利用InSAR技術(shù)監(jiān)測徐州市礦區(qū)地表變形

郭炳躍，何 敏，劉建東

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，江蘇 南京 210018;2.河海大學(xué)測量工程系，江蘇 南京 210098)

利用InSAR技術(shù)監(jiān)測徐州市礦區(qū)地表變形

郭炳躍1，何 敏2，劉建東1

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，江蘇 南京 210018;2.河海大學(xué)測量工程系，江蘇 南京 210098)

徐州煤礦資源豐富，煤礦的開采和利用，在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟和社會效益的同時，卻造成了大規(guī)模的地面沉陷，區(qū)內(nèi)大量的農(nóng)田、建筑物、道路等受到影響和破壞。InSAR測量技術(shù)的差分干涉圖用于監(jiān)測厘米級甚至更微小的地面形變，具有全天候、大面積監(jiān)測地面沉陷的優(yōu)勢。以徐州地面沉陷監(jiān)測為例，介紹了InSAR測量技術(shù)在礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。

地面沉陷;InSAR技術(shù);江蘇徐州

0 引言

徐州煤礦資源豐富，煤礦的開采和利用，在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟和社會效益的同時，卻造成了大規(guī)模的地面沉陷，區(qū)內(nèi)大量的農(nóng)田、建筑物、道路等受到影響和破壞，嚴(yán)重影響社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，急需對徐州地面沉陷災(zāi)害進行監(jiān)測、治理和修復(fù)。

傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測主要采用重復(fù)精密水準(zhǔn)測量方法，通過布設(shè)一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)后采用嚴(yán)密的平差程序，最終提取出每一期的微小地面沉降變化值。這種方法野外作業(yè)周期長，而且需要耗費大量的人力、物力，測量精度也有限，因此這種方法被作業(yè)周期短、精度高、布網(wǎng)迅速的GPS所替代。但無論是GPS還是水準(zhǔn)測量，都只能獲得觀測點的地表形變而無法獲得整個區(qū)域的沉降趨勢，而且對于監(jiān)測網(wǎng)的維持每年也需要消耗大量的人力、財力。隨著空間對地技術(shù)的發(fā)展，尤其是合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(InSAR)的發(fā)展，為區(qū)域性的地表沉降監(jiān)測帶來了新的技術(shù)支持。利用InSAR技術(shù)進行區(qū)域性地表沉降監(jiān)測相對于傳統(tǒng)的點監(jiān)測具有低成本、覆蓋廣和分辨率高等優(yōu)點(陳強等，2007;羅小軍等，2009;張詩玉等，2008)。

1 InSAR技術(shù)原理

所謂合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)，就是利用兩幅來自同一照射點的雷達回波信號，分兩次觀測傳感器高度、雷達波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系，利用復(fù)圖像經(jīng)過干涉處理后形成的干涉條紋圖，得到斜距向上的點與兩天線之間的距離差，從而精確地測量出圖像上每一點的三維位置和變化信息。目前，根據(jù)所獲得兩幅SAR圖像的方式，可以將InSAR的工作方式分為沿軌道干涉測量、垂直軌道干涉測量和重復(fù)軌道干涉測量3種模式。筆者所采用的ERS-2和ENVISAT星載數(shù)據(jù)就是采用重復(fù)軌道干涉測量。

通常，重復(fù)軌道InSAR觀測的集合關(guān)系如圖1所示。A1、A2為兩次觀測時天線的位置，H為A1的高度，P為目標(biāo)點，h為目標(biāo)點P的高程，θ為A1的入射角，B為兩天線間的距離，即基線，α為基線B相對于水平方向的夾角，ρ為A1到P的斜距，ρ+δρ為A2到P的斜距。

地面目標(biāo)點P的高程h為：

由于

所以

圖1 InSAR技術(shù)的基本原理

如果A1、A2對P的測量相位差φ為：

其中，λ為雷達信號波長，則

將式(5)代入式(3)后再代入式(1)，得

由式(6)，只要天線高度H、相位差φ、基線B、兩天線的相對定向角度α、天線的入射角θ精確可知，就可以計算出地面目標(biāo)點P的高程h。需要說明的是，φ是解纏后的相位，而干涉雷達測量得到的相位值只在主值范圍內(nèi)，即是模糊的，必須經(jīng)過相位解纏后才能獲得真實相位以及得到目標(biāo)的高程信息(Ferretti et al，2001，2002;Werner et al，2003)。

2 礦區(qū)地面沉陷概況

大屯中心區(qū)位于江蘇沛縣北部與山東微山接壤部分的微山湖畔，是上海大屯煤電公司的辦公、生活及輔助生產(chǎn)企業(yè)所在地，東距微山湖5 km。徐州大屯中心區(qū)從1976年開始觀測地面沉降，1988年建立了地面沉降觀測系統(tǒng)，分別沿區(qū)內(nèi)主要線路布設(shè)A、B、C、D共4條觀測線，建立了比較完整的地面沉降觀測系統(tǒng)，各線路控制點均遠離中心區(qū)抽水井，地表結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，整個觀測線路總長30 km，各線路的高程控制點均為礦區(qū)三等水準(zhǔn)網(wǎng)中的點(張茂永等，2007)。沉降量均為以1976年為起始高程計算的結(jié)果。據(jù)1988年—2006年的系統(tǒng)觀測資料(表1)顯示，徐州在屯中心區(qū)地面沉降在逐年加劇，沉降速率有較大波動。根據(jù)歷年觀測數(shù)據(jù)，利用繪圖軟件Surfer 8.0繪制1998年、2005年的沉降觀測等值線(圖2)?？梢钥闯?，中心區(qū)在1998年形成以沉降觀測點A10和劉總3為中心的兩大沉降漏斗，最大累計沉降量330 mm。此后，沉降區(qū)域逐漸擴大，沉降漏斗面積逐年增加，到2005年，形成以鐵6井為中心的一個大沉降漏斗，沉降區(qū)的走向為北東，最大累計沉降量600 mm，累計沉降量大于100 mm的區(qū)域達到11.57 km2。利用1988年—2005年的觀測數(shù)據(jù)，繪制了中心區(qū)2010年的地面沉降等值線圖(圖3)(張茂永等，2007)。從圖3可以看出，2005年形成的沉降漏斗與2010年形成的以A6點為中心的漏斗連成一個大的沉降區(qū)，沉降區(qū)邊界等值線500 mm，累計沉降量大于100 mm的區(qū)域面積達到了32.86 km2，最大沉降量為753 mm。

表1 1988年—2006年徐州大屯中心區(qū)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)

圖2 中心區(qū)地面沉降區(qū)域的空間演化

圖3 大屯中心區(qū)預(yù)測2010年沉降等值線

3 實驗數(shù)據(jù)類型

用歐洲太空局ENVISAT-1衛(wèi)星的ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar)合成孔徑雷達傳感器獲取的徐州地區(qū)的兩景影像數(shù)據(jù)進行兩通差分(兩通法)。所謂兩通法就是利用形變前后成像的兩幅SAR影像和一個高精度的DEM。首先，利用兩幅SAR成像時的幾何關(guān)系，將DEM反演成只含地形信息的干涉圖并將其投影到SAR影像坐標(biāo)系下。然后與由兩幅SAR圖像得到的含有地表形變信息的干涉圖做差分，從而求得形變信息。由上分析可知，獲取精度滿足要求的DEM數(shù)據(jù)是兩通法的關(guān)鍵。2000年2月，美國進行了航天飛機測圖任務(wù)(SRTM)，該任務(wù)對北緯60°—南緯54°間的廣大區(qū)域進行了干涉測量，可以提供分辨率30 m、高程精度優(yōu)于16 m、覆蓋陸地表面80%的 DEM數(shù)據(jù)。SRTM DEM數(shù)據(jù)的發(fā)布為兩通差分干涉測量的廣泛應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)保證。所以本次所用數(shù)據(jù)為ASAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品中成像模式的0級原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)品代碼為ASA_IM_0C，以及SRTM DEM數(shù)據(jù)提供的高程數(shù)據(jù)(表2)。

表2 高程數(shù)據(jù)

從ASAR數(shù)據(jù)的文件名可以看出，這兩景數(shù)據(jù)都是N1格式文件，兩景影像獲得的時間分別是2009年1月20號和2007年3月27號，軌跡號都是404，第一個軌道號是 36029，第二個軌道號是26510。通過GAMMA軟件處理，把2009年1月20號和2007年3月27號的0級產(chǎn)品處理成單視復(fù)圖像(SLC)，獲得兩景影像的垂直基線為271.95 m、時間基線665 d。在SLC上截取所需要的實驗區(qū)域，進行數(shù)據(jù)的處理來獲得區(qū)域形變量。

4 InSAR測量技術(shù)處理結(jié)果

4.1 徐州市區(qū)

截取徐州市區(qū)范圍為N 34°11'7.58″—34°24'0.34″，E 117°23'1.19″—117°17'48.62″，以2009年1月20號的影像為主影像，2007年3月27號的影像為副影像以及外部DEM進行兩通法。

由相干系數(shù)圖(圖4)看，整體的相干性比較好，大部分地區(qū)的相干系數(shù)都大于0.5，由沉降圖(圖5)可知，徐州市區(qū)存在地面沉降，沉降量達到10 mm左右，有的區(qū)域達到38 mm左右。從沉降分布來看，市中心區(qū)的沉降比較小，主要分布在市中心的外圍地區(qū)，這與徐州煤礦的地理分布情況相符合。

在圖5中的①處出現(xiàn)了較大的沉降量，達38 mm，該附近有大型礦井——龐莊煤礦，該煤礦由龐莊、張小樓3對井口組成，井田面積18.3 km2，工業(yè)廣場面積1.36 km2。張小樓新大井成功改擴建以后深度為-1 025 m，為華東地區(qū)第一深井。年采煤達260萬t?？赡苁怯捎诿磕瓴擅阂约安粩嚅_采地下水，導(dǎo)致所在地及周圍區(qū)域出現(xiàn)了地面沉降的現(xiàn)象。從圖5中還可以看出，呈現(xiàn)出東北沉降的趨勢，龐莊煤礦一帶的沉降量比市區(qū)中心地帶的沉降量明顯大許多。

圖4 徐州市區(qū)相干系數(shù)示意圖

圖5 徐州市區(qū)沉降示意圖

4.2 大屯鎮(zhèn)

大屯鎮(zhèn)是徐州“十強鎮(zhèn)”之一，是沛縣工業(yè)強鎮(zhèn)，煤電資源十分豐富。已探明煤炭含量24億t，能均衡開采100年，年產(chǎn)原煤1 200萬t，大屯煤電集團公司坐落在鎮(zhèn)區(qū)腹地，擁有龍東煤礦、姚橋煤礦、徐莊煤礦和孔莊煤礦。所以大屯中心區(qū)是作為煤礦城市徐州的一個典型的區(qū)域。大屯中心區(qū)的范圍為N 34°45'56.78″—34°53'58.23″，E 116°51'23.46″—117°0'3.27″，由于龍東煤礦不在SLC上，所以，截取的范圍只包括其他3座煤礦。在強度圖(圖6)上可以看到明顯的煤礦區(qū)，其相干系數(shù)很好，礦區(qū)的相干系數(shù)一般大于0.6(圖7)，利用兩通差分得到大屯中心區(qū)的形變圖(圖8)。

圖6 大屯中心區(qū)強度圖

圖7 大屯中心區(qū)相干系數(shù)示意圖

圖8 大屯中心區(qū)沉降示意圖

圖8顯示，沉降區(qū)域的分布與礦區(qū)的分布大致相同，存在著明顯的相關(guān)性，并且新發(fā)現(xiàn)5個沉陷區(qū)(圖8①—⑤)。2007年3月27日—2009年1月20日這段時間內(nèi)，大屯中心區(qū)的大部分地區(qū)沉降量大于30 mm，該區(qū)沉降漏斗的沉降量達到61 mm，與水準(zhǔn)測量地面沉降預(yù)測趨勢大致相同。大屯中心區(qū)的沉降量遠遠超過了徐州市的沉降量，整個區(qū)域的平均沉降量都達到3 mm。

5 結(jié)論

利用InSAR技術(shù)不僅可以獲得礦區(qū)地面形變圖像，還新發(fā)現(xiàn)了5個發(fā)生地表變形的沉陷區(qū)，并能精確監(jiān)測到沉陷幅度(精度到厘米級)、指明礦區(qū)沉降范圍、沉陷幅度，提出大屯沉降的區(qū)域分布與礦區(qū)的分布大致相同的觀點。通過水準(zhǔn)測量和InSAR兩種技術(shù)對徐州地區(qū)進行地面沉降監(jiān)測的結(jié)果對比，InSAR測量技術(shù)處理成果真實、可靠，能很好地應(yīng)用于城鎮(zhèn)地區(qū)地面沉降和采礦沉陷監(jiān)測。

徐州市區(qū)和大屯鎮(zhèn)InSAR測量技術(shù)處理結(jié)果顯示，礦區(qū)沉降量比未采礦地區(qū)沉降量大很多，這也證明了開采固體礦產(chǎn)是引起徐州地面沉降的主要因素之一，所以，要合理進行采煤，控制地面沉降。徐州應(yīng)合理地進行礦區(qū)塌陷地生態(tài)修復(fù)規(guī)劃，才能落實好國務(wù)院對徐州市城市的總體規(guī)劃，建成一個可持續(xù)發(fā)展的城市。

陳強，劉國祥，丁曉立，等.2007.永久散射體雷達差分干涉應(yīng)用于區(qū)域地表沉降探測［J］.地球物理學(xué)報，50(3)：737-743.

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Surface deformation monitoring with InSAR technology in Xuzhou

GUO Bing-yue1，HE Min2，LIU Jian-dong1

(1.Jiangsu Provincial Research Institute of Geology and Mineral Resources，Nanjing 210018，China;2.Department of Measurement Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The coal resource in Xuzhou was rich.When the coal exploitation and utilization brought enormous economic and social benefits to the local people，it caused severe ground subsidence as well，affected the farmland，and damaged the buildings and roads.The radar image of differential interferometry technology(InSAR)could be able to detect the crustal deformation at centimeter scale or even more accurate.It had the advantages of all weather and wide area in monitoring settlement of subsidence of mine.Based on the monitoring of ground subsidence in Xuzhou mine，the authors introduced the application of InSAR technology in ground subsidence.Keywords：Ground subsidence;InSAR technology;Xuzhou，Jiangsu

TP79;TD325.2

A

1674-3636(2012)01-0099-05

2011-03-31;

2011-04-12;編輯：侯鵬飛

郭炳躍(1980— )，男，工程師，碩士，主要從事地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作，E-mail：guoby1121@tom.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.99