基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測技術(shù)分析

吳事文

（江西都昌金鼎鎢鉬礦業(yè)有限公司，江西 九江 332600）

伴隨科學(xué)技術(shù)的進步發(fā)展，露天礦區(qū)開采沉陷和變形監(jiān)測手段也得到了快速的發(fā)展。作為一種十分重要的空間測量技術(shù)形式——SAR，在近幾年得到了快速的發(fā)展。合成孔徑雷達干涉發(fā)展進入到全新的階段，在具體實施的時候可以利用合成孔徑雷達差分干涉測量的連續(xù)性、自動化、精準化來監(jiān)測地表形變，探測煤礦區(qū)域地表細微的變化，進而提升露天礦井沉陷監(jiān)測的精準性。

1 D-InSAR沉陷監(jiān)測的基本原理

D-InSAR沉陷監(jiān)測是InSAR技術(shù)的一種拓展，測量法出發(fā)點是相干成像。差分干涉測量是指利用統(tǒng)一區(qū)域范圍內(nèi)兩個干涉圖像通過差分處理來獲取地表形變的測量技術(shù)。其中，一幅是形變之前獲取的干涉圖像，另外一幅是形變之后獲取的干涉圖像。

干涉圖相位會涉及到地形信息和地表信息，為了能夠獲得更為精準的形變信息，需要去除地形信息的影響。三軌法就是利用形變之前獲取的第三幅SAR影像來實施干涉處理消除地形的影響的方法。和傳統(tǒng)GPS監(jiān)測技術(shù)相比，D-InSAR沉陷監(jiān)測的應(yīng)用優(yōu)勢具體表現(xiàn)在以下幾個方面：①全天候的監(jiān)測能力，覆蓋面積廣泛，數(shù)據(jù)獲取速度快，成本低廉。②不僅能夠提供傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，而且和傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比還顯示出不可比擬的精準性。③基于地面形變的敏感，D-InSAR沉陷監(jiān)測技術(shù)以其較強的探測能力和較高的分辨率能夠更好的監(jiān)測地面沉降。

2 D-InSAR在露天礦開采沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

對于區(qū)域監(jiān)測來說，使用差分全球定位系統(tǒng)技術(shù)動態(tài)監(jiān)測地表點 位移情況會逐漸喪失其優(yōu)勢作用。為了能夠更好的驗證D-InSAR沉陷監(jiān)測應(yīng)用優(yōu)勢，文章以典型的SAR圖像為例，對比分析D-InSAR沉陷監(jiān)測和常規(guī)水準測量、全球定位系統(tǒng)的測量結(jié)果，具體如表1所示。

表1 D-InSAR沉陷監(jiān)測和常規(guī)水準測量的比較表

3 基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測分析

3.1 應(yīng)用目標

基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測的具體應(yīng)用目標如下：①加強對礦區(qū)地表沉降演變過程的分析。借助長期積累起來的SAR數(shù)據(jù)、反演因煤炭開采引起的礦區(qū)大范圍地表沉降演變歷史信息來預(yù)測未來多年礦區(qū)地面沉陷的發(fā)展。②露天煤礦開采區(qū)地表沉陷動態(tài)監(jiān)測分析。將基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測數(shù)據(jù)和常規(guī)觀測結(jié)果結(jié)合在一起，研究基于D-InSAR的露天礦開采地表沉陷動態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)。③露天礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)的更新。借助更新的技術(shù)形式來實現(xiàn)對礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)的快速更新，為數(shù)字礦山的建設(shè)提供重要的數(shù)據(jù)保障支持。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

星載合成孔徑雷達多采用重復(fù)軌道干涉測量的方式，選擇ERS兩顆衛(wèi)星的串行模式來觀測同一個地區(qū)的測量時間間隔僅僅為一天。雷達干涉數(shù)據(jù)信息可以通過訂購或者查詢的方式來獲取。在露天礦產(chǎn)開采沉陷監(jiān)測工作的深入發(fā)展下， 航空局提供了多個類型的SAR圖像訂購查詢軟件。所研究出來的數(shù)據(jù)分析軟件都具備在現(xiàn)場查詢的功能，數(shù)據(jù)查詢時能夠充分利用全覆蓋的影像資料。

考慮到露天煤礦區(qū)域地表沉陷速度比較快，沉降監(jiān)測的影響范圍比較小，為此，在監(jiān)測的時候會選擇多時的D-InSAR沉陷監(jiān)測方法。在選擇數(shù)據(jù)信息的時候要按照時間基線、空間基線、數(shù)據(jù)獲取季節(jié)因素的影響來打造出多時相差分干涉相對組合。

3.3 數(shù)據(jù)處理

以重復(fù)軌道干涉測量的三軌法來作為基本研究對象，具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。在測試的時候可以選擇的雷達處理軟件比較多，在雷達影響處理的過程中需要進行斑點噪聲去除、濾波、去平地效應(yīng)工作。在遵循指定干涉流程的情況下會得到差分干涉結(jié)果，在這個過程中還能夠進一步獲取基于時間序列的礦區(qū)開采沉降形變圖形，以此作為依據(jù)能夠提取出礦區(qū)地表沉陷沿雷達視線方向的形變量。

圖1 基于重復(fù)軌道干涉測量的三軌法的SAR數(shù)據(jù)差分干涉處理流程

3.4 試驗分析

文章實驗為了對最終的差分干涉結(jié)果分析，僅僅對試驗過程中的干涉以及結(jié)果比較明顯的地表形變地區(qū)進行截圖展示。發(fā)現(xiàn)整個地區(qū)生產(chǎn)土焦煤，露天煤炭資源的過度開采使得地面沉降嚴重。在對沉降變形圖仔細分析之后發(fā)現(xiàn)，差分干涉結(jié)果和整個礦區(qū)地表形變表現(xiàn)相符合，差分干涉圖很好地反映出了形變量的大小，最終通過一系列的分析發(fā)現(xiàn)整個礦區(qū)出現(xiàn)了不同程度的下沉，沉降量最大能夠達到3.4cm。最終驗證基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測是可行的。但是在具體實施的時候需要注重防范大氣效應(yīng)、參與基線誤差、DEM誤差對監(jiān)測精準度的影響。

4 基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)

露天礦區(qū)的地表條件復(fù)雜，伴隨地下開采的深入會出現(xiàn)不同的地面塌陷區(qū)域和積水區(qū)域，土地沙化、荒漠化問題也會不斷加重?；诼短烀旱V區(qū)的特點，基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測工作要中著重解決以下五個方面的技術(shù)應(yīng)用問題。

第一，源數(shù)據(jù)信息的獲取和選擇。雖然當前的衛(wèi)星能夠獲取不同類型的SAR數(shù)據(jù)信息，但是在實際操作中可以用在形成干涉測量的數(shù)據(jù)十分有限。想要獲取更高質(zhì)量的干涉紋圖并完成差分處理，需要采取積極的措施來解決源數(shù)據(jù)的相干性問題，具體包含時間相干性和空間相干性。監(jiān)測影像資料信息需要在空間層面上滿足臨界基線距的要求，避免出現(xiàn)失相干的現(xiàn)象。第二， 數(shù)據(jù)處理方式?；贒-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)是影響精準配準和相位的解纏。影響配準是保證輸出干涉條紋具備良好相干性的大前提，其配準精準度直接影響最終獲取的差分形變量質(zhì)量。為此，在開展礦產(chǎn)資源監(jiān)測的時候需要確保配準精度能夠達到子像元級精度。不僅如此，在開展礦井監(jiān)測工作的時候要選擇適合的解纏算法，由此來獲得更為精準的相位結(jié)果。第三，地面配合措施。為了能夠提升SAR圖像信號強度，增強SAR數(shù)據(jù)信息應(yīng)用的安全性、可靠性，需要在煤礦開采區(qū)域地表安裝多個角反射器或者電磁信號發(fā)射器，并選擇多個永久性散射體來作為影像精準匹配控制點，減少外界因素對露天礦井開采沉陷數(shù)值的干擾。第四，采取措施提升測量精準度和可靠度。雖然借助基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測技術(shù)能夠獲取厘米級甚至毫米級的觀測結(jié)果，但是在獲取結(jié)果之后仍然需要使用常規(guī)觀測結(jié)果來對數(shù)據(jù)信息的可靠性進行評價。第五，多源信息的集成分析。為了能夠研究煤礦區(qū)域地表變形發(fā)展趨勢、變形特點以及發(fā)展內(nèi)在機理，分析預(yù)測未來地表沉陷的范圍和強度，需要應(yīng)用先進的技術(shù)手段來對采礦區(qū)域地表沉陷的范圍和強度進行集成處理。

5 結(jié)語

綜上所述，伴隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對煤炭資源的開采應(yīng)用需求極大，煤炭資源面臨枯竭。為此，如何提升煤炭資源開采利用率成為相關(guān)人員需要思考和解決的問題。基于D-InSAR的露天礦開采沉陷監(jiān)測能夠?qū)Ω鱾€特殊煤礦區(qū)域地質(zhì)情況進行深入的分析，了解該地區(qū)煤礦開采優(yōu)劣勢和注意事項，從而及時規(guī)避和優(yōu)化開采措施，旨在能夠為數(shù)字礦山的建設(shè)發(fā)展提供重要數(shù)據(jù)保障支持。