D-INSAR在礦區(qū)土地塌陷范圍的監(jiān)測應用

肖宇寧

摘要：雷達差分干涉測量技術（D-INSAR）是一種目前較為先進的地表形變監(jiān)測方法。在監(jiān)測地表微小形變方面，D-INSAR與常規(guī)方法相比有著顯而易見的優(yōu)勢。它不僅能以厘米量級甚至更小尺度監(jiān)測地表形變，且能對大面積測區(qū)進行快速的監(jiān)測，極大的推進了地表形變遙感應用領域的研究。本試驗選取一礦區(qū)影像數(shù)據(jù)，應用D-INSAR技術對該影像進行二軌法差分干涉處理，從而得到該礦區(qū)的主要形變區(qū)域，結(jié)果表明了該方法在山區(qū)礦山開采沉陷范圍監(jiān)測的可行性并提出幾點改進方法。

Abstract： D-INSAR is a relatively advanced method of surface deformation monitoring. D-INSAR has obvious advantages over conventional methods in monitoring small surface deformations. It can not only monitor the surface deformation on the order of centimeters or even smaller scales， but also can quickly monitor large-area measurement areas， which greatly promotes the research on the application of surface deformation remote sensing. In this experiment， the image data of a mining area is selected， and the D-INSAR technology is used to perform two-track differential interference processing on the image to obtain the main deformation area of the mining area. The results show the feasibility of this method for monitoring the mining subsidence area in mountainous areas and several improvements are proposed.

關鍵詞：D-INSAR;土地塌陷;監(jiān)測;礦區(qū)

Key words： D-INSAR;land subsidence;monitoring;mining area

中圖分類號：TD327 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0261-02

0 ?引言

采礦引起地面沉降和塌陷是礦山開采地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的一種破壞災害，也是我國最重要的地質(zhì)災害類型之一[1]，西部地區(qū)地形起伏較大，地貌復雜多變，屬于地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)。在地下采煤作用下，采空區(qū)地面塌陷會毀壞交通、水利設田以及各種建筑、工程、農(nóng)田，而且人民生命財產(chǎn)安全受到威脅，對區(qū)域經(jīng)濟建設帶來負面影響。這種由地下開采引起的損害已不僅僅是個環(huán)境問題，而且影響到礦區(qū)城市的社會和諧與可持續(xù)發(fā)展[2]。

合成孔徑雷達差分干涉測量技術（Differential Interferometry SyntheticAperture Radar，D-INSAR）是由合成孔徑雷達干涉測量技術發(fā)展而來的，是一種目前較為新穎的地表形變觀測方法[3]。在災害檢測、滑坡觀測、地震形變等方面該技術有著廣泛的應用。與傳統(tǒng)水準測量、GPS測量比較，D-INSAR技術在微小地表形變監(jiān)測上有著明顯優(yōu)勢。它監(jiān)測地表形變的精度能達到厘米級甚至亞厘米級，而且對大面積地表形變的監(jiān)測效率提高顯著。該技術不僅能從靜態(tài)層面提供宏觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還能在動態(tài)層面提供定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對遙感技術應用到地表形變領域起到了很大的推動作用。

1 ?D-INSAR微小變形測量原理

在地表形變監(jiān)測領域，該技術的研究主要集中于星載INSAR系統(tǒng)，機載INSAR系統(tǒng)應用較少，本文應用的技術是基于衛(wèi)星系統(tǒng)。為研究方便，在本試驗中，未考慮大氣的影響。

為分離出形變信息，具有顯著影響的參考趨勢面和地形因素必須從初始干涉相位中去除，也就是所謂的二次差分[4]。對于二次差分，目前的主要有三種研究方法：二軌法、三軌法以及四軌法[5]：

①二軌法：兩景雷達影像形成干涉像對數(shù)據(jù)結(jié)合外部數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進行差分的方法。

②三軌法：三景雷達影像形成一個為地形像對和一個地形-形變像對進行差分的方法。

③四軌法：四景雷達影像形成兩個干涉像對（其中一個為數(shù)據(jù)高程模型）進行差分的方法。

“二軌”法和“四軌”法原理類似的，“四軌”法利用兩景雷達影像通過干涉的方法生成的數(shù)字高程模型去除了地形的影響?！叭墶狈ㄈコ匦斡绊憚t利用地形干涉像對以及地形-形變像對，從而不用利用新的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

“二軌”法和“四軌”法的原理如圖1所示， “三軌”法的原理如圖2所示。

2 ?“二軌”法干涉測量數(shù)據(jù)處理流程

“二軌”法是利用另外獲取的DEM數(shù)據(jù)來消除地形因素的影響，從而得到形變信息?！岸墶狈ㄖ饕幸詭讉€步驟：①干涉圖像對的配準、濾波處理，生成干涉紋圖;②對DEM點進行重采樣，利用軌道參數(shù)進行坐標轉(zhuǎn)換，將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到可使用坐標系統(tǒng)，從而得到DEM數(shù)據(jù)相位值;③通過DEM模擬的干涉紋圖去除干涉紋圖中的地形值;④將去除地形效應的干涉紋圖轉(zhuǎn)換到地理坐標系統(tǒng)。該方法的具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3 ?D-INSAR在礦區(qū)土地塌陷范圍的動態(tài)監(jiān)測應用

本次的實驗礦區(qū)的范圍長約為50千米，寬約為30千米，其范圍涵蓋了整個的試驗礦區(qū)。文選取了TerraSAR-X衛(wèi)星于2011年11月至2012年1月之間所獲得的SAR影像進行合成孔徑衛(wèi)星差分干涉測量以監(jiān)測該礦區(qū)土地塌陷范圍的研究。TerraSAR-X在距地514千米高的極地軌道上圍繞地球運轉(zhuǎn)，可收集高質(zhì)量的X波段雷達數(shù)據(jù)，衛(wèi)星的運行不依賴氣象條件、云層覆蓋和照度，分辨率可達1米[6]。

本實驗選取了四景雷達影像作為備選數(shù)據(jù)，其成像時間分別為2011年11月21日，2011年12月2日，2011年12月13日和2012年1月4日。通過時間基線，空間基線的綜合對比分析，最后選取2011年11月21日的成像影像作為主圖像，2012年1月4日的成像影像作為輔圖像進行差分干涉測量的實驗研究數(shù)據(jù)，對實驗區(qū)的土地塌陷范圍進行監(jiān)測。該影像為單視斜距復影像，是雷達信號聚焦形成的最基本的影像，該影像數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，其中就能提取出本實驗的關鍵數(shù)據(jù)——振幅及相位信息。該影像原始數(shù)據(jù)的幾何特征保持完好，但不包含坐標信息。其成像模式為條帶成像模式（SM），分辨率約為2米。

本實驗運用二軌法差分干涉測量得到研究區(qū)域的形變范圍，形變結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，主要的試驗形變區(qū)域分布都比較集中，主要分布于影像的中部偏東北區(qū)域。

4 ?結(jié)論及展望

試驗的最后的形變的結(jié)果在上一節(jié)中已經(jīng)做了介紹，結(jié)果表明，應用該方法可對礦區(qū)塌陷范圍進行監(jiān)測。同時也要意識到形變結(jié)果不僅僅是由于采礦活動導致的土地的塌陷，也包含其他因素影響，如山體滑坡、塌方導致的地表的下沉。且由于雷達影像的獲取時間是2011年11月至2012年1月，在該時間區(qū)段內(nèi)，試驗區(qū)域有過大范圍的降雪，而降雪的沉積或者融化對試驗的準確性也有相當?shù)挠绊?。該方面的影響在本文中不做具體分析。

本實驗只是對D-INSAR進行初步的運用于研究，要實現(xiàn)D-INSAR技術高精度監(jiān)測礦區(qū)的土地塌陷的范圍與塌陷強度，還應在以下幾方面改進：①對于類似礦區(qū)這種地形起伏較大的區(qū)域，數(shù)據(jù)處理過程中容易產(chǎn)生失相干現(xiàn)象。為避免該現(xiàn)象，源數(shù)據(jù)的相干性問題須解決，主要是復影像的時間、空間相干性。時間相干性就是必須保證觀測目標在時間間隔內(nèi)的一致性，空間相干性就是臨界基線距必須在空間上滿足要求。②在進行形變信息提取時，在條件允許的情況下應借助于永久散射體合成孔徑雷達干涉測量技術（PS-INSAR），即選取若干影像精配準控制點（PS點）。PS點可通過在成像區(qū)域的合適位置安裝電磁信號發(fā)射器或角反射器獲得。③充分利用地理信息系統(tǒng)（GIS）將多源數(shù)據(jù)融合分析。根據(jù)使用目不同，多源數(shù)據(jù)分為地形、地貌、地質(zhì)、采礦以及常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。通過GIS強大的數(shù)據(jù)分析功能，分析塌陷區(qū)地表變形特點、變形趨勢及變形內(nèi)部聯(lián)系，也可預測塌陷區(qū)未來的動態(tài)變化。

參考文獻：

[1]紀萬斌，等.塌陷與災害[M]北京：地震出版社，1996.

[2]吳立新，高均海，葛大慶，等.基于D-INSAR的煤礦區(qū)開采沉陷遙感監(jiān)測技術分析[J].地理與地理信息科學，2004.

[3]陳基煒.新技術在城市地面沉降研究中的應用[J].上海地質(zhì)，2001.

[4]胡慶東、毛士藝.干涉SAR圖像的降噪方法及水平地形效應消除[J].北京航空航天大學學報，1999.

[5]王超，張紅，于勇，劉智.雷達差分干涉測量[J].地理學與國土研究，2002.

[6]倪維平，邊輝，嚴衛(wèi)東，等.TerraSAR-X雷達衛(wèi)星的系統(tǒng)特征與應用分析[J].雷達科學與技術，2009.