王潤峰,趙英志

(1.河北省第二測繪院,河北石家莊 050031;2.河北省測繪局 ,河北石家莊 050030; 3.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

基于D-I nSAR技術(shù)進(jìn)行煤礦開采與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的系統(tǒng)建設(shè)方案

王潤峰1,2,3,趙英志1

(1.河北省第二測繪院,河北石家莊 050031;2.河北省測繪局 ,河北石家莊 050030; 3.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

星載雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)是一種有效監(jiān)測地面沉降的重要技術(shù)手段,煤礦開采、國土環(huán)境與災(zāi)害的發(fā)展變化往往伴隨著地面的微小形變。通過煤礦沉降監(jiān)測的試驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)出一種利用D-InSAR技術(shù)構(gòu)建對于煤礦開采、沉降與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的有效應(yīng)用與分析系統(tǒng)方案。通過應(yīng)用地理信息系統(tǒng)為煤礦的開采控制、次生災(zāi)害預(yù)防、國土環(huán)境的變化監(jiān)測提供有效的技術(shù)手段。

D-InSAR;國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測;地面沉降監(jiān)測;GIS;煤礦開采;災(zāi)害預(yù)防

一、引 言

國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測是關(guān)乎國計(jì)民生的大事。近年來我國自然災(zāi)害、地區(qū)性環(huán)境污染、土地資源流失等狀況頻繁發(fā)生,如何有效地監(jiān)測和控制國土環(huán)境與災(zāi)害的發(fā)展變化、做好預(yù)防和減災(zāi)的科學(xué)決策,是一個(gè)艱巨的課題。目前,隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的飛速發(fā)展,“天—空—地”一體化減災(zāi)預(yù)防體系已經(jīng)進(jìn)入人們的視野。特別是在 5·12汶川大地震后的抗震救災(zāi)、城市大面積沉降監(jiān)測、國土資源大調(diào)查中,衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。近年來,利用遙感技術(shù)在國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(如煤礦開采與沉陷、次生地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測)領(lǐng)域取得了一些較好的研究成果。特別是衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)的大量應(yīng)用,使 D-InSAR技術(shù)成為監(jiān)測地面沉降的一種重要技術(shù)手段[1]。煤礦的開采會(huì)引起地面沉降,從而又對地表建筑及人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大的影響,面對復(fù)雜的地質(zhì)條件和自然、社會(huì)環(huán)境,綜合使用衛(wèi)星雷達(dá)遙感和 GIS技術(shù)可建立一個(gè)集生產(chǎn)控制、災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、評估、應(yīng)急救助等于一體的信息系統(tǒng)。通過研究,我們提出了一套基于 D-InSAR技術(shù)進(jìn)行煤礦開采與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的系統(tǒng)建設(shè)方案,為礦區(qū)及國家相關(guān)部門在加強(qiáng)災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、評估、應(yīng)急救助指揮體系方面提供了重要技術(shù)手段。

二、D-InSAR技術(shù)及地面沉降監(jiān)測

星載雷達(dá)干涉測量技術(shù) (Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是以衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源獲取地表的三維信息和變化信息的一項(xiàng)技術(shù)[2]。它通過衛(wèi)星對同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)觀測成像,以兩張 SAR圖像作為基本處理數(shù)據(jù),通過計(jì)算兩次成像之間的相位變化,獲取干涉相位圖像,然后經(jīng)過相位解纏,并從干涉相位圖中獲取地面高程數(shù)據(jù)。而差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)則利用同一地區(qū)的兩幅雷達(dá)干涉圖像,其中一幅是通過 SAR形變事件前的圖像獲取的干涉圖像,另一幅是通過 SAR形變事件后的圖像獲取的干涉圖像,通過這兩幅干涉圖作差分處理來獲取地表微量形變,從而達(dá)到監(jiān)測地表細(xì)微變化的目的[2]。從差分干涉測量的原理和理論推導(dǎo)公式可以看出,進(jìn)行地表變化檢測時(shí),能獲得厘米級甚至毫米級的高精度三維形變[3]。

差分干涉測量的數(shù)據(jù)處理方法分三軌法、四軌法和外部DEM法等。在數(shù)據(jù)處理中一般采用三軌法或外部DEM法,其數(shù)據(jù)處理流程如圖 1所示。

圖1 D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

國內(nèi)外的研究者在利用 D-InSAR技術(shù)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測方面做了大量的研究工作,例如 Biegert等(1997年)在美國加利福尼亞州 Belridge和 Lost山油田的研究結(jié)果顯示:70天內(nèi)沉降量達(dá)到 6 cm,這與該區(qū)每年 30 cm的地面沉降速率相吻合[4]。文獻(xiàn)[2]通過差分干涉測量處理,得到 1993—1995年、1995—1998年和 1998—2000年蘇州市地面沉降場測量值,地面水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析表明:差分干涉測量值與水準(zhǔn)測量值的相關(guān)度達(dá) 0.943,標(biāo)準(zhǔn)誤差均值為 0.170 6,雷達(dá)差分干涉測量精度可達(dá) ±5 mm[5]。其他如大型建筑物變形、城市地下水開采、地震形變場等的研究都取得了成功。

三、某礦區(qū)的D-InSAR試驗(yàn)及結(jié)果

煤礦開采會(huì)引起地面的微小形變,形變的發(fā)生往往伴隨著災(zāi)害的隱患。2006—2008年,河北省測繪局在某礦區(qū)利用 D-InSAR技術(shù)對煤礦的開采活動(dòng)和地表沉降情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)通過使用 JERS-1 SAR(1992年 9月—1998年 9月)、ENV ISAT ASAR(2003年 6月—2008年 1月)、ALOS PALSAR(2006年 6月—2008年 1月)數(shù)據(jù)進(jìn)行D-InSAR數(shù)據(jù)處理,并且于 2006年 4月—2007年 7月在試點(diǎn)礦進(jìn)行了 15次地面水準(zhǔn)監(jiān)測工作,也搜集了礦區(qū)的歷史和近期開采進(jìn)度數(shù)據(jù)。通過三者之間的交互驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果如圖 2～圖 4所示,地面沉降被清晰地顯示出來(圖 2)。

圖2 由JERS-1、ENV ISAT ASAR、ALOS數(shù)據(jù)得到的D-InSAR結(jié)果示例

圖3表示了D-InSAR(2006年11月—2007年1月)和地面水準(zhǔn)觀測在表現(xiàn)沉降范圍、強(qiáng)度上是一致的,并且沉降的演化規(guī)律和煤礦的開采進(jìn)度也是緊密相關(guān)的。因此,通過構(gòu)建 GIS系統(tǒng)可對采礦區(qū)的沉降大小和范圍進(jìn)行跟蹤 (如圖 4所示)來研究其形變規(guī)律。

圖3 地面水準(zhǔn)測量與D-InSAR及開采進(jìn)度的比較

圖 4 通過 GIS對沉降的大小和范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示

四、基于D-InSAR技術(shù)的系統(tǒng)建設(shè)方案

試驗(yàn)表明,應(yīng)用D-InSAR技術(shù)能夠有效地監(jiān)測因地下采礦活動(dòng)而引起的地表沉降變化情況。通過對煤礦開采進(jìn)度與沉降產(chǎn)生的關(guān)系、災(zāi)害的發(fā)生過程等的研究發(fā)現(xiàn),結(jié)合星載雷達(dá)差分干涉技術(shù)—地面沉降—環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測—構(gòu)建數(shù)字信息系統(tǒng)等可形成一種對煤礦開采、沉降與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的有效應(yīng)用分析系統(tǒng)。圖 5為建立監(jiān)測系統(tǒng)模式而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)流程圖。

圖 5 建立礦區(qū)開采、沉降與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)流程圖

在系統(tǒng)中各模塊的設(shè)計(jì)可根據(jù)具體應(yīng)用而設(shè)置,并應(yīng)主要注重以下內(nèi)容的研發(fā):

1)選擇圖像處理功能強(qiáng)大、易于二次開發(fā)、接口擴(kuò)展性好的 GIS軟件平臺。

2)在建立 CGCS2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)的同時(shí)應(yīng)注意坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的開發(fā)。應(yīng)考慮到符合日常工作習(xí)慣、沿襲歷史數(shù)據(jù)、定位迅速準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)修改量小等特點(diǎn)。對于D-InSAR干涉結(jié)果與DOM影像圖、煤礦開采數(shù)據(jù)的匹配問題,必要時(shí)可布設(shè)少量固定的角反射器(可輔以 GPS測量)用于精確定位。

3)在礦區(qū)數(shù)據(jù)的錄入上建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。如在行政區(qū)劃、煤礦名稱、井田范圍、煤礦區(qū)位置、巷道、采掘進(jìn)度、礦區(qū)DOM或地形圖、采高和采深、居民區(qū)、必要的交通、水系等地理信息數(shù)據(jù)的分層和編碼上要有明確的格式。

4)使用專業(yè)的軟件進(jìn)行衛(wèi)星雷達(dá)差分干涉數(shù)據(jù)處理。處理的過程需要進(jìn)行一個(gè)作業(yè)流程的設(shè)置或工作手冊的制定,目的是使作業(yè)過程流程化、制度化、規(guī)范化。沉降干涉圖在經(jīng)過地理編碼后可分層疊加到系統(tǒng)中去,沉降的范圍、強(qiáng)度、類型的表現(xiàn)形式要清晰形象,并可通過疊加煤礦開采信息、地形數(shù)據(jù)去進(jìn)行比較分析。

5)差分干涉處理是通過衛(wèi)星遙感技術(shù)而獲得的一種對地觀測方式,其沉降結(jié)果受大氣、季節(jié)、地表建筑物、自然活動(dòng)等因素的制約。為了更好地提高分析和判斷不同沉降情況的表達(dá)方式,需要設(shè)置經(jīng)驗(yàn)值及分析幫助系統(tǒng)。該模塊是在定期、定點(diǎn)、小范圍內(nèi)進(jìn)行一些地面監(jiān)測和實(shí)地勘察工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過實(shí)地調(diào)查分析把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到監(jiān)測系統(tǒng)中去,從實(shí)際對比中不斷增加經(jīng)驗(yàn)值圖例,來不斷提高系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確度。

6)監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是對危害的發(fā)生提供預(yù)警能力。因此在進(jìn)行預(yù)警參數(shù)的設(shè)置時(shí)應(yīng)包括:根據(jù)沉降量設(shè)立沉降等級,通過沉降等級和不同沉降范圍確定地表預(yù)警等級;根據(jù)沉降范圍和采礦區(qū)井田邊界設(shè)立越界預(yù)警等級;根據(jù)地面異動(dòng)監(jiān)測確定可能由于盜采、盜挖引起的資源流失;根據(jù)煤礦的采高和采深及沉降量的分析設(shè)置對農(nóng)田、建筑物、公路、鐵路、橋梁、水庫等公共設(shè)施的危險(xiǎn)等級。

7)輸出監(jiān)測圖和預(yù)警分析報(bào)告。其中監(jiān)測圖的制作主要分動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)和分幅、分類監(jiān)測圖等表現(xiàn)形式。動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)主要是根據(jù)不同時(shí)段內(nèi)地表沉降的變化情況給決策者提供直觀的變化量信息;分幅監(jiān)測圖則根據(jù)不同的專題和時(shí)段繪制目標(biāo)區(qū)掛圖,掛圖的表示要素、注記、圖幅大小、比例尺、圖例等可根據(jù)監(jiān)測區(qū)的范圍提前定制。預(yù)警分析報(bào)告根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和預(yù)警信息提出,來指導(dǎo)實(shí)地勘察的目標(biāo)和方向并預(yù)測未來的沉降值。如通過沉降量和實(shí)際開采進(jìn)度的關(guān)系模型確定是否有越界開采或非法開采等。

五、結(jié)束語

任何有效監(jiān)測及預(yù)防手段的應(yīng)用,離不開專業(yè)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前D-InSAR技術(shù)使用的數(shù)據(jù)源一般都是 ENV ISAT、ERS-1/2、JERS-1、ALOS、RADARSAT-1、TerraSAR等國外衛(wèi)星數(shù)據(jù),監(jiān)測周期受重訪周期影響大。2009年 3月 30日,國家國防科技工業(yè)局在北京召開了我國環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星A、B星的在軌交付儀式[6],這標(biāo)志著我國于 2002年開始的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座計(jì)劃取得了良好的預(yù)期效果,該衛(wèi)星星座計(jì)劃是向太空發(fā)射多顆光學(xué)小衛(wèi)星和合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星,以建立一個(gè)專門用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)的小衛(wèi)星星座,形成由災(zāi)害信息運(yùn)行系統(tǒng)和空間資源相結(jié)合的天地一體化災(zāi)害管理體系。通過 7個(gè)多月的在軌測試,首批A、B星以優(yōu)異性能和出色表現(xiàn),初步形成了環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)報(bào)星座雛形,也完成了多個(gè)區(qū)域的環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測任務(wù)(如西藏雪災(zāi)的監(jiān)控),同時(shí)對澳大利亞大火等多起國外災(zāi)害的監(jiān)測也作出了突出貢獻(xiàn)[6]。不僅如此,國際上待發(fā)衛(wèi)星計(jì)劃眾多,這些衛(wèi)星將為航天遙感監(jiān)測技術(shù)提供廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 廖明生,林琿.雷達(dá)干涉測量:原理與信號處理基礎(chǔ)[M].北京:測繪出版社,2003.

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A System for CoalM ining and Land Environment and D isaster M on itoring Based on D-InSAR

WANG Runfeng,ZHAO Yingzhi

0494-0911(2010)07-0030-03

P237

B

2010-05-05

王潤峰(1971—),男,河北欒城人,高級工程師,主要從事工程測量、地籍測量、攝影測量與遙感、國土環(huán)境與災(zāi)害控制與治理工作。