基于Sentinel1A數(shù)據(jù)的InSAR湘澧鹽礦地表沉降監(jiān)測與分析

唐爭氣，李艷，郭躍鑫

摘 要 為了有效預(yù)防地面沉降帶來的地質(zhì)災(zāi)害，基于ENVI Sarscape平臺，通過對2020年湘澧鹽礦地區(qū)4-6月份的Sentinel-1A數(shù)據(jù)進行干涉測量處理，通過形變結(jié)果分析鹽礦地區(qū)各區(qū)域的沉降情況，結(jié)合土地利用類型、水文、地質(zhì)和交通等數(shù)據(jù)，總結(jié)各處沉降地區(qū)的特征和形成原因，并通過對各礦井沉降速率的獲取與分析，驗證了InSAR技術(shù)在礦區(qū)沉降監(jiān)測應(yīng)用上的可行性，為該研究區(qū)后期的監(jiān)測工作奠定了實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 地表沉降;干涉測量;礦區(qū); InSAR

中圖分類號：? P258 文獻標識碼：A

Surface Subsidence Monitoring and Analysis of the Xiang Li Salt Mine by InSAR Based on Sentinel-1A Data

Tang Zhengqi1， Li Yan2， Guo Yuexin1

（1.Hunan City University School of Municipal Engineering and Surveying & Mapping， Yiyang Hunan 413000; 2. Xiangtan University， College of Civil Engineering and Mechanics， Xiangtan Hunan 411100）

Abstract： In order to effectively prevent the ground subsidence of geological disaster， the Sentinel-1 data of Xiangli salt mine area from April to June in 2020 was processed by interference measurement based on the ENVI Sarscape platform. The settlement of regional salt mine area was analyzed through the deformation results. Combining with land use types， hydrological， geological and transportation data， the characteristics and forming reason of subsidence area throughout were summarized. By means of the acquisition and analysis of mine subsidence rate， the application feasibility of InSAR technology on mining subsidence monitoring was verified. It provides a practical foundation for the monitoring work in the later period of this research area.

Keywords： surface subsidence; interferometry; mining area; InSAR

鹽礦的開采可以推動社會經(jīng)濟的發(fā)展，改善人們的生活條件，但是也存在著安全隱患。我國現(xiàn)有鹽礦開采區(qū)大部分采用鉆井水溶法開采，通過鉆井注入溶劑，溶解礦層，生成富含開采礦物的鹵水，再將其從鉆井中抽出。該種方法開采深度大、范圍廣，容易發(fā)生地表沉降，導(dǎo)致礦區(qū)周圍建筑物變形、甚至被破壞[1]。為了保證基本設(shè)施的安全，定時對鹽礦進行地表形變監(jiān)測具有重要的意義[2]。

合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric synthetic aperture radar，InSAR）是一種新型主動式地表形變監(jiān)測技術(shù)，具有全天時、全天候、覆蓋面積廣、精度高等特點，被廣泛應(yīng)用于地表形變監(jiān)測領(lǐng)域，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?997年，國內(nèi)學(xué)者王超等人開始將InSAR技術(shù)應(yīng)用到地表形變領(lǐng)域[3]，之后，在InSAR技術(shù)基礎(chǔ)上，利用合成孔徑雷達差分干涉測量（Differential InSAR，D-InSAR）、時序InSAR（Multi-Temporal InSAR， MT-InSAR）等技術(shù)成為了新的研究熱點，在礦區(qū)地表形變應(yīng)用上獲得了豐碩的成果。

哨兵1號（Sentinel-1）是歐空局發(fā)射的雷達遙感衛(wèi)星，由Sentinel-1A和Sentinel-1B兩顆衛(wèi)星組成，攜帶C波段合成孔徑雷達，與太陽同步軌道，軌道高度693km，軌道傾角為98.18°，重訪周期為12天[4]。

本文采用兩景Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，監(jiān)測周期為四個月，利用InSAR技術(shù)監(jiān)測湘澧鹽礦地區(qū)地表沉降范圍和沉降量，為湘澧鹽礦地表形變分析與地質(zhì)災(zāi)害防治提供基本數(shù)據(jù)支持。

1? 基本原理

InSAR基于兩景覆蓋同一地區(qū)且雷達成像幾何具有微小差異的SAR影像的干涉信號，提取地表高程信息或分離地表形變[5]。兩景SAR影像的干涉相位?int可近似表示為：

?int≈?topo+?defo+?flat+?orbit+?atm+?noise（1）式中，?topo和?defo分別為地表地形起伏和地表變形引起的相位;?flat、?orbit、?atm和?noise分別為平地效應(yīng)、軌道誤差、大氣延遲及噪聲導(dǎo)致的相位。這四項可通過理論公式計算、模型擬合、濾波等方式削弱或消除[6]。至此，式（1）可簡化為

?int≈?topo+?defo? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）[5]

2? 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1? 項目概況

湘澧鹽化有限責任公司湘澧鹽礦位于澧縣北部，澧水下游，行政區(qū)劃隸屬澧縣鹽井鎮(zhèn)與復(fù)興廠鎮(zhèn)，礦山南面是澧縣城區(qū)，北面與湖北省接壤，礦山區(qū)域修有公路，交通便利。進行沉降監(jiān)測的區(qū)域為澧縣鹽井鎮(zhèn)張家場村、分水嶺村和復(fù)興廠鎮(zhèn)溫泉村、魏家村的湘澧鹽礦一、二老采區(qū)，面積約6km2;現(xiàn)有采區(qū)進行地表沉降監(jiān)測，面積約7km2;監(jiān)測區(qū)域共計約13km2，范圍為東經(jīng) 111°46′13″～111°50′17″，北緯 29°51′21″～29°54′22″。

2.2? InSAR數(shù)據(jù)處理流程

采用Sentinel 1數(shù)據(jù)，時間范圍是2020年7月18日到11月15日，對礦區(qū)及周邊滑坡區(qū)域進行沉降監(jiān)測，本次監(jiān)測極化方式為VV極化，數(shù)據(jù)處理流程大概包括以下步驟：

（1）生成干涉圖

輸入兩期SLC數(shù)據(jù)，配準完成后進行復(fù)圖像重采樣，生成兩景數(shù)據(jù)的干涉圖，以及主從影像的強度圖（如圖1）。

（2）自適應(yīng)濾波與相干性計算

高度不變的平地在干涉圖中會表現(xiàn)出來的干涉條紋，且隨距離向和方位向的變化呈周期性變化的現(xiàn)象，即平地效應(yīng)[6]。對上一步干涉圖進行濾波，去掉由平地干涉引起的位相噪聲，有利于相位解纏，這一步生成干涉的相干圖和濾波后的主影像強度圖。

（3）相位解纏

對去平和濾波后的位相進行相位解纏，對后續(xù)生成的DEM圖的精度有重要的意義。

（4）軌道精煉與重去平

軌道參數(shù)數(shù)據(jù)是外部數(shù)據(jù)，存在相位偏移，進行軌道參數(shù)的修正可以提高精度。

（5）生成DEM與地理編碼

地理編碼實際上就是把干涉圖雷達坐標系轉(zhuǎn)化為橢球坐標系下的直角坐標系統(tǒng)，這一步生成進行了地理編碼的形變成果文件。

2.3? 數(shù)據(jù)處理成果

（1）在對干涉像對完成干涉工作流之后，生成了兩對干涉結(jié)果，包括相干性圖_cc、差分干涉圖_dint、濾波之后的差分干涉圖_fint，差分干涉結(jié)果分別見圖2、圖3、圖4、圖5，地理編碼之后生成的形變結(jié)果分別見圖6、圖7、圖8、圖9;

（2）得到形變結(jié)果圖之后，對其進行彩色分級顯示，導(dǎo)入ArcGIS，將礦井分布圖與形變結(jié)果疊置，提取出沉降量較大的礦井，見圖10、圖11、圖12、圖13;

3? 總結(jié)

3.1? 實驗結(jié)果

2020年7月18日到8月11日，周期24天，礦區(qū)抬升區(qū)較多，沉降區(qū)主要分布在北東部，礦井沉降量大部分在6mm以下，統(tǒng)計見表1、表2。

2020年8月11日到9月4日，周期24天，沉降區(qū)主要分布在北西部，除A132礦井外，沉降速率大部分在4.5mm/月以下，統(tǒng)計見下表3、表4。

2020年9月4日至10月10日，周期24天，中部采區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一沉降區(qū)，沉降量在25mm以下。礦井沉降量均在13mm以下，統(tǒng)計見表5、表6。

2020年10月10日到11月15日，周期36天，礦區(qū)南西部出現(xiàn)抬升區(qū)，中部有一小面積沉降區(qū)，位于礦井A126東北方向，其余均處沉降趨勢，礦井沉降情況統(tǒng)計見表7、表8。

3.2? 沉降原因

（1）自然因素

據(jù)澧縣縣志及常德市等地震臺站資料，該區(qū)曾在1979年及2005年發(fā)生過地震，其中2005年地震地點為在澧縣甘溪，距離礦山西部35km。地殼活動對地表形變有所影響。

（2）人為因素

人為因素主要指礦產(chǎn)資源的開采。由形變結(jié)果圖可以看出，沉降速率較大的礦井大多分布于西南部兩個采空區(qū)，即一、二采區(qū)，此處舊礦井較多，在新舊開采區(qū)的疊加影響下，其沉降速率快速增長，根本原因是礦產(chǎn)資源的開采[7]。

4 結(jié)語

地面沉降是每個礦區(qū)都面臨的重大問題。本文利用 Sentine1-1A 數(shù)據(jù)，采用InSAR技術(shù)對湘澧鹽礦進行地表沉降監(jiān)測，獲取了湘澧鹽礦2020年7月份至11月份地表形變結(jié)果，通過對比結(jié)果表明，現(xiàn)有采區(qū)存在沉降速率較大的個別礦井，如7-8月份A125號礦井沉降量達13mm，9-10月份B123號礦井沉降量達9mm，說明礦區(qū)存在開采強度不均的問題;除此之外，位于研究區(qū)中部的采空區(qū)在7月份至11月份之間多呈現(xiàn)沉降趨勢，存在安全隱患。

結(jié)合實驗結(jié)果，可以看出InSAR 技術(shù)在地表沉降監(jiān)測應(yīng)用上的諸多優(yōu)勢，如全天時、全天候監(jiān)測，監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)獲取簡便等特點，形變結(jié)果直觀易判讀，且可以通過連續(xù)時間段的監(jiān)測成果了解區(qū)域形變規(guī)律，為后續(xù)時段的預(yù)警、預(yù)測等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

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[2] 楊帆，許志涵，張子文.基于D-InSAR的唐山礦區(qū)地表形變監(jiān)測研究[J].測繪與空間地理信息，2019，42（11）：8-11.

[3] 王超，楊清友.干涉雷達在地學(xué)研究中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，1997，（4）：37-46.

[4] 趙佳曼.InSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用[D].南京：南京大學(xué)，2019.

[5] 朱建軍，楊澤發(fā)，李志偉.InSAR礦區(qū)地表三維形變監(jiān)測與預(yù)計研究進展[J].測繪學(xué)報，2019，48（2）：135-144.

[6] 趙強.基于InSAR時序分析的吉林省地表形變監(jiān)測研究[D].長春：吉林大學(xué)， 2019.

[7] 邱敏.龍歸硝酸鹽礦地面沉降與成災(zāi)條件分析[J].地下水，2014，36（6）：209， 235.