雙軌D-InSAR 技術(shù)檢測礦區(qū)地面沉降的應(yīng)用

楊乾坤

（寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001）

地質(zhì)災(zāi)害中存在一種變化較慢且占地寬廣的災(zāi)害，即為地面沉降。在地面沉降中，可以采用雙軌D-InSAR 技術(shù)對地面沉降進(jìn)行檢測[1]。雙軌D-InSAR 技術(shù)發(fā)展至今，理論與數(shù)據(jù)處理技術(shù)已經(jīng)相對成熟。雙軌D-InSAR 技術(shù)可準(zhǔn)確檢測出地面沉降情況，減少資源浪費(fèi)，對采礦事業(yè)的發(fā)展有著重要意義。

1 礦山開采區(qū)地面沉降采用雙軌D-InSAR技術(shù)實(shí)測驗(yàn)證

礦山開采區(qū)地面出現(xiàn)的沉降現(xiàn)象與普通的地表形變有較大差異，礦區(qū)地面沉降具有時(shí)域非線性、沉降梯度大的特點(diǎn)。因此，需要選擇適合礦區(qū)地面沉降監(jiān)測技術(shù)。本文將對雙軌D-InSAR 技術(shù)在礦區(qū)地表沉降檢測中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

在礦區(qū)地表變化信息與三維信息的獲取上，采用雙軌D-InSAR 技術(shù)，以合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源[2]。雙軌D-InSAR 干涉圖由于兩副天線與地面某一目標(biāo)之間的距離不等而形成，根據(jù)兩次成像的相位差與地面目標(biāo)的三維空間位置之間存在的幾何關(guān)系。在探測礦區(qū)地表形變時(shí)，干涉圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值[3]，可測定地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)，從而提供大范圍的高精度數(shù)字高程模型。雙軌D-InSAR 的處理過程就是通過外部數(shù)字高程模型或其它干涉影像對獲取的相位進(jìn)行差分處理，以便去除無用相位信息而獲取形變相位的一個(gè)過程。下圖為地表沉降信息提取流程。

2 基于雙軌D-InSAR技術(shù)的礦區(qū)地面沉降檢測方法

2.1 利用雙軌D-InSAR 技術(shù)精確定位地面控制點(diǎn)

礦區(qū)地形出現(xiàn)起伏情況下，不同高程點(diǎn)處干涉條紋顯現(xiàn)出的顏色有所差異，以像元值為依據(jù)將礦區(qū)地面變形情況進(jìn)行等級劃分，能夠清晰看出礦區(qū)地面的沉降情況，所以得出結(jié)論為礦區(qū)地面沉降高程位置的干涉環(huán)的顏色會發(fā)生變化。地面控制點(diǎn)作為零形變點(diǎn)進(jìn)行反向推算出沉陷區(qū)的形變量，控制點(diǎn)的選取為影像處理非常關(guān)鍵的一個(gè)步驟，控制點(diǎn)選取的質(zhì)量直接影響到地表形變反演的精度，因此在選取過程中，應(yīng)該避免控制點(diǎn)位于形變相位上。

2.2 模擬礦區(qū)地面沉降差分干涉相位

地面差分干涉相位值與雙軌D-InSAR 最大沉降量相同，相位模擬即對某個(gè)波段不同點(diǎn)號最大沉降量進(jìn)行求導(dǎo)，將數(shù)據(jù)匯總得到差分干涉相位圖與相應(yīng)數(shù)據(jù)。不同類型雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)對地面沉降監(jiān)測的能力因雙軌D-InSAR 檢測的最大沉降量而決定，考慮礦區(qū)實(shí)際沉降、入射角、波長，以及地面分辨率等因素，對礦區(qū)地面沉降的差分干涉相位進(jìn)行模擬。

由于L和C波段SAR 干涉數(shù)據(jù)的波長、入射角和地面分辨率不同，因此相位入侵角度會發(fā)生一定的改變，對于同一礦區(qū)地面沉降而言，其在差分干涉圖距離向上，會均勻分布相應(yīng)的相位元數(shù)以及相位方向，當(dāng)轉(zhuǎn)換對應(yīng)的視線方向上，便可識別出最大沉降量相位以及不同數(shù)據(jù)下沉降相位。

圖1 礦區(qū)地表沉降信息提取流程

圖2 兩種方法沉降量對比圖

2.3 分析地面沉降量數(shù)據(jù)

在礦區(qū)地面沉降檢測過程中，模擬數(shù)據(jù)的變化是監(jiān)測的重點(diǎn)。根據(jù)最大沉降量相位以及不同數(shù)據(jù)下沉降相位，對地面沉降量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)的波段點(diǎn)號雷達(dá)入射角度為45°、雷達(dá)入射波波長為130mm；規(guī)定的下沉盆地主要影響半徑為1530m，SAR 傳感器的地面分辨率為60%。查閱多方資料得到十個(gè)點(diǎn)號的十組數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)矯正后，匯總得出它們的最大沉降量。令最大沉降量與礦區(qū)地面沉降參量作對比，得出沉降相位值如表1 所示。

表1 最大沉降量與礦區(qū)地面沉降參量分析表

通過以上方法步驟，完成了基于雙軌D-InSAR 技術(shù)對礦區(qū)地面沉降量的檢測。

3 對比實(shí)驗(yàn)

為研究基于雙軌D-InSAR 技術(shù)的礦區(qū)地面沉降檢測方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)選取地面沉降情況較嚴(yán)峻的某地作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，礦區(qū)地屬盆地，地勢東北略高、西南稍低。實(shí)驗(yàn)環(huán)境基本數(shù)據(jù)為：礦井范圍南北長3km～3.9km，東西寬3.5km～5.5km；地理坐標(biāo)120°31'～120°35'E，37°31'～339°35'N。然后采用本文方法與傳統(tǒng)方法分別對礦區(qū)地面沉降量與時(shí)間進(jìn)行趨勢匯總，在同樣時(shí)間內(nèi)，兩種方法下沉降量與實(shí)際沉降量的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 中，a 圖顯示的是傳統(tǒng)方法下礦區(qū)地面沉降量變化情況，b 圖為基于雙軌D-InSAR 技術(shù)的礦區(qū)地面沉降檢測方法沉降量變化圖。根據(jù)圖中變化趨勢圖能夠發(fā)現(xiàn)：在相同的60s 時(shí)間內(nèi)，a 圖沉降量總體呈上升趨勢，b 圖雖然也為上升趨勢，但其上升坡度較小，相對圖a 在每秒鐘內(nèi)沉降量上升較慢；在60s 時(shí)，a 圖沉降量為289mm，b 圖沉降量為196mm，在同樣的上升趨勢下，b 圖沉降量較a 圖小了93mm。a 圖中沉降量變化更貼近實(shí)際沉降量，b 圖中沉降量與實(shí)際沉降量偏差較大。得出基于雙軌D-InSAR 技術(shù)的礦區(qū)地面沉降檢測方法檢測出的沉降量更貼近實(shí)際沉降量，使檢測結(jié)果更精確。

4 結(jié)語

通過最大沉降量監(jiān)測、相位模擬和礦區(qū)地面沉降數(shù)據(jù)分析，明確了L 波段與C 波段雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)礦區(qū)地面沉降的監(jiān)測能力。再由基于雙軌D-InSAR 技術(shù)的礦區(qū)地面沉降檢測方法與傳統(tǒng)方法作對比，得出基于雙軌D-InSAR 技術(shù)的礦區(qū)地面沉降檢測方法可以獲取更接近實(shí)際沉降量的值，應(yīng)用雙軌D-InSAR 技術(shù)能夠得到更加精確的礦區(qū)地面沉降檢測結(jié)果。