DInSAR集成GPS的礦山地表形變監(jiān)測研究

龍四春，唐 濤，張趙龍，3，李 黎，蔣宗立

(1.湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學測量工程與形變監(jiān)測研究所，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學能源學院，湖南 湘潭 411201)

DInSAR集成GPS的礦山地表形變監(jiān)測研究

龍四春1，2，唐 濤1，張趙龍1，3，李 黎1，2，蔣宗立1，2

(1.湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學測量工程與形變監(jiān)測研究所，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學能源學院，湖南 湘潭 411201)

礦區(qū)滑坡、沉陷等地質災害頻繁，礦區(qū)地表監(jiān)測及預報愈顯重要，利用雷達差分干涉測量與GPS集成可實現對礦區(qū)的三維形變監(jiān)測。本文以資興唐煤礦區(qū)為例，對礦區(qū)五景ASAR數據進行了處理，獲取了垂直形變圖；在礦區(qū)選取了代表性的10個GPS形變監(jiān)測點，獲取了ASAR數據對應時間的平面點位形變監(jiān)測結果。對DInSAR與GPS測量數據集成與內插，獲得地面監(jiān)測點的三維形變量，采用部分監(jiān)測點的水準測量數據對形變結果進行了驗證，結果表明兩種監(jiān)測結果一致。

DInSAR；GPS；集成；三維；形變監(jiān)測

一、引 言

在國外，Carnec等用ERS雷達影像對法國Gardanne地區(qū)煤礦開采引起的沉陷進行了DInSAR監(jiān)測，并將地下開采巷道位置圖與雷達差分干涉圖進行疊加分析，粗略地得出開采巷道位置中心與DInSAR差分干涉圖沉陷盆地中心位置基本一致[1]。1999年，Wright等利用ERS、SAR數據對植被覆蓋的Selby煤田導致的地表沉陷進行了監(jiān)測，從大量影像中找到時間基線為35 d的干涉像對，提取到110 mm的地面沉陷[2]。澳大利亞Ge Linlin等用InSAR與GPS、水準集成進行煤礦開采沉陷監(jiān)測，提取了三維形變監(jiān)測結果，得出在植被覆蓋地區(qū)L波段比C波段數據更有優(yōu)勢的結論[3]。2007年，Jung等用PSInSAR技術，使用25幅JERS-1影像研究了時間跨度長達6年的煤礦開采后沉陷，得到了一個粗略的沉陷監(jiān)測結果[4]。此后，2011年，Nesrin Salepci[5]、Saygin Abdikan[6]，以及2012年，Wolfgang[7]等采用InSAR、GPS、水準等數據集成進行了礦山地表沉陷監(jiān)測，但由于植被覆蓋等因素的影響，尤其像我國南方的丘陵地區(qū)，認為采用中低分辨率SAR很難得到可靠的形變監(jiān)測結果。

在國內，2005年吳立新等用5幅ERS-1/2影像提取了開灤礦區(qū)煤層開采引起的地表沉陷，得到半年內LOS方向的地表形變量，并將其分解為水平分量和垂直分量[8]。2007年獨知行[9]、董玉森[10]、王行風[11]等在傳統(tǒng)礦山形變監(jiān)測的基礎上，試驗了GPS與InSAR數據融合監(jiān)測礦山開采沉陷，得到了較連續(xù)的地表連續(xù)形變結果，并結合開采進行了分析。2011年，JIANG Liming[12]用SBAS方法監(jiān)測了烏達煤礦由煤炭火災引起的地表沉陷，成功監(jiān)測到整個雷達影像范圍內擁有18個沉陷區(qū)域。2011年，盛耀彬等采用ALOS PALSAR影像，基于時序差分干涉對澳大利亞某礦區(qū)開采導致的地表形變進行了監(jiān)測，其監(jiān)測結果與開采巷道位置、推進進度信息相疊加，驗證了監(jiān)測結果的一致性[13]。此后，2011年YIN Hongjie[14]，以及2012年FAN Hongdong[15]等用DInSAR與常規(guī)測量數據的集成開展礦山沉陷監(jiān)測研究，企圖使InSAR監(jiān)測技術普及應用到礦山地表開采沉陷地質災害監(jiān)測中。但是由于中低分辨率SAR本身帶寬、回波強度等的局限性，很難同時實現從微量緩慢形變到大尺度快速沉滑的三維形變監(jiān)測，在水平方向的移動還需依靠GPS等外部數據進行校準。

二、DInSAR及GPS測量集成

1.DInSAR沉陷監(jiān)測的原理

二軌法DInSAR形變監(jiān)測技術的幾何原理如圖1所示。在圖1中，S1、S2為天線在兩個成像時刻的位置，H為天線在S1處的橢球高度，P為地面觀測點，h為監(jiān)測點相對于橢球體的高度，θ為天線在S1處的視角，B為基線長度，α為基線與水平方向的夾角，r1、r2分別為S1、S2到監(jiān)測點的斜距。

圖1 DInSAR成像幾何原理圖

圖1中，S1、S2兩雷達天線從同一目標表面單元接收到的相位差φ可表示為

從圖中的幾何關系，根據余弦定理有

皮亞杰把人的認知發(fā)展分為了四個階段：感知運動階段、前運算階段、具體運算階段和形式運算階段，對應的年齡段分別為：0—2、2—7、7—11、11—成年。很明顯，初中生的認知發(fā)展水平屬于形式運算階段，在這一階段的學生，能夠根據邏輯推理、歸納或演繹的方式解決問題，抽象概括化水平高，思維發(fā)展接近成人水平，此外一個特征便是青春期自我中心：青少年并不否認他人有不同的感知和信念，并開始關注他們自己的觀點、信念、態(tài)度。

根據式(1)和式(2)，圖1中監(jiān)測點的地形高度h可以表示為

如果在觀測期間地表發(fā)生了形變，假設地表沿視線方向發(fā)生的形變量為Δρ，則兩天線S1和S2對監(jiān)測點的測量相位差可表示為

通過作差處理，便可以得出地表形變量。

2.DInSAR及GPS集成原理

DInSAR與GPS測量在很多方面存在異同，DInSAR在空間分辨率上極具優(yōu)勢，但時間分辨率稍顯不足；GPS在時間分辨率上具有很大優(yōu)勢，但空間分辨率存有缺陷。因此，DInSAR與GPS集成可以實現兩者之間的優(yōu)劣互補，得到三維形變監(jiān)測結果。集成原理如圖2所示。

圖2 DInSAR及GPS集成原理示意圖

如圖2所示，DInSAR與GPS集成是將監(jiān)測點的三維信息分別進行處理，利用DInSAR獲取監(jiān)測點的垂直形變量，用GPS測量獲取監(jiān)測點的x和y的形變量，進而集成得到監(jiān)測點內的三維形變量。

三、DInSAR及GPS在唐煤礦區(qū)中的集成應用

1.資興唐煤礦區(qū)的概況

資興唐煤公司位于湖南省資興市，大致位于112°40′E～113°30′E、24°40′N～26°10′N區(qū)域范圍內。礦區(qū)內地形比較復雜，最高峰為羅仙嶺，海拔946 m。井田構造以斷裂為主，主導斷層是貫穿礦區(qū)的三都平野斷層，伴隨它的有抬轎垅斷層、白石江斷層，均具壓扭斷裂性質。

為了對礦區(qū)進行整體監(jiān)測，礦區(qū)內共布設了25個GPS控制點、145個水準控制點。

2.唐煤礦區(qū)試驗數據來源

礦區(qū)形變監(jiān)測采用五景入射角23°、C波段、VV極化的ENVISAT ASAR影像數據。軌道號分別為13799、14300、14801、15803和18809。去除地形采用SRTM DEM。GPS采用靜態(tài)測量數據，精度能達到毫米級。

3.DInSAR監(jiān)測數據處理分析

在試驗中，以2004年11月24日的影像為主影像，以2004年12月29日的影像為從影像進行干涉處理。本試驗將采用二軌法對ASAR數據進行處理。具體流程如圖3所示。

圖3 二軌DInSAR監(jiān)測數據處理流程

借助GAMMA軟件對五景ASAR影像進行軌道修正、配準等處理獲得SLC單視復數影像。為了減少數據處理所占用的內存空間，根據礦區(qū)的大致位置，對SLC單視復數影像對進行切割，如圖4所示。

圖4 切割前、后的影像

對切割后的五景SLC單視復影像以軌道號14300影像為主影像分別進行配準、干涉處理獲得相干圖(如圖5所示)。

圖5 相干圖生成

從圖5中4幅相干系數圖可以看出，14300_ 14801干涉像對的相干性最高，故選取14300.SLC、14801.SLC兩景單視復影像進行二軌差分處理。

由于兩幅影像成像軌道、視角或時間的偏差，在距離和方位向都會存在一定的錯位和扭曲。因此，影像配準是影像進行干涉、差分等步驟的關鍵，配準精度的高低直接影響監(jiān)測結果。但通常情況下，借用GAMMA軟件，影像配準誤差小于0.2個像元，滿足監(jiān)測精度要求。

完成配準后，主影像和重采樣后的輔影像共軛相乘，生成干涉圖，如圖6所示。

再對同地區(qū)SRTM DEM進行投影轉換、地理編碼等步驟，得到模擬地形相位，如圖7所示。

圖7 模擬地形相位圖

將原始影像干涉處理得到的復數干涉圖與由外部SRTM DEM模擬得到的地形相位圖進行差分處理，得到差分干涉相位圖，如圖8所示。

圖8 差分干涉相位圖

地形、時空基線失相關、熱噪聲、數據處理等噪聲的存在使得干涉圖信噪比降低，尤其對于有植被覆蓋的礦山地區(qū)，會導致相位解纏困難。干涉圖中各點的相位值只是落入真實相位主值[－π，π]區(qū)間內，要得到反映形變信息的真實相位值必須進行相位解纏；再進行從相位到形變量的轉換與地理編碼，就可以得到礦區(qū)地表沉降圖，如圖9所示。

圖9 濾波后的差分干涉圖

4.DInSAR與GPS監(jiān)測結果集成

基于采集的靜態(tài)GPS數據，進行基線解算及網平差處理，得到與InSAR部分監(jiān)測點在2004年11—12月間平面位置在x和y方向的形變曲線，如圖10和圖11所示。

圖10 x方向位移

圖11 y方向位移

借助ArcGIS軟件，得到以上水平位移變形監(jiān)測點的垂直形變量(見表1)。

表1 DInSAR與水平變形對應的監(jiān)測點垂直沉降量

為了檢驗DInSAR垂直方向監(jiān)測成果的準確性，利用唐煤礦區(qū)2004年11—12月的水準測量數據與其進行比較，結果見表2。

表2 DInSAR垂直沉降量與其水準數據比較m

從表2可見，除監(jiān)測點H6對應的DInSAR測量值與水準測量值相差較大外，其余點具有很高的相關性。再將沉降監(jiān)測結果與GPS水平監(jiān)測結果進行集成，得到監(jiān)測點的三維形變監(jiān)測結果(如圖12所示)。

四、結束語

DInSAR技術觀測結果是整個區(qū)域面的變形信息，監(jiān)測精度與水準測量相當，GPS能毫米級地監(jiān)測水平位移，DInSAR集成GPS實現了DInSAR與GPS測量技術在垂直和水平方向監(jiān)測精度的優(yōu)劣互補，提高了礦山沉陷監(jiān)測工作的效率，使得監(jiān)測結果更加可靠。但存在個別點位的DInSAR監(jiān)測與水準監(jiān)測結果相差2.6 cm，初步分析是由于礦區(qū)植被等的影響，雷達影像的相干性較差，導致相位解纏困難或失敗所造成。隨著DInSAR技術及GPS測量技術的日趨成熟，以及高分辨率多頻多模星載SAR的發(fā)射，DInSAR與GPS、水準數據集成的高精度大范圍三維形變監(jiān)測將逐步得到應用。

圖12 監(jiān)測點的三維形變結果

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On Mining Ground Deformation Monitoring Based on Integration of DInSAR and GPS

LONG Sichun，TANG Tao，ZHANG Zhaolong，LI Li，JIANG Zongli

P258；P228.4

B

0494-0911(2014)11-0006-05

2013-10-08；

2014-07-29

國家自然科學基金(41404106；41004002)；大地測量與地球動力學國家重點實驗室基金(SKLGED2014-5-3-E)；桂科能基金(1207115-21)；煤炭資源與環(huán)保湖南省重點實驗室基金(E21221)

龍四春(1975—)，男，湖南漣源人，博士后，副教授，主要研究方向為合成孔徑雷達干涉測量與大地測量。

龍四春，唐濤，張趙龍，等.DInSAR集成GPS的礦山地表形變監(jiān)測研究[J].測繪通報，2014(11)：6-10.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0351