D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的應用研究

馬道鳴，魯?shù)顒?，朱文慧，張雪麗，蘇永江

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 453000)

0 前 言

礦區(qū)地表形變監(jiān)測一直是礦山安全生產的基礎保障，也是嚴重制約礦山升級發(fā)展的重要因素，是在人類采礦活動和自然地質條件變化的雙重作用下的巖石應力變化，進而使得礦區(qū)深部采空區(qū)上部區(qū)域及鄰近區(qū)域的巖礦石發(fā)生不均一的形變，甚至塌陷等，最終威脅著資源的安全開發(fā)活動，同時造成大量的礦石損耗等[1]。因此，提高礦區(qū)地表形變監(jiān)測效果不僅是有效防治礦山災害事故的主要途徑，也是提高資源利用效率的基礎。傳統(tǒng)的GPS、全站儀等監(jiān)測僅可獲得監(jiān)測點在某個時間點的沉降量，而無法獲得監(jiān)測區(qū)域整體的形變特征，這就限制了對監(jiān)測區(qū)域整體形變規(guī)律的研究，進而造成形變特征分析出現(xiàn)偏差的局面，所以選擇監(jiān)測方法是提高監(jiān)測質量的前提[2]。合成孔徑雷達差分干涉測量技術(D-InSAR)是在合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)上發(fā)展起來的新型監(jiān)測技術，該監(jiān)測方法充分利用了高精度DEM成果及干涉圖等基礎土建，能夠更精確地反映礦區(qū)地表微小的形變量，故常用于較精細及緩慢形變監(jiān)測領域中，如滑坡形變監(jiān)測[3-4]、凍土區(qū)公路地表形變監(jiān)測[5-6]、城市地表形變監(jiān)測[7-8]、鐵路地表形變監(jiān)測[9]、火山附近地表形變監(jiān)測[10]、地震監(jiān)測領域[11-13]以及礦區(qū)地表形變監(jiān)測等領域，在上述形變監(jiān)測中取得了良好的應用效果。鑒于此，本文以金銅礦山的多幅ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)為基礎，試圖采用D-InSAR技術分析該礦區(qū)地表形變規(guī)律，綜合研究礦區(qū)地表形變發(fā)展規(guī)律，為礦山資源的安全開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 D-InSAR的技術流程

礦區(qū)地表形變是人類采礦活動及地質條件變化的雙重作用下誘發(fā)引起的地殼淺表層高程變化以及位移的一種表現(xiàn)形式，D-InSAR技術就是利用了不同時段高分辨率影像數(shù)據(jù)中的微小形變特征而獲取地表形變信息的。因此，D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的應用就是利用不同時段獲得的ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)，通過影像數(shù)據(jù)的進一步解纏處理等，就可獲得該時段內礦區(qū)地表的微小形變特征。影像數(shù)據(jù)的處理方法有二軌法、三軌法和四軌法等幾種類型，其中后2種數(shù)據(jù)處理方法中引入了大氣誤差，容易造成監(jiān)測精度降低。二軌法是最為常見的和常用的數(shù)據(jù)處理方法，本文也采用二軌法進行處理跨越形變期不同時段的ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)，進而借助高精度DEM模型進行反演，將地形相位等剔除，就可獲得監(jiān)測區(qū)域內任何一點的形變量數(shù)據(jù)。綜上所述，本文采取的二軌法在數(shù)據(jù)處理方面的技術流程見圖1。

圖1 D-InSAR技術的二軌法數(shù)據(jù)處理流程

2 礦區(qū)基本概況

研究區(qū)為一金銅多金屬礦床，礦區(qū)面積為2.5 km2，礦區(qū)邊界為一不規(guī)則的多邊形。礦區(qū)地形高差變化較大，屬于高山峽谷地貌與丘陵山區(qū)地貌的結合部位，導致地形地貌較為復雜。礦床成因類型為矽卡巖型金銅多金屬礦床，礦山已有的開采方式為井下硐采，且局域北西區(qū)域礦體埋深較淺，南東區(qū)域礦體埋深較深。該礦山為一開采礦山，現(xiàn)狀已有6處采空區(qū)，采空區(qū)上方區(qū)域的地表已出現(xiàn)不同程度的地表沉降問題，甚至在某些采空區(qū)上方已出現(xiàn)細微的地裂縫。因此，為了了解該礦區(qū)地表形變規(guī)律以及指導資源開發(fā)，本文以ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)為基礎，通過D-InSAR技術研究礦區(qū)地表形變發(fā)展規(guī)律，為礦山安全生產提供參考依據(jù)。

3 D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的應用

3.1 配準影像數(shù)據(jù)及估算基線

前人的大量研究資料[3-9]顯示，二軌法的影像數(shù)據(jù)配準方法主要包括2種類型：一是以精密星歷數(shù)據(jù)以及相干系數(shù)配準影像數(shù)據(jù)；二是以地面控制點為基準點進行影像數(shù)據(jù)的配準。本次所使用的影像數(shù)據(jù)來源于COSMO-SkyMed高分辨率雷達衛(wèi)星，相對而言該衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)精度較低，故本次影像數(shù)據(jù)的配準方式選擇以精密星歷數(shù)據(jù)以及相干系數(shù)配準，可以通過該種配準方式有效地提高監(jiān)測精度。在使用第一種配準方式過程中一般采用DORIS軌道數(shù)據(jù)對相應的ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)進行基線的估算處理，在完成上述操作的基礎上對礦區(qū)內地形地貌相對較為平緩的區(qū)域以條紋率進行精估計[2]，就可獲得精度較高的配準后的影像數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)精配準后結合礦區(qū)高精度的DEM數(shù)據(jù)對影像數(shù)據(jù)進行相位模型處理，將影像數(shù)據(jù)中包含的地形信息、形變信息等轉換為相位信息，為后期進一步展開影像數(shù)據(jù)的相位差分干涉處理以及去地形相位解纏等處理做準備。

3.2 差分處理及相位濾波

在完成ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)配準和基線估算后形成了包含地形信息和形變信息的相位信息，即相位干涉圖，此時的相位干涉圖中包含了地形信息和形變信息。因此，需要將相位干涉圖中的地形信息剔除，就可獲得去地形干涉相位，該過程就是干涉影像數(shù)據(jù)的差分處理[13]。去地形干涉相位中不僅包含了大量的微小形變信息，而且包含了其他的噪聲信息，如噪聲相位、非線性相位等，此時需要進行噪聲相位和非線性相位的剔除處理，即差分干涉相位的濾波處理。

3.3 相位解纏及地理編碼

完成差分干涉相位濾波處理后可進行相位的解纏過程，該過程也是獲取礦區(qū)地表形變信息的基礎。本文相位的解纏采用最小費用流法，該方法能夠降低影像數(shù)據(jù)中微小形變模糊的問題[5]，進而獲得與線性變化地形相互一一對應的相位數(shù)據(jù)，在GAMMA軟件中數(shù)據(jù)配準換算關系等解算出不同解纏點的形變量信息[12]。采集形變信息的數(shù)據(jù)并編輯地理編碼等信息，并將其統(tǒng)一至同一坐標系統(tǒng)下，進而通過圖件整飾處理等就可獲得礦區(qū)地表形變圖等成果性圖件，能夠將礦區(qū)地表形變直觀地表達出來(見圖2)。

圖2 研究區(qū)地表沉降形變分布

4 礦區(qū)地表沉降形變分析

4.1 沉降形變監(jiān)測結果分析

在完成相位解纏后就可在MAPGIS軟件等中采集并編輯形變信息以及地理編碼等，再通過圖件整飾就可生成礦區(qū)地表形變分布圖(見圖2)，圖件中包含了礦山中的形變區(qū)域、分布位置、形變范圍、沉降量等信息。由圖2可知：研究區(qū)地表沉降范圍共識別出6個區(qū)域，地表形變范圍與深部采空區(qū)具有良好的空間吻合關系；同時，礦區(qū)地表形變面積以及沉降量大小與深部資源的開發(fā)利用關系密切，其中采空區(qū)形成時間長且面積較大，地表形變面積較大且沉降量較大，如圖2南東側和北西側的采空區(qū)所對應的地表形變區(qū)，即在垂向上地表形變分布區(qū)域深部采空區(qū)具有良好的對應關系；地表形變分布區(qū)的空間展布形態(tài)與深部采空區(qū)的展布方向和形態(tài)基本一致，形變分布區(qū)的長軸方向與采空區(qū)的長軸方向一致。由礦山沉降量形變圖可知：礦區(qū)內地表形變可劃分為3個等級(-25～0 mm、-50～-25 mm和-100～-50 mm)，其中礦區(qū)地表最大沉降量位于礦區(qū)南東側的采空區(qū)上部，即礦區(qū)主礦體采空區(qū)上部，最大沉降量可達92.5 mm；礦區(qū)內最小沉降形變區(qū)分布在礦區(qū)南西側，其沉降量一般小于25 mm；礦區(qū)內總形變區(qū)域可達0.78 km2，其中形變量大于-50 mm的面積約為0.07 km2，形變量介于-50～-25 mm的面積為0.31 km2，形變量介于-25～0 mm的面積為0.40 km2。

為了解礦區(qū)地表形變在垂向走向的變化規(guī)律，在形變最發(fā)育的范圍內對垂直形變主體走向進行了剖面研究(見圖3)。由圖3可知：研究區(qū)礦區(qū)地表形變在剖面上具有大致為“V”形變化的規(guī)律，其最大沉降量位于采空區(qū)中心部位靠近南東一側，與采空區(qū)的分布范圍基本吻合；同時，沉降量從采空區(qū)中心部位向兩側具有大致對稱分布的特征，且形變量向遠離采空區(qū)范圍逐漸降低。

圖3 研究區(qū)A-B剖面沉降特征

4.2 精度對比分析

為了對比分析D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的精度問題，本文利用礦區(qū)形變區(qū)內已有的控制點坐標信息等，使用傳統(tǒng)的全站儀測量方法對D-InSAR技術的精度進行驗證。本文累計收集了10個控制點的坐標信息，通過開采前后的三維坐標對比，獲得了控制點的形變量數(shù)據(jù)，進而與D-InSAR形成的沉降形變圖中的沉降量對比分析。本次為了獲得更加準確的D-InSAR沉降形變數(shù)據(jù)，將控制點周邊的約30個高相干點數(shù)據(jù)進行加權平均，進而作為該控制點的D-InSAR方法的數(shù)據(jù)，最終的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。由表1可知：本文所獲取的D-InSAR加權平均形變量數(shù)據(jù)與全站儀測量所獲形變量的變化趨勢是一致的，二者的誤差百分比均小于5%，說明本文所獲礦區(qū)地表形變量是可靠的，其精度能夠滿足礦山形變監(jiān)測應用。因此，可以將合成孔徑雷達差分干涉測量技術(D-InSAR)應用至礦區(qū)地表形變監(jiān)測應用中，其監(jiān)測效果良好。

表1 D-InSAR技術監(jiān)測結果與全站儀監(jiān)測結果對比

5 結 論

①D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中具有良好的應用優(yōu)勢，該技術方法能夠獲取礦區(qū)微小的形變信息，對全面了解礦區(qū)地表形變特征以及綜合研究形變規(guī)律，進而預測形變發(fā)展趨勢等意義重大。

②研究區(qū)地表形變范圍與礦區(qū)深部采空區(qū)具有良好的空間吻合關系，形變長軸與礦區(qū)采空區(qū)的長軸方向基本一致，沉降量從采空區(qū)中心向兩側呈大致對稱狀分布，且向遠離采空區(qū)中心向兩側形變量逐漸減小，總體上具有“V”形的變化特征。

③礦區(qū)地表最大沉降量可達92.5 mm，最小沉降形變區(qū)分布在礦區(qū)南西側，其沉降量一般小于25 mm；礦區(qū)內總形變區(qū)域可達0.78 km2，其中形變量大于-50 mm的面積約為0.07 km2，形變量介于-50～-25 mm的面積為0.31 km2，形變量介于-25～0 mm的面積為0.40 km2。