王宗良 湯伏全

摘 要：合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的微波遙感技術(shù)，具有高精度地監(jiān)測(cè)地表微小變形的能力，已經(jīng)成為礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)手段。以陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)為研究區(qū)，利用多期SAR影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用D-InSAR技術(shù)方法開(kāi)展地表沉陷監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)礦區(qū)下沉等值線圖進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3種礦區(qū)工作面均發(fā)生了不同程度的沉陷變形，其中沉降量最大值出現(xiàn)在亭南煤礦304工作面內(nèi)，達(dá)到17.5 cm.結(jié)果表明：D-InSAR技術(shù)可以反映出礦區(qū)沉陷位置和下沉程度，展示出D-InSAR技術(shù)在黃土礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)方面具有良好實(shí)用性和廣泛應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：差分干涉測(cè)量;黃土礦區(qū);沉陷變形;形變監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：X 936?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-7312（2019）03-0394-04

Abstract：Synthetic Aperture Radar Differential Interferometry （D-InSAR） technology is a microwave remote sensing technology developed in the 1990s. It has the ability to monitor surface micro-deformation with high precision and has become an effective technical means for monitoring surface subsidence in mining areas. Taking the Binchang mining area in Shaanxi as the research area， using the multi-period SAR image data， the D-InSAR technology method was used to carry out the surface subsidence monitoring experiment， and combined with the actual situation of the mining area， the sinking contour map of the mining area was briefly analyzed. The experiment found that the working faces of the three mining areas have experienced different degrees of subsidence deformation， and the maximum settlement amount appears in the 304 working face of the Tingnan Coal Mine， reaching 17.5 cm.The results show that D-InSAR technology can reflect the location and subsidence of mining area， and demonstrates that D-InSAR technology has good practicability and wide application prospects in surface subsidence monitoring in loess mining area.

Key words：differential interferometry;loess mining area;subsidence deformation;deformation monitoring

0 引 言

煤礦資源的開(kāi)發(fā)利用在社會(huì)和生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]。以陜西彬縣為例，彬長(zhǎng)煤田是陜西省第二大煤田，具有煤層厚、儲(chǔ)量大、易開(kāi)采的特點(diǎn)。礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)主要采用建立觀測(cè)站，采用GPS測(cè)量、全站儀測(cè)量、精密水準(zhǔn)測(cè)量等傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行定期觀測(cè)，存在著費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下等缺陷。因此，應(yīng)用新的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為礦山開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的必然趨勢(shì)。差分干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)作為一種新型地面觀測(cè)技術(shù)，它是通過(guò)2個(gè)回波信號(hào)的相位差與衛(wèi)星軌道參數(shù)來(lái)反演出地球表面的微小變形，并且能夠在短周期內(nèi)提供空間連續(xù)表面變形信息，可以獲得厘米甚至毫米的高精度表面變形信息[2]，可以與常規(guī)地面測(cè)量技術(shù)起到互補(bǔ)作用。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者相繼利用雷達(dá)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)地表沉降。1989年，Garbriel等人利用D-InSAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地表形變監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到厘米級(jí)精度[3];2009年，Z.Perski等人利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)波蘭的Wieliczka鹽礦，成功獲得到該區(qū)域的地表形變[4];2012年，郭炳躍等人利用D-InSAR技術(shù)提取徐州礦區(qū)地表形變[5];洪卓眾等人采用D-InSAR技術(shù)獲得陜北神木柳塔礦區(qū)的地表沉降[6];魏長(zhǎng)靖等人采用D-InSAR技術(shù)獲取安徽省錢(qián)營(yíng)孜煤礦的地表沉降圖[7]。這些研究表明礦區(qū)周?chē)ǔＪ艿介_(kāi)采的影響，礦區(qū)地表周?chē)鶗?huì)發(fā)生不同程度的沉陷。因此，有效監(jiān)測(cè)并獲取礦區(qū)地表形變信息具有十分重要的意義。

1 D-InSAR的基本原理

差分干涉測(cè)量（D-InSAR）是指使用2幅干涉圖像相同的區(qū)域，其中一幅是變形前獲取的干涉圖像，另一幅是變形后獲取的干涉圖像，通過(guò)差分處理來(lái)獲取地表形變的測(cè)量技術(shù)[8]。根據(jù)采用干涉數(shù)據(jù)的多少和處理方法的差異，一般可將D-InSAR分為2-pass型、3-pass型和4-pass型[9-10]。實(shí)驗(yàn)采用的D-InSAR方法處理流程圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)與影像數(shù)據(jù)選取

2.1 礦區(qū)概況

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于陜西省關(guān)中西北部的長(zhǎng)武和彬縣境內(nèi)，是國(guó)家規(guī)劃的13個(gè)煤炭基地之一的黃隴基地的主要礦區(qū)，屬于黃隴侏羅紀(jì)煤田的中斷[11]。礦區(qū)的南部和東部主要以無(wú)煤區(qū)作為邊界線，北部和西部以陜甘省界作為邊界線，礦區(qū)東西長(zhǎng)約為46 km，南北寬約為36.5 km，規(guī)劃面積約為978 km2，煤炭資源地質(zhì)儲(chǔ)量約為89億噸，可采儲(chǔ)量約54萬(wàn)噸，主采煤層平均厚度10.6 m.礦區(qū)地處涇河流域，地表水與地下水資料較豐富，地表植被較少，自然村落大部分處在開(kāi)采沉陷區(qū)域以外的保護(hù)煤柱范圍，這一特征有利于SAR影像的數(shù)據(jù)處理。

2.2 SAR影像的選取

對(duì)于SAR數(shù)據(jù)，不僅包含了在接收信號(hào)時(shí)的幅度信息，同時(shí)也包含了它的相位信息[12]。D-InSAR正是利用相位信息獲得目標(biāo)的高程信息，進(jìn)而獲得形變信息。在進(jìn)行差分干涉處理之前，就要滿(mǎn)足影像之間具備良好的相干性，其中，合理的基線估計(jì)是在處理數(shù)據(jù)前必須要完成的一項(xiàng)內(nèi)容。研究區(qū)域彬長(zhǎng)礦區(qū)處于黃土高原過(guò)渡地帶，西北黃土地區(qū)具有土壤含水量小、氣候條件干燥、植被較為稀疏等特征，為后續(xù)處理工作提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，利用彬縣行政區(qū)多景Sentinel-1A衛(wèi)星的TOPSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)（C-band）作為實(shí)驗(yàn)的干涉影像數(shù)據(jù)，采用的4個(gè)具體干涉對(duì)影像的數(shù)據(jù)參數(shù)見(jiàn)表1.

2.3 干涉處理軟件簡(jiǎn)介

在SAR數(shù)據(jù)的處理方面，世界各國(guó)研究學(xué)者普遍使用的軟件，如ERDAS Imagine，ENVI，PCL Geomatica，ER Mapper等，實(shí)驗(yàn)選用美國(guó)研發(fā)的ENVI（Version 5.3.1）軟件。ENVI中的遙感圖像處理工具ENVI SARscape由核心模塊及5個(gè)擴(kuò)展模塊構(gòu)成，支持一系列機(jī)載和星載雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括Sentinel-1A，ERS-1/2，JERS-1，ENVISAT ASAR， RADARSAT-1/2等，通過(guò)對(duì)SAR數(shù)據(jù)在ENVI SARscape中進(jìn)行處理后，能夠便捷地提取到高精度地形數(shù)據(jù)（DEM）和地表形變圖，還可以在ArcGis中將提取的這些有用的數(shù)據(jù)和形變圖與光學(xué)遙感數(shù)據(jù)等集成起來(lái)并疊加分析，全面提升SAR數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)采用SARscape模塊中的D-InSAR工作流對(duì)哨兵Sentinel-1A衛(wèi)星的TOPSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)（C-band）進(jìn)行處理，確定礦區(qū)位置并得到下沉等值線圖。

3 D-InSAR數(shù)據(jù)處理

根據(jù)D-InSAR的基本原理，對(duì)SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，流程主要包括：基線估算、干涉圖生成及去平、自適應(yīng)濾波、相位解纏、相位轉(zhuǎn)形變與地理編碼等諸多步驟。

在進(jìn)行差分干涉處理前，基線估算的結(jié)果是判斷SAR干涉測(cè)量成像能否進(jìn)行下去的基礎(chǔ)條件，同時(shí)是解釋SAR影像對(duì)失相干的有力佐證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基線估算結(jié)果表明影像干涉對(duì)可以進(jìn)行后續(xù)的差分干涉處理。干涉圖的生成是通過(guò)對(duì)主、幅影像對(duì)應(yīng)像元的復(fù)數(shù)值進(jìn)行共軛相乘得到的，干涉圖中的相位值就是相位差的主值[13]。在生成干涉圖的過(guò)程中，存在數(shù)據(jù)處理噪聲、系統(tǒng)熱噪聲等影響，為了能順利完成相位解纏等后續(xù)步驟，就要對(duì)噪聲加以抑制，從而降低雷達(dá)噪聲的影響，這就需要對(duì)干涉圖進(jìn)行濾波處理[14]，實(shí)驗(yàn)選擇的Goldstein濾波是最常用的濾波方法，能在一定程度上提高干涉條紋的清晰度以及減少由于時(shí)間基線或空間基線造成的失相干問(wèn)題。

其中較為關(guān)鍵的是相位解纏，它是獲取地表微小形變量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，解纏結(jié)果的好壞直接影響著最終高程數(shù)據(jù)的精度[15]?？紤]到研究區(qū)周邊地質(zhì)地貌條件較為復(fù)雜的情況下，文中選用最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏，該算法的好處在于當(dāng)影像上存在有大面積的低相干部分時(shí)，或者是有其他限制增長(zhǎng)因素導(dǎo)致解纏困難時(shí)，可以得到比其他解纏算法更加可靠、準(zhǔn)確的結(jié)果。

地理編碼是D-InSAR工作流處理中的最后一步，它是將雷達(dá)的斜距坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榈乩碜鴺?biāo)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)相位轉(zhuǎn)形變和地理編碼，得到精度較高的數(shù)字高程模型。

4 結(jié)果分析

4.1 SAR沉降區(qū)與礦區(qū)坐標(biāo)系的統(tǒng)一

SAR圖像做干涉處理是在雷達(dá)影像的坐標(biāo)系下完成的，經(jīng)過(guò)地理編碼獲取最終的DEM以及研究區(qū)形變圖是WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo);而礦區(qū)生產(chǎn)及地表沉陷監(jiān)測(cè)使用的是以X，Y表示的平面坐標(biāo)。因此，通過(guò)七參數(shù)轉(zhuǎn)化法，將亭南煤礦304工作面、燕家河煤礦8211工作面、下溝煤礦ZF2404工作面由1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到WGS-84坐標(biāo)系下，投影方式設(shè)為高斯投影3°帶，根據(jù)彬長(zhǎng)礦區(qū)地理位置，中央子午線設(shè)為108°.

4.2 不同煤礦沉降分析

根據(jù)D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程，對(duì)獲取的形變圖與實(shí)地工作面進(jìn)行坐標(biāo)之間的統(tǒng)一，找到了不同煤礦的工作面（圖2中用黑色線框表示）在形變圖中不同沉降區(qū)域的具體位置。通過(guò)使用ArcMap 10.1軟件，對(duì)形變圖進(jìn)行疊加，并生成不同煤礦的等值線圖（均以1 cm沉降量為邊界）時(shí)間跨度為2017年12月10日至2018年03月28日，圖2中的（a）、（b）、（c）分別代表亭南煤礦、燕家河煤礦和下溝煤礦。

從圖2中可以看出，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，亭南煤礦304工作面（即（a）中的黑色邊框）以及附近地表均有不同程度的沉降，隨著時(shí)間推進(jìn)，地表沉降量在逐漸增大，范圍由工作面向四周不斷延伸，并且越接近工作面中間，沉降量越大，最大約達(dá)到17.5 cm;燕家河煤礦8211工作面（即（b）中的黑色邊框）以及附近地表均有不同程度的沉降，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，地表沉降量在逐漸增大，范圍主要沿開(kāi)采工作面方向，即東西方向不斷延伸，并且越接近工作面，沉降量越大，最大約達(dá)到13.8 cm;下溝煤礦ZF2404工作面（即（c）中的黑色邊框）以及附近地表均有不同程度的沉降，隨著煤礦沿南北方向開(kāi)采的不斷進(jìn)行，地表沉降量在逐漸增大，范圍也在南北方向有著明顯的延伸，并且越接近工作面，沉降量越大，最大約達(dá)到10.3 cm.

5 結(jié) 論

1）以陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)的開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，基于D-InSAR技術(shù)進(jìn)行了地表沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)研究，確定了適用于西部黃土礦區(qū)D-InSAR監(jiān)測(cè)的影像數(shù)據(jù)處理方法與實(shí)用技術(shù)流程。

2）采用ENVI軟件針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的干涉SAR影像對(duì)進(jìn)行差分干涉處理。結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，彬長(zhǎng)礦區(qū)多個(gè)區(qū)域發(fā)生了明顯的沉陷變形。其中有3個(gè)變形區(qū)分別位于亭南煤礦、燕家河煤礦、下溝煤礦相應(yīng)開(kāi)采工作面上方地表，將上述3個(gè)變形區(qū)域進(jìn)行下沉疊加并繪出等值線圖，在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下與3個(gè)煤礦的開(kāi)采工作面位置進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著開(kāi)采的進(jìn)行，3個(gè)不同煤礦的工作面均發(fā)生了沉陷變形，其變形發(fā)展趨勢(shì)以及最大沉陷量與實(shí)際資料基本一致，從而驗(yàn)證了D-InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)礦區(qū)沉陷變形方面的有效性。

綜上，D-InSAR技術(shù)為黃土礦區(qū)地表沉陷的監(jiān)測(cè)提供了極具前景的技術(shù)手段，未來(lái)將吸引更多的研究學(xué)者開(kāi)展廣泛而又深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜 巖，高均海.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)在礦山開(kāi)采地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量，2003（01）：5-7.

[2]Massonnet D，Holzer T，Vadon H.Correction to《land subsidence caused by the east mesa geothermal gield，California，observed using SAR interferometry》[J].Geophysical Research Letters，2013，24（08）：3213-3213.

[3]Gabriel A K，Goldstein R M，Zebker H A.Mapping small elevation changes over large areas：Differential radar interferometry[J].Journal of Geophysical Research Solid Earth，1989，94（B7）：9183-9191.

[4]Perski Z，Hanssen R，Wojcik A，et al.InSAR analyses of terrain deformation near the Wieliczka Salt Mine，Poland[J].Engineering Geology，2009，106（01）：58-67.

[5]郭炳躍，何 敏，劉建東.利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)徐州市礦區(qū)地表變形[J].地質(zhì)學(xué)刊，2012，36（01）：99-103.

[6]洪卓眾.基于D-InSAR的礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)[J].山西建筑，2012，38（22）：73-75.

[7]魏長(zhǎng)靖，閏建偉.D-InSAR技術(shù)二軌法監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表沉陷的方法研究[J].煤炭技術(shù)，2012，31（07）：129-130.

[8]成 樞，劉 元，張洪勝.基于D-InSAR的開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013，36（06）：7-9.

[9]王 超，張 紅，于 勇，等.雷達(dá)差分干涉測(cè)量[J].地理學(xué)與國(guó)土研究，2002，18（03）：13-17.

[10]田 馨，廖明生.InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)形變中的干涉條件分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（03）：812-823.

[11]姚頑強(qiáng)，馬 飛，龔 云，等.基于D-InSAR的彬長(zhǎng)礦區(qū)沉陷變形監(jiān)測(cè)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（05）：563-568.

[12]王 超，張 紅，劉 智.星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[13]董玉森，葛玲玲，張新春，等.基于差分雷達(dá)干涉測(cè)量的礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2007，32（10）：888-892.

[14]何秀風(fēng)，何敏.InSAR對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法與綜合測(cè)量[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[15]舒 寧.雷達(dá)影像干涉測(cè)量原理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

（責(zé)任編輯：張 江）