基于三軌法D－InSAR技術(shù)的礦區(qū)地面形變分析

余景波，王建波，王肖露，張 亮，曹振坦

（1.青島求實(shí)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266108；2.中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司，山東 臨沂 277700；3.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；4.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)影像的相位信息作為信息源來(lái)提取地面的三維信息和地面變化信息的一種測(cè)量技術(shù)［1］。它是利用空間上不同的兩副天線或重復(fù)飛行軌道上的同一副天線對(duì)某一相同區(qū)域進(jìn)行兩次不同成像，得到的兩幅復(fù)數(shù)雷達(dá)影像經(jīng)過(guò)干涉處理生成相位差圖像，利用相位差圖像就可以獲取地面的形變信息。這項(xiàng)測(cè)量技術(shù)很快被擴(kuò)展為合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（Differential InSAR，D－InSAR），其利用同一區(qū)域不同時(shí)相的兩幅雷達(dá)干涉紋圖進(jìn)行外部DEM模擬或者差分組合［2］，去除地形因素影響，來(lái)探測(cè)地面形變信息。D－InSAR 技術(shù)具有空間分辨率高、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高和形變測(cè)量精度高等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)D－InSAR技術(shù)具有不需要相關(guān)人員進(jìn)入觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量操作以及克服了傳統(tǒng)測(cè)量手段（如高精度水準(zhǔn)和GPS技術(shù)）只能監(jiān)測(cè)離散的和有限的控制點(diǎn)的缺陷，并且D－InSAR技術(shù)可以對(duì)數(shù)萬(wàn)平方公里的地面形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其空間分辨率也可以達(dá)到較高的精度，因而D－InSAR技術(shù)獲得科技界和工程界的廣泛關(guān)注。世界上利用D－InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面形變，開(kāi)始于20世紀(jì)90年代的西方國(guó)家。1993年，德國(guó)、波蘭等西方國(guó)家進(jìn)行了煤礦開(kāi)采地面沉降D－InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)［3－5］，結(jié)果提取了礦區(qū)地面下沉速度。在國(guó)內(nèi)，D－InSAR 技術(shù)在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究還比較少［6］，2003年吳立新教授、姜巖教授、高均海博士等人［7］就DInSAR 技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采地面沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，并針對(duì)我國(guó)煤礦開(kāi)采特點(diǎn)提出了D－InSAR在中國(guó)煤礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意解決的問(wèn)題，同時(shí)開(kāi)展了以唐山礦區(qū)、開(kāi)灤礦區(qū)為例的煤礦區(qū)地表演變與開(kāi)采沉陷D－In－SAR 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的初步研究。

目前，D－InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)地面形變方面得到廣泛應(yīng)用，但是還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。由于受到數(shù)據(jù)源、礦區(qū)環(huán)境和礦區(qū)所在地經(jīng)濟(jì)利益分配等因素的制約，其用于礦區(qū)地面形變的監(jiān)測(cè)例子還比較少，所以有必要對(duì)其進(jìn)行研究和應(yīng)用。本文利用6景ENVISAT ASAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行了三軌法D－In－SAR 技術(shù)提取礦區(qū)地面形變的試驗(yàn)研究，并對(duì)獲取的結(jié)果從不同時(shí)間段沉降量、沉降分布、沉降面積統(tǒng)計(jì)和精度分析等方面展開(kāi)了分析。進(jìn)而展示三軌法D－InSAR 技術(shù)在礦區(qū)地面形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 三軌法D－InSAR 測(cè)量基本原理

礦區(qū)地面形變前后獲取雷達(dá)影像經(jīng)干涉處理得到的干涉圖含有地形相位信息和形變相位信息。為了獲取礦區(qū)地面形變信息，必須去除地形相位。在D－InSAR技術(shù)中，主要有雙軌法、三軌法和四軌法等方法，可以去除地形相位信息。本文采用三軌法進(jìn)行數(shù)據(jù)干涉處理。三軌法［8］是利用三景雷達(dá)影像生成兩幅干涉紋圖，其中一幅含有地形相位信息，另一幅含有形變相位信息，在平地效應(yīng)消除后，分別進(jìn)行相位解纏，接下來(lái)就可以把兩幅影像進(jìn)行差分干涉處理而得到地面沿視線向的地形變化信息。不需要地面信息如外部DEM 是該方法的優(yōu)點(diǎn)［9］，然而相位解纏的質(zhì)量會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)處理最終結(jié)果造成影響［10］，是其主要的缺點(diǎn)。

圖1是三軌法差分干涉測(cè)量成像幾何示意圖。假設(shè)S1和S3是在地面發(fā)生形變前獲取的雷達(dá)影像，S2是在地面發(fā)生形變后獲取雷達(dá)影像，沿視線向上的地面形變量為ΔRd。

圖1 三軌法差分干涉測(cè)量幾何原理圖

天線S1和S2接收到的P點(diǎn)的合成孔徑雷達(dá)（SAR）信號(hào)信息可以表示為［11］：

天線S1和S2接收信號(hào)的相位可以表示為：

由S1和S2干涉處理獲得干涉雷達(dá)影像的相位為：

為了得到形變信息，需要去除地形相位信息的影響。三軌法就是利用地面發(fā)生形變前獲取的第3幅雷達(dá)影像，進(jìn)行差分干涉處理來(lái)消除地形的影響的方法［12］。

天線S3接收到P點(diǎn)的SAR 信號(hào)信息為：

天線S3接收信號(hào)的相位表示為：

第3幅雷達(dá)影像與第1幅雷達(dá)影像經(jīng)干涉處理所形成干涉圖相位為：

由式（3）和式（6）可以獲取沿視線向形變量ΔRd所引起的相位為：

由式（7）得：

式（8）右邊的各量可由干涉圖的相位（φ12，φ13）和軌道參數(shù)（B1，B2，θ，α1，α2）計(jì)算得到，這樣可以確定圖像每一點(diǎn)的沿視線向形變量ΔRd。

2 數(shù)據(jù)源以及三軌法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取

2.1 數(shù)據(jù)源

研究礦區(qū)區(qū)域的左上坐標(biāo)為（35°24′23″N，116°42′00″E），右下坐標(biāo)為（33°22′00″N，116°37′20″E），右上坐標(biāo)為（35°24′23″N，116°37′20″E），左下坐標(biāo)為（33°22′00″N，116°42′00″E）。該礦區(qū)的研究區(qū)域位于山東省濟(jì)寧市。本文結(jié)合所研究區(qū)域?qū)嶋H情況，主 要 篩 選2008年12月—2009年7月 的6 景ENVISAT ASAR 數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其基本情況如表1所示。

表1 研究區(qū)ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)

2.2 三軌法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取

三軌法D－InSAR需要3幅雷達(dá)影像，地面發(fā)生形變前分別獲取2幅雷達(dá)影像，地面發(fā)生形變后再獲取1幅雷達(dá)影像。三軌法D－InSAR 干涉處理實(shí)驗(yàn)所需ENVISAT ASAR 數(shù)據(jù)參數(shù)如表2所示。

表2 三軌法差分干涉處理數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2中各像對(duì)空間垂直基線情況，假設(shè)編號(hào)為2、3和5的雷達(dá)影像對(duì)作為礦區(qū)地面發(fā)生形變前獲取的干涉雷達(dá)影像對(duì)，進(jìn)行干涉處理獲取值含有地形相位信息的DEM；以編號(hào)為1、4和6的雷達(dá)影像對(duì)作為礦區(qū)地面發(fā)生形變前后獲取干涉雷達(dá)影像對(duì)，進(jìn)行干涉處理生成既含有地形相位信息，又含有形變相位信息干涉相位圖，接下來(lái)和生成DEM進(jìn)行差分干涉處理，去地形相位信息影響，從而獲取礦區(qū)地面的形變信息。

3 三軌法D－InSAR 結(jié)果及其礦區(qū)地面形變分析

3.1 三軌法D－InSAR數(shù)據(jù)處理結(jié)果及其分析

（1）含有地形相位信息的DEM

三軌法D－InSAR技術(shù)，首先要把地面形變前獲取的2幅雷達(dá)影像進(jìn)行干涉處理，以獲取僅含有地形相位信息的DEM。三軌法D－InSAR所獲取含有地形相位信息的DEM 如下：

圖2 實(shí)驗(yàn)提取礦區(qū)的DEM 示意圖

在三軌法D－InSAR差分干涉處理中，圖2中的DEM 有十分重要的作用，關(guān)系到在差分干涉處理數(shù)據(jù)階段，能否最大程度減少地形相位信息對(duì)形變相位信息的影響。圖2（a）質(zhì)量較好些、亮度清晰、變化比較均勻，因此能較好反映該時(shí)間段的地形相位信息；圖2（b）和圖2（c）變化趨勢(shì)不均勻，白色塊狀較多表明相位解纏結(jié)果質(zhì)量精度不高，這就會(huì)造成提取DEM 不能較為準(zhǔn)確的反映地形相位信息。

（2）差分干涉圖和相干圖

在三軌法D－InSAR中，含有地形相位信息和形變相位信息的干涉圖與僅含有地形信息的DEM 進(jìn)行差分干涉處理，可以提取含有形變信息的差分干涉圖和相干圖。

從三軌法D－InSAR 提取的增強(qiáng)干涉圖中可以看出，斑點(diǎn)噪聲比較多，并且沒(méi)有形成明顯干涉條紋，不能反映出礦區(qū)局部地形特征。這可能是由所選用雷達(dá)影像時(shí)間跨度比較大，出現(xiàn)嚴(yán)重時(shí)間失相干，也可能是由相位解纏階段，生成結(jié)果質(zhì)量不高，進(jìn)而導(dǎo)致生成DEM 精度不高，沒(méi)有消除大量地形相位信息等原因造成。相干圖中的黑色區(qū)域比較多，這表明礦區(qū)地形特征變化比較快，使地物特征出現(xiàn)了較大變化，從而導(dǎo)致一定的噪聲失相關(guān)，這樣使得雷達(dá)影像相干性明顯減弱，圖3中干涉圖沒(méi)有生成明顯干涉條紋就驗(yàn)證了這一原因。

（3）地理編碼后的地面形變圖

對(duì)三軌法D－InSAR差分干涉圖，經(jīng)過(guò)消除地形相位，解纏相位到形變相位的轉(zhuǎn)換，地理編碼，沿視線向形變相位到垂直向形變相位的計(jì)算等步驟處理，可以提取礦區(qū)地面形變圖。

圖3 三軌法差分干涉處理獲取的增強(qiáng)干涉圖及其相干圖

圖4 三軌法差分干涉處理提取的沉降圖

圖4礦區(qū)地面形變圖中，有些區(qū)域形成了“漏斗”狀沉降；一些區(qū)域出現(xiàn)微小的沉降，可能是由過(guò)度開(kāi)采地下水等所引起；出現(xiàn)白色塊狀區(qū)域，表明這個(gè)區(qū)域地形出現(xiàn)了上升變化趨勢(shì)，這可能是由于該區(qū)域雷達(dá)影像數(shù)據(jù)相位解纏無(wú)法進(jìn)行所導(dǎo)致。

3.2 礦區(qū)地面形變分析

選取所研究礦區(qū)的部分區(qū)域作為研究對(duì)象，從整體方面分析該區(qū)域在不同時(shí)間段的沉降分布、沉降量以及沉降面積。

圖5 三軌法D－InSAR提取的2008.12.19—2009.07.17期間礦區(qū)沉降分布圖

圖6 2008年12月19日—2009年7月17日期間的礦區(qū)地面沉降面積估算

從圖5～圖6 可以看出，從整體上，三軌法DInSAR 不僅可以確定礦區(qū)地面沉降分布，也可以初步估算不同沉降值之間的沉降面積。

3.3 精度分析

為了檢驗(yàn)三軌法D－InSAR 監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面沉降結(jié)果的精度，匯集了水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)手段獲取該礦區(qū)在2009.2.21—2009.10.24時(shí)間段內(nèi)部分水準(zhǔn)點(diǎn)地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，與三軌法D－InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果作比較。表3和圖7給出了三軌法D－InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較情況。

表3 三軌法D－InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果精度分析表

圖7 水準(zhǔn)結(jié)果與三軌法D－InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

從表3和圖7可以看出三軌法D－InSAR 所得到礦區(qū)地面沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)得到沉降結(jié)果之間有一定的差別。出現(xiàn)這種差別的原因可能有：

（1）成像波長(zhǎng)的制約：差分干涉圖上一個(gè)完整周期的形變干涉條紋只代表視線向半個(gè)波長(zhǎng)的形變量，這使得小范圍區(qū)域內(nèi)沉降差別過(guò)大的點(diǎn)形變不能在差分干涉圖上反映出來(lái)，因此這些點(diǎn)的沉降情況不能在地面形變圖上體現(xiàn)出來(lái)；

（2）空間上不一致：水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)象是一個(gè)點(diǎn)，而三軌法D－InSAR 測(cè)量對(duì)象是一個(gè)面。如果用一個(gè)點(diǎn)的沉降結(jié)果去度量一個(gè)面的沉降結(jié)果，很顯然會(huì)出現(xiàn)很大的差別；

（3）時(shí)間上不一致：由于ENVISAT 衛(wèi)星本身有重訪問(wèn)特點(diǎn)，這就會(huì)使三軌法D－InSAR 監(jiān)測(cè)時(shí)間段和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)時(shí)間段不能完全一致。從表3可以看出2種監(jiān)測(cè)手段之間有些時(shí)間段相差很大；

（4）ASAR 數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量：所研究礦區(qū)植被和水域分布比較多，ASAR 成像波段容易受到植被和水域影響，造成部分雷達(dá)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較差；由于缺少2008.12 和2009.8—10 時(shí) 間 段ASAR 數(shù)據(jù)，所以造成了時(shí)間“漏洞”，因而無(wú)法進(jìn)行2008.12和2009.8—10時(shí)間段內(nèi)的三軌法D－InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果和水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比較；

（5）生成DEM 雷達(dá)影像對(duì)所處時(shí)間段內(nèi)，研究礦區(qū)地面可能發(fā)生較大形變，這樣使得DEM 地形信息中含有部分形變信息，顯然，這部分形變信息在差分階段會(huì)被消除掉，所以三軌法D－InSAR 在這種會(huì)情況下就不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出這段時(shí)間內(nèi)礦區(qū)地面形變。

4 結(jié)語(yǔ)

采用三軌法D－InSAR 處理覆蓋濟(jì)寧某礦區(qū)的ENVISATASAR 數(shù)據(jù)，分別提取了增強(qiáng)差分干涉圖、相干圖、沉降圖，并從礦區(qū)地面沉降分析和精度分析等方面對(duì)三軌法D－InSAR 監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面沉降結(jié)果進(jìn)行了分析和討論，可以得出：

（1）三軌法D－InSAR 技術(shù)可以從整體上得到礦區(qū)沉降的大體分布、不同時(shí)間段的沉降量以及初步估算不同沉降值的沉降面積。

（2）由于受到ASAR 分辨率、成像波長(zhǎng)和數(shù)據(jù)處理有關(guān)操作等因素制約，造成三軌法D－InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面沉降結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)沉降結(jié)果之間存在一定差異。

（3）三軌法D－InSAR用于礦區(qū)地面形變監(jiān)測(cè)，雖然受到許多因素的制約，但是在一定程度上來(lái)說(shuō)，該技術(shù)應(yīng)用礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)是可行的。

可以預(yù)見(jiàn)，作為一種新型測(cè)量手段的D－InSAR技術(shù)將會(huì)在礦區(qū)地面形變監(jiān)測(cè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，這對(duì)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展有十分重要的意義。

［1］ 朱建軍，邢學(xué)敏，胡俊，等.利用InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表形變［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21（10）：2564－2576.

［2］ 閆建偉，汪云甲，陳國(guó)良，等.錢(qián)營(yíng)孜煤礦地表沉降的D－InSAR監(jiān)測(cè)［J］.金屬礦山，2011，（3）：105－107.

［3］ 艾彬，黎夏，卓莉，等.雷達(dá)差分干涉測(cè)量及其在地表沉降中的應(yīng)用與展望［J］.熱帶地理，2007，27（4）：317－322.

［4］ 王志勇，劉磊，周興東.利用合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)伊朗Bam 地震同震形變場(chǎng)［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2008，30（4）：310－316.

［5］ 趙俊娟，李成范，尹京苑，等.干涉雷達(dá)人工角反射器技術(shù)［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2011，33（4）：403－407.

［6］ 鄧喀中，姚寧，盧正，等.D－InSAR監(jiān)測(cè)開(kāi)采沉陷的實(shí)驗(yàn)研究［J］.金屬礦山，2009，（12）：25－27，120.

［7］ 吳立新，高均海，葛大慶，等.基于D－InSAR的煤礦區(qū)開(kāi)采沉降遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)分析［J］.地理學(xué)與國(guó)土研究，2004，20（2）：22－25.

［8］ Zerker，H.A.，Rosen，P.A.，Goldstein R M，etal.On the derivation of coseismic displacement fields using Differential Radar Interferometry of the Landers［J］.Geophysical Research，1994，99（B10）：19617－19634.

［9］ 馬海濤，李輝，劉勇峰，等.D－InSAR技術(shù)在礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2011，（2）：95－98.

［10］ 余景波，劉國(guó)林，曹振坦.差分干涉測(cè)量（D－InSAR）技術(shù)在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2010，35（5）：54－60.

［11］ 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，2002：59－61.

［12］ 閆建偉，汪云甲，朱勇.基于D－InSAR技術(shù)的淮南礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)［J］.工礦自動(dòng)化，2011，（8）：48－51.