده از تداخل سنجی راداری و ویژگی‌های هیدروژئولوژیکی آبخوان. فصلنامه علمی علوم زمین. دوره 29. شماره 114. صص 251-258. https://www.gsjournal.ir/article_102902.html

حکیم دوست، سید یاسر؛ بلیانی، یدالله؛ 1393. اصول و مبانی پردازش داده‌های مکانی (فضایی) با استفاده از روش‌های تحلیل فضایی. انتشارات آزادپیما.

خلیفی، پری؛ اسفندیار نوین پور، عباس؛ ندیری، عطااله؛ قره خانی، مریم؛ 1396. بررسی فرونشست دشت اردبیل با استفاده از GIS. دومین کنفرانس ملی هیدرولوژی ایران، شهرکرد. https://civilica.com/doc/661626/

دهقانی، مریم؛ 1394. ارائه الگوریتمی جدید بر مبنای تکنیک تداخل سنجی راداری به‌منظور پایش فرونشست سطح زمین ناشی از استخراج آب‌های زیرزمینی. مهندسی فناوری اطلاعات مکانی. دوره ۲. شماره ۲. صص ۶۱-۷۳. https://jgit.kntu.ac.ir/article-1-135-fa.html

زندی، رحمان؛ شفیعی، نجمه (1399). بررسی فرونشست سطح زمین در دشت جوین. همایش محیط‌زیست جغرافیا و گردشگری دانشگاه بزرگمهر قائنات

علی، عسگری؛ 1390. تحلیل آمار فضایی با Arc Gis. تهران: سازمان فناوری اطلاعات و ارتباطات شهرداری تهران.

فلاح، سیف اله؛ قبادی نیا، مهدی؛ شکرگزار دارابی، محسن؛ قربانی دشتکی، شجاع؛ 1391. بررسی پایداری منابع آب زیرزمینی دشت داراب استان فارس. پژوهش آب در کشاورزی (علوم خاک و آب). دوره 21. شماره 2. صص 172-161. https://wra.areeo.ac.ir/article_118963.html

مریخ پور، محمدحسین؛ موسوی، مرتضی؛ صفری کمیل، مصطفی؛ 1391. بررسی پدیده فرونشست زمین و فرو چاله در اثر افت سطح آب زیرزمینی در دشت کبودرآهنگ همدان. همایش ملی علوم مهندسی آب و فاضلاب، کرمان.

https://civilica.com/doc/209139

مقصودی، یاسر؛ امانی، رضا؛ احمدی، حسن؛ 1398. بررسی رفتار فرونشست زمین در منطقه غرب تهران با استفاده از تصاویر سنجنده سنتینل-1 و تکنیک تداخل سنجی راداری مبتنی بر پراکنش گرهای دائمی. تحقیقات منابع آب ایران. دوره 15. شماره 1. صص 313-299. http://www.iwrr.ir/article_80494.html

مهرابی، علی؛ 1397. شناسایی شواهدی بر وجود گنبد نمکی مدفون و جدید در ناحیه زاگرس با استفاده از روش تداخل سنجی تصاویر راداری سنتینل-1 و ایسار. سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی. دوره 4. شماره 4. صص 101-90. https://girs.bushehr.iau.ir/article_663409.html

نادریان فر، محمد؛ انصاری، حسین؛ ضیائی، علی نقی؛ داوری، کامران؛ 1390. بررسی روند تغییرات نوسانات سطح آب‌زیرزمینی‌ در حوضه آبریز نیشابور تحت شرایط اقلیمی مختلف. مهندسی آبیاری و آب ایران. دوره 1. شماره 3. صص 37-22. https://www.sid.ir/paper/247384/fa

 

Bai, L., Jiang, L., Wang, H., & Sun, Q., 2016. Spatiotemporal characterization of land subsidence and uplift (2009–2010) over wuhan in central china revealed by terrasar-X insar analysis. Remote Sensing, 8(4), 350. https://doi.org/10.3390/rs8040350

Castellazzi, P., Arroyo-Domínguez, N., Martel, R., Calderhead, A. I., Normand, J. C., Gárfias, J., & Rivera, A., 2016. Land subsidence in major cities of Central Mexico: Interpreting In SAR-derived land subsidence mapping with hydrogeological data. International journal of applied earth observation and geoinformation, 47, 102-111. https:// doi.org/ 10.1016/ j.jag.2015.12.002

Chen, M., Tomás, R., Li, Z., Motagh, M., Li, T., Hu, L., ... & Gong, X., 2016. Imaging land subsidence induced by groundwater extraction in Beijing (China) using satellite radar interferometry. Remote Sensing, 8(6), 468.‏ https://www.mdpi.com/2072-4292/8/6/468

Ferretti, A., Savio, G., Barzaghi, R., Borghi, A., Musazzi, S., Novali, F., ... & Rocca, F., 2007. Submillimeter accuracy of InSAR time series: Experimental validation. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45(5), 1142-1153.‏

Gabriel, A. K., Goldstein, R. M., & Zebker, H. A., 1989. Mapping small elevation changes over large areas: Differential radar interferometry. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 94(B7), 9183-9191.‏ https://doi.org/10.1029/JB094iB07p09183

Galloway, D. L., & Burbey, T. J., 2011. Regional land subsidence accompanying groundwater extraction. Hydrogeology Journal, 19(8), 1459-1486. https:// pubs.er.usgs.gov/ publication/ 70034646

Imamoglu, M., Kahraman, F., & Abdikan, S., 2018, July. Preliminary results of temporal deformation analysis in Istanbul using multi-temporal InSAR with Sentinel-1 SAR data. In IGARSS 2018-2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (pp. 1352-1355). IEEE.

Jadda, M., Shafri, H. Z., Mansor, S. B., Sharifikia, M., & Pirasteh, S., 2009. Landslide susceptibility evaluation and factor effect analysis using probabilistic-frequency ratio model. European Journal of Scientific Research, 33(4), 654-668.

Liu, C., Ji, L., Zhu, L., & Zhao, C., 2018. InSAR-constrained interseismic deformation and potential seismogenic asperities on the Altyn Tagh fault at 91.5–95 E, Northern Tibetan Plateau. Remote Sensing, 10(6), 943. https://doi.org/10.3390/rs10060943

Mohammadimanesh, F., Salehi, B., Mahdianpari, M., Brisco, B., & Motagh, M., 2018. Wetland water level monitoring using interferometric synthetic aperture radar (InSAR): A review. Canadian Journal of Remote Sensing, 44(4), 247-262.‏ https://doi.org/10.1080/07038992.2018.1477680

Motagh, M., Walter, T. R., Sharifi, M. A., Fielding, E., Schenk, A., Anderssohn, J., & Zschau, J., 2008. Land subsidence in Iran caused by widespread water reservoir overexploitation. Geophysical Research Letters, 35(16). https://doi.org/10.1029/2008GL033814

Osmanoğlu, B., Sunar, F., Wdowinski, S., & Cabral-Cano, E., 2016. Time series analysis of InSAR data: Methods and trends. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 115, 90-102. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2015.10.003

Phien-Wej, N., Giao, P. H., & Nutalaya, P., 2006. Land subsidence in bangkok, Thailand. Engineering geology, 82(4), 187-201. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2005.10.004

Qu, F., Zhang, Q., Lu, Z., Zhao, C., Yang, C., & Zhang, J., 2014. Land subsidence and ground fissures in Xi'an, China 2005–2012 revealed by multi-band InSAR time-series analysis. Remote Sensing of Environment, 155, 366-376. https://doi.org/10.1016/j.rse.2014.09.008

Rott, H., & Nagler, T., 2006. The contribution of radar interferometry to the assessment of landslide hazards. Advances in Space Research, 37(4), 710-719.‏ https://doi.org/ 10.1016/ j.asr. 2005.06.059

Shamshiri, R., Nahavandchi, H., Motagh, M., & Haghighi, M. H., 2016. Multi-sensor in SAR analysis of surface displacement over coastal urban city of Trondheim. Procedia Computer Science, 100, 1141-1146.

Sharma, P., Jones, C. E., Dudas, J., Bawden, G. W., & Deverel, S., 2016. Monitoring of subsidence with UAVSAR on Sherman Island in California's Sacramento–San Joaquin Delta. Remote sensing of environment, 181, 218-236. https:// doi.org/ 10.1016/ j.rse. 2016.04.012

Shujun, S., Xue, Y., Wu, J., Yan, X., & Yu, J., 2016. Progression and mitigation of land subsidence in China. Hydrogeology Journal, 24(3), 685-693. https:// ui.adsabs.harvard.edu/ abs/ 2016HydJ...24..685Y/abstract

Tomas, R., Herrera, G., Lopez-Sanchez, J. M., Vicente, F., Cuenca, A., & Mallorquí, J. J., 2010. Study of the land subsidence in Orihuela City (SE Spain) using PSI data: Distribution, evolution and correlation with conditioning and triggering factors. Engineering Geology, 115(1-2), 105-121. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2010.06.004

Wang, G. Y., You, G., Shi, B., Yu, J., & Tuck, M., 2009. Long-term land subsidence and strata compression in Changzhou, China. Engineering Geology, 104(1-2), 109-118. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2008.09.001

Zhang, Y., Wu, H. A., Kang, Y., & Zhu, C., 2016. Ground subsidence in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 1992 to 2014 revealed by multiple sar stacks. Remote Sensing, 8(8), 675.‏ https://doi.org/10.3390/rs8080675