D-InSAR技術(shù)在某金屬礦山沉降形變監(jiān)測中的應(yīng)用

袁世坤

(青海省有色第一地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000)

金屬礦山資源開發(fā)與利用不可避免地對礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境等造成不同影響，使得礦區(qū)周邊地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著礦山安全建設(shè)等。因此，如何提高礦山開采區(qū)域及周邊沉降形變監(jiān)測是有效防治礦山地質(zhì)災(zāi)害的主要途徑之一，也為金屬礦山深部資源開采工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR技術(shù))是近年來在合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(InSAR技術(shù))上發(fā)展起來的，因該技術(shù)——高精度DEM和多幅干涉圖為基礎(chǔ)進(jìn)行微小形變測量而逐漸應(yīng)用于多個測繪領(lǐng)域，如地震監(jiān)測、冰川漂移監(jiān)測、火山地表遷移監(jiān)測[1-3]、城市地表沉降監(jiān)測[7-10]等領(lǐng)域中，在實(shí)際應(yīng)用過程中取得了顯著的應(yīng)用效果。D-InSAR技術(shù)在礦山開采區(qū)域沉降形變監(jiān)測中的應(yīng)用也較為廣泛。如閆大鵬[4]利用該技術(shù)對云駕嶺煤礦區(qū)進(jìn)行了沉降形變監(jiān)測，并建立了“礦山開采—開采沉陷”時空模型，有效的指導(dǎo)了礦山安全生產(chǎn)。本文以D-InSAR技術(shù)為例，結(jié)合某金屬礦山的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行地表沉降形變分析，目的在于分析開采區(qū)沉降形變特征，為礦山安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 D-InSAR形變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

礦山開采區(qū)沉降形變是地殼淺表層高程變化的一種表現(xiàn)形式，是人為活動誘發(fā)的地殼淺表層高程變化，在高分辨率ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)中生成的干涉相位圖中包含了地表微小沉降形變信息[5]。因此，可以借助不同時段獲得的ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理就可以獲得解析區(qū)域的微小形變特征。常見的影像數(shù)據(jù)處理方法主要有二軌法、三軌法和四軌法。最為常見的數(shù)據(jù)處理方法為二軌法，該方法立足于一對跨越形變期的SAR影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過干涉處理等流程后就可獲得監(jiān)測區(qū)域的包含了形變信息和地形信息的干涉相位圖，再利用高精度的DEM數(shù)據(jù)模型等進(jìn)行模擬反演，剔除地形相位等，進(jìn)而獲得監(jiān)測區(qū)域某一點(diǎn)的形變量[6]；三軌法再數(shù)據(jù)處理過程中會引入大氣誤差，使得監(jiān)測精度明顯降低；二軌法、四軌法與三軌法相比較而言，前兩者均不需要考慮干涉對的影響，即不同干涉對之間是否存在形變，僅需借助外部高精度的DEM數(shù)據(jù)模型反演的地形相位即可，但是二軌法與四軌法相比，后者對數(shù)據(jù)精度要求更高。通過對比研究，本文數(shù)據(jù)處理方法采用二軌法，數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 基于二軌法的D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

2 D-InSAR技術(shù)在礦山沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 監(jiān)測區(qū)基本概況

監(jiān)測區(qū)域位于我國西部山區(qū)，礦區(qū)地形高差變化較大，屬于高山峽谷地貌，總體上地形地貌較復(fù)雜。礦床成因類型為矽卡巖型銅鉛鋅礦床，開采方式為地表剝離開采和井下硐采相結(jié)合的方式，其中礦區(qū)西部礦體埋深較淺，以地表剝離開采為主；礦區(qū)東部地區(qū)礦體隱伏，以井下硐采為主。由于礦區(qū)東部區(qū)域采礦活動影響，深部形成了較多的采空區(qū)，使得地表巖層發(fā)生不同程度沉降，局部區(qū)域出現(xiàn)裂縫。為了了解礦山沉降形變規(guī)律以及進(jìn)一步指導(dǎo)深部采礦設(shè)計(jì)，以ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用D-InSAR技術(shù)進(jìn)行了沉降形變監(jiān)測分析，為礦山安全生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。

2.2 主要數(shù)據(jù)處理流程

2.2.1 影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及基線估算

采用的影像數(shù)據(jù)處理方式為二軌法，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法包括兩類：①以精密星歷數(shù)據(jù)以及相干系數(shù)配準(zhǔn)；②以地面控制點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)。本文使用的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)是由COSMO-SkyMed高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星生產(chǎn)的，該衛(wèi)星生產(chǎn)的SAR數(shù)據(jù)分辨率相對較低，因此，選用第1種影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方式，利用精密星歷數(shù)據(jù)及ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)形成的相干系數(shù)提高監(jiān)測精度。

在使用精密星歷數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程中采用DORIS軌道數(shù)據(jù)對ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了基線粗估計(jì)后，再對礦區(qū)地形相對較為平坦的區(qū)域以條文率進(jìn)行精估計(jì)[1]。在完成影像數(shù)據(jù)的精確估計(jì)后，結(jié)合礦區(qū)高精度的DEM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相位模擬，將形變信息、地形信息等轉(zhuǎn)換為相位信息，為進(jìn)一步開展相位查分干涉處理以及去地形相位做準(zhǔn)備。

2.2.2 差分處理及相位濾波

將轉(zhuǎn)換后的相位干涉圖剔除地形相位后就可獲得去地形的干涉相位，這一過程即為干涉影像的差分處理。差分處理后的干涉相位不僅包含了監(jiān)測區(qū)域地表沉降形變信息，而且包含了大量的噪聲相位。因此，在分析監(jiān)測區(qū)域形變規(guī)律之前必須剔除冗余的噪聲相位，即差分干涉相位的相位濾波處理[7]。

2.2.3 相位解纏及地理編碼

相位解纏是分析形變量的基礎(chǔ)，采用最小費(fèi)用流法進(jìn)行相位解纏，有效地降低了影像中模糊問題，獲得了解纏后的相位與線性變化的地形一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過GAMMA軟件中數(shù)據(jù)配準(zhǔn)換算關(guān)系等解算出不同解纏點(diǎn)的形變量信息[8-9]。將獲得的形變量數(shù)據(jù)采編相應(yīng)區(qū)域的地理編碼等信息，統(tǒng)一至同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，就可獲得監(jiān)測區(qū)域地表形變圖，直觀的將礦區(qū)形變分布區(qū)域表達(dá)出來(見圖2)。

圖2 某金屬礦山沉降形變分布

3 沉降形變監(jiān)測結(jié)果及精度分析

3.1 沉降形變監(jiān)測結(jié)果分析

將相位解纏后獲得的礦區(qū)地表形變圖導(dǎo)入至MAPGIS制圖軟件中，并添加標(biāo)注圖框以及其他地理信息等內(nèi)容，進(jìn)行圖件整飾，就可獲得礦區(qū)沉降分布規(guī)律，包括沉降面積、沉降量等內(nèi)容。根據(jù)圖2可知：礦區(qū)地表沉降形變分布與礦區(qū)開采方式以及開采時間具有相似的變化，即礦區(qū)西部區(qū)域以地表剝離開采為主，地表未發(fā)生明顯的沉降形變；礦區(qū)東部區(qū)域以井下硐采為主，并形成了較大規(guī)模的采空區(qū)，而地表沉降形變區(qū)域也主要分布于礦區(qū)東部，且在垂向上主要與采空區(qū)對應(yīng)，這與礦山資源開采基本現(xiàn)狀一致。根據(jù)礦山沉降形變量可知：礦區(qū)最大沉降量位于礦區(qū)東部，沉降量為-78 mm；礦區(qū)總沉降面積為2.10 km2，其中，形變量大于-40 mm的面積約為0.35 km2；形變量介于-40～-20 mm之間的面積為0.73 km2；形變量小于-20 mm的面積約為1.02 km2。根據(jù)沿走向方向沉降剖面圖(見圖3)可知，在垂向上沉降形變量具有“U”分布規(guī)律，其最大沉降范圍與采空區(qū)中心位置基本吻合，沉降量在中心向兩側(cè)基本呈對稱關(guān)系，向兩側(cè)形變量逐漸降低。

圖3 研究區(qū)沿走向方向沉降剖面

3.2 形變監(jiān)測精度分析

為了分析D-InSAR技術(shù)在礦山沉降形變監(jiān)測中的精度，在使用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測的同時，收集礦區(qū)內(nèi)部自定義的水準(zhǔn)測量點(diǎn)，使用全站儀對其進(jìn)行監(jiān)測，獲得5個同步監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)形變量，與D-InSAR獲得的形變結(jié)果進(jìn)行對比分析，目的在于驗(yàn)證監(jiān)測精度是否滿足要求。D-InSAR技術(shù)獲取的形變信息為監(jiān)測區(qū)域的高相干點(diǎn)的形變信息，因此，為了使得D-InSAR技術(shù)獲得的形變量更貼近于真實(shí)情況，本次選擇5個同步監(jiān)測點(diǎn)周圍的30個高相干點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，將加權(quán)平均后的數(shù)值作為對應(yīng)同步監(jiān)測點(diǎn)上的沉降形變值，最終數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以得出：使用D-InSAR技術(shù)獲得的沉降形變量與全站儀獲得的累計(jì)形變量值具有相似的變化規(guī)律，二者的誤差百分比均小于5%，完全滿足礦山形變監(jiān)測精度要求，說明使用D-InSAR技術(shù)分析礦山沉降形變規(guī)律的精度是可靠地。

表1 D-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果與全站儀監(jiān)測結(jié)果對比

4 結(jié) 論

D-InSAR技術(shù)在礦山沉降形變監(jiān)測中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，研究結(jié)果表明礦區(qū)沉降形變主要分布于礦區(qū)東部，在垂向上沉降形變量具有“U”分布規(guī)律，其最大沉降范圍與采空區(qū)中心位置基本吻合，沉降量在中心向兩側(cè)基本呈對稱關(guān)系，向兩側(cè)形變量逐漸降低；礦區(qū)最大沉降量位于礦區(qū)東部，沉降量為-78 mm；礦區(qū)總沉降面積為2.10 km2；與全站儀獲得的累計(jì)沉降量相比，二者具有相似的變化規(guī)律，且誤差均小于5%，說明使用D-InSAR技術(shù)分析礦山沉降形變規(guī)律的精度是可靠地。