基于SBAS-INSAR的德興礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)與分析

周子琪 周世健 歐陽雙艷

(1. 東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013； 2. 南昌航空大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 南昌 330063)

0 引言

改革開放至今,我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí),對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量也逐漸增大。各類礦產(chǎn)資源的大力開發(fā)對(duì)工業(yè)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)有著良好的促進(jìn)作用[1],但開采過程可能會(huì)對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來較大影響,甚至產(chǎn)生一系列地質(zhì)災(zāi)害問題,最易產(chǎn)生塌陷、地表沉降等現(xiàn)象,更為嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致地下水資源污染、巖體變形誘發(fā)崩塌、滑坡以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)和周圍居民的人身財(cái)產(chǎn)安全[2]。因此,為了保障礦區(qū)的可持續(xù)開采以及周邊居民的正常生活,除了選擇合理的開采方式以及減少礦區(qū)的開采量外,對(duì)礦區(qū)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)分析也顯得尤為重要。如今,通過技術(shù)手段獲取地面沉降信息及其分布特征可以及時(shí)有效采取對(duì)應(yīng)措施,在一定程度上可以降低發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)并開展防治工作[3-5]。

在近幾十年大面積的沉降監(jiān)測(cè)研究當(dāng)中,沉降監(jiān)測(cè)的方法也發(fā)生了變化,用于地表觀測(cè)的方式、手段也趨于多樣化,以往傳統(tǒng)觀測(cè)的方法包含:精密水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量、靜態(tài)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)測(cè)量和動(dòng)態(tài)GNSS監(jiān)測(cè)等[6],這類傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式雖有較高的測(cè)量精度和可靠性,但對(duì)于大面積、需要長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的區(qū)域而言,這些散點(diǎn)式的監(jiān)測(cè)方式不能很好地滿足實(shí)際的工程應(yīng)用需要。為了滿足大面積的沉降監(jiān)測(cè)需要,近年來,合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Rader,InSAR)的快速發(fā)展彌補(bǔ)了傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)對(duì)于大面積監(jiān)測(cè)的不足。InSAR作為新興遙感技術(shù),其中合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(Diffe-rential Interferometric Synthetic Aperture Rader,D-InSAR)技術(shù)具有連續(xù)覆蓋地表、高精度、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)[7-8],已成為獲取表面變形信息的有效手段,其精度可以達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)別[9-11]。1989年,Gabrie等首次應(yīng)用D-InSAR技術(shù)獲取了加州ImperialValley灌溉區(qū)的影像數(shù)據(jù),首次說明D-InSAR技術(shù)可以探測(cè)厘米級(jí)的形變信息[12]。但由于D-InSAR技術(shù)易受時(shí)空失相干性以及大氣延遲效應(yīng)的影響,應(yīng)用的領(lǐng)域受限[13-15]。為了對(duì)D-InSAR技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,2002年BERARDINO等提出了小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR),該技術(shù)能夠針對(duì)時(shí)間跨度長(zhǎng)、規(guī)模大的區(qū)域進(jìn)行分析[16]。2011年江利明獲取了烏達(dá)的34景影像,其研究結(jié)果顯示，利用SBAS-InSAR技術(shù)處理出來的結(jié)果與GPS(Global Positioning System)結(jié)果一致[17],證明廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)-InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用的可靠性以及與其他技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的一致性[17-18]。本文利用SBAS-InSAR技術(shù),對(duì)德興礦區(qū) 2018年12月28日 至 2019年 12月24日 期間的30景SAR影像進(jìn)行處理,得到該區(qū)域的沉降速率和沉降分布,對(duì)沉降嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行分析,此研究結(jié)果可以為該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的防治問題提供一定幫助。

1 研究區(qū)域概況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

德興礦區(qū)位于江西省上饒市德興境內(nèi),距德興市22 km,其礦區(qū)位置位于117°43′40″E,29°01′26″N處。此次實(shí)驗(yàn)研究區(qū)的地勢(shì)呈東南部偏高、西北部偏低,德興礦區(qū)地理位置屬于江南丘陵地區(qū),其整體地貌起伏較大,海拔高度約為65～500 m,礦區(qū)內(nèi)地面切割較為強(qiáng)烈,山坡較陡,坡度在30°左右。德興礦區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源種類豐富,存礦量較大,其中大型和特大型銅金礦高度集中,產(chǎn)業(yè)特色明顯,該礦區(qū)是我國(guó)的礦業(yè)經(jīng)濟(jì)中最為發(fā)達(dá)與發(fā)展?jié)摿ψ顬樾酆竦牡貐^(qū)之一,同時(shí)也是國(guó)家級(jí)重要有色貴金屬能源基地之一。德興礦區(qū)周圍分布有祝家社區(qū)、富家塢社區(qū)、詹家塢社區(qū)以及梨園社區(qū),礦區(qū)的開采在一定程度上間接影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境。同時(shí),德興礦區(qū)在長(zhǎng)期的挖掘開采過程中,積累了一定程度的礦區(qū)地質(zhì)問題,這些問題會(huì)給礦區(qū)從業(yè)者和周圍村民帶來潛在的安全隱患。

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取覆蓋德興市礦區(qū)的30景升軌Sentinel-1A數(shù)據(jù),Sentinel-1A數(shù)據(jù),其時(shí)間跨度為2018年12月29日至2019年12月24日,影像時(shí)間間隔為12 d。本實(shí)驗(yàn)使用的Sentinel-1A數(shù)據(jù)均為C波段,波長(zhǎng)為5.66 cm,入射角大約為39.3°。采用由美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的30 m分辨率航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)1數(shù)據(jù)作為外部參考數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)以消除地形誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。Sentinel-1A數(shù)據(jù)參數(shù)見表1。

表1 Sentinel-1A數(shù)據(jù)參數(shù)

2 SBAS-InSAR基本原理

SBAS-InSAR是以傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)為基礎(chǔ)再進(jìn)行研究,用來獲取工作區(qū)地表形變的時(shí)間序列圖。該技術(shù)選取N+1幅SAR影像,通過設(shè)置合適的時(shí)間基線和空間基線生成N個(gè)小基線集差分干涉對(duì),去除地形相位后生成差分干涉圖并且進(jìn)行相位解纏,將常規(guī)D-InSAR監(jiān)測(cè)的觀測(cè)結(jié)果用作單個(gè)觀測(cè)值,采用奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的方法將每一組小基線數(shù)據(jù)集連接起來,解決時(shí)間上采樣過于稀疏的問題,又結(jié)合穩(wěn)定散射體的干涉相位信息,得到更高的空間分辨率,然后根據(jù)最小二乘法求出高精度的變形時(shí)間序列。

本文實(shí)驗(yàn)假定在感興趣區(qū)域的有序時(shí)間(t1,t2,…tN)內(nèi),采集研究區(qū)內(nèi)同軌道上的一組N+1景SAR圖像,根據(jù)干涉條件,將輔影像配準(zhǔn)到主影像上,在配準(zhǔn)完成后根據(jù)連接圖生成的干涉圖進(jìn)行復(fù)相位運(yùn)算。通過設(shè)置合理的時(shí)間和空間基線生成M個(gè)差分干涉圖。其中M需要滿足以下條件[19]

(1)

在干涉步驟中,在tA和tB時(shí)刻(tA>tB)獲取的兩幅SAR影像作為主輔影像生成的第j幅差分干涉圖,第j幅差分干涉圖中任何像元的干涉相位可寫成

(2)

式中,λ為雷達(dá)波長(zhǎng);d(tA,x,r)和d(tB,x,r)是在tA和tB時(shí)刻相對(duì)于參考時(shí)間t0的雷達(dá)視線方向的累積形變;Δφjtop是由所參考的DEM不精確而引起的地形相位誤差;Δφjatm為大氣延遲相位誤差;Δφnoise是噪聲影響的相位誤差。

為去除地形相位誤差、大氣延遲誤差以及噪聲相位誤差,通過簡(jiǎn)化式(2),干涉相位可以表示為

(3)

為了獲得含有物理意義的沉降序列,將式(3)中相位與時(shí)間之比來表示獲取影像時(shí)間中的平均相位速度

(4)

其中,第j幅干涉圖的相位值可以表示為

(5)

用SBAS-InSAR算法計(jì)算時(shí)間序列的變形可表示為

AV=δφ

(6)

其中,AV為M×N矩陣;δφ是代表干涉相位值的向量。最后使用SVD方法用于獲得最終形變速率。

SBAS-InSAR技術(shù)處理流程圖如圖1所示。

圖1 SBAS-InSAR技術(shù)處理流程圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)使用GAMMA軟件進(jìn)行SBAS-InSAR處理。GAMMA軟件可以完整地處理雷達(dá)信號(hào),其中的功能模塊包括:從合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)原始信號(hào)處理到單視復(fù)數(shù)(Single Look Complex,SLC)成像、單視以及多視處理、基于雷達(dá)信號(hào)濾波、正射糾正和配準(zhǔn)、DEM提取(干涉)、形變分析(差分干涉、點(diǎn)目標(biāo)干涉分析)、土地利用等,同時(shí)也可以處理各種星載、機(jī)載及地基雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

3.2.1影像裁剪

影像覆蓋范圍廣,數(shù)據(jù)量大,為了提高數(shù)據(jù)的處理效率和監(jiān)測(cè)精度,根據(jù)研究區(qū)域的經(jīng)緯度,裁剪出研究區(qū)域的影像數(shù)據(jù)。

3.2.2差分干涉對(duì)組合

實(shí)驗(yàn)選取2019年6月15日的SAR影像作為公共主影像,將輔影像配準(zhǔn)到主影像上,使配準(zhǔn)精度達(dá)到0.001像元。將多視系數(shù)設(shè)置為4∶1,對(duì)干涉對(duì)進(jìn)行多視處理。本實(shí)驗(yàn)的時(shí)間基線和空間基線閾值分別為60 d和200 m,最終構(gòu)成112對(duì)干涉對(duì)用于時(shí)序分析。圖2為干涉對(duì)時(shí)空基線分布圖。

圖2 干涉對(duì)時(shí)空基線分布

3.2.3干涉圖的生成及相位解纏

根據(jù)干涉對(duì)時(shí)空基線分布圖對(duì)影像進(jìn)行干涉處理,利用外部DEM數(shù)據(jù)去除地形相位的影響,生成差分干涉圖,對(duì)差分干涉圖進(jìn)行濾波增強(qiáng)處理,采用最小費(fèi)用流的方法進(jìn)行相位解纏,得到研究區(qū)域相位的真實(shí)值。通過查看每組生成的相干系數(shù)圖、濾波后的干涉圖和解纏圖,移除干涉質(zhì)量較差的干涉對(duì)。

3.2.4研究區(qū)平均沉降速率的獲取

在具有高相干性的像素點(diǎn)上建立模型,通過 SVD 法反演估算形變速率,并去除殘余地形,計(jì)算相位殘差,進(jìn)行殘差分離,最終得到研究區(qū)域內(nèi)的地表沉降速率以及地表沉降分布情況。

4 地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

采用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)30景升軌Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其結(jié)果表明,在該研究區(qū)域內(nèi)有三處明顯沉降,分布在研究區(qū)西南部、東南部以及北部。

圖3為研究區(qū)域圖,如圖所示,將這三個(gè)沉降區(qū)域分別命名為A、B、C。

圖3 研究區(qū)域圖

圖4為A區(qū)域沉降速率圖,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:研究區(qū)域西南面的A區(qū)域沉降最為嚴(yán)重,最大年平均沉降速率為-490 mm/a。經(jīng)核查該區(qū)域采礦活動(dòng)頻繁,地表有多處塌陷且出現(xiàn)積水。為了進(jìn)一步研究監(jiān)測(cè)期間礦區(qū)的累積沉降量,在沉降嚴(yán)重的A區(qū)域選取三個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析,分別為點(diǎn)A#1、A#2和A#3,對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間序列分析得到時(shí)間序列形變圖,通過結(jié)果可知,在2018年12月29日～2019年12月24日內(nèi),隨著時(shí)間的推移,該區(qū)域形變呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢(shì)。從圖5可知,位于該區(qū)域沉降中心的采樣點(diǎn)A#3,該點(diǎn)的最大累積沉降量高達(dá)440 mm,該點(diǎn)存在連續(xù)下沉的趨勢(shì),且沉降速率較快。A#1和A#2兩點(diǎn)選取在沉降區(qū)邊緣,A#1和A#2兩個(gè)特征點(diǎn)的沉降量分別為-184 mm、-131 mm。沉降區(qū)中心特征點(diǎn)的累積沉降量明顯高于沉降區(qū)邊緣,該區(qū)域沉降形成明顯的漏斗狀。沉降區(qū)域主要集中在祝家社區(qū)一帶,該區(qū)域的沉降會(huì)對(duì)村民的生活造成影響,相關(guān)部門應(yīng)引起高度重視。

圖4 A區(qū)域沉降速率圖

圖5 A區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)間序列形變圖

沉降區(qū)域B位于研究區(qū)東南處,從圖6可知其最大年平均沉降速率可達(dá)-390 mm/a,在B區(qū)域選取三個(gè)特征點(diǎn)B#1、B#2和B#3,對(duì)其進(jìn)行時(shí)間序列分析得到特征點(diǎn)時(shí)間序列形變圖,從圖7可以看到沉降中心特征點(diǎn)B#3的最大累積沉降量達(dá)到358 mm,在整個(gè)研究的時(shí)間跨度之內(nèi)一直處于持續(xù)下沉的狀態(tài),并且未來還有進(jìn)一步下沉的趨勢(shì)。B#1和B#2的累積沉降量分別為-120和-118 mm。沉降中心的沉降速率向沉降邊緣逐漸降低,特征點(diǎn)的累積形變量從沉降中心往沉降邊緣逐漸減少。

圖6 B區(qū)域沉降速率圖

圖7 B區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)間序列形變圖

沉降區(qū)域C位于研究區(qū)北處,從圖8可知,其最大年平均沉降速率可達(dá)233 mm/a,在C區(qū)域選取兩個(gè)特征點(diǎn)C#1、C#2和C#3,對(duì)其進(jìn)行時(shí)間序列分析得到時(shí)間序列形變圖(圖9),從圖9可以看出,特征點(diǎn)C#1沉降量最大,其累積沉降

圖8 C區(qū)域沉降速率圖

圖9 C區(qū)域特征點(diǎn)時(shí)間序列形變圖

量達(dá)到-148 mm。由于該區(qū)域靠近水體,該地的沉降不僅因?yàn)轭l繁的采礦活動(dòng),也和水體周圍的地質(zhì)有著密不可分的關(guān)系。

5 結(jié)束語

本文采用2018—2019年間30景C波段Sentinel-1A升軌雷達(dá)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)合SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)江西德興礦區(qū)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)分析,反演出研究區(qū)域真實(shí)地表形變,進(jìn)一步分析該區(qū)域沉降速率及嚴(yán)重區(qū)域特征點(diǎn)的累積形變量,得出以下結(jié)論:

(1)在2018年12月29日～ 2019年 12月24日研究期間內(nèi),研究區(qū)域有多處沉降,分布在研究區(qū)西南部、東南部、北部。西北部未見明顯沉降。

(2)研究區(qū)中最為嚴(yán)重的沉降區(qū)域集中在礦區(qū)西南部,年平均沉降速率最大達(dá)到490 mm/a,在沉降最嚴(yán)重的區(qū)域中心選取特征點(diǎn)進(jìn)行分析,該點(diǎn)的累積沉降量最大可達(dá)440 mm,該特征點(diǎn)未來還有進(jìn)一步下沉的趨勢(shì)。

(3)祝家社區(qū)位于研究區(qū)德興銅礦內(nèi),礦區(qū)的過度開采嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)卮迕竦纳?導(dǎo)致該區(qū)域地面塌陷、農(nóng)田減少、地下水資源污染,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。今后需把該區(qū)域作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),其應(yīng)有效合理制定開采計(jì)劃,防止礦區(qū)沉降問題失控、周圍居民生活得不到保障等情況出現(xiàn)。

綜上所述,通過SBAS-InSAR技術(shù)可以對(duì)礦區(qū)開采過程中產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),可以快速、精準(zhǔn)地捕捉興趣區(qū)內(nèi)沉降區(qū)域的具體位置和大致范圍,結(jié)果可知其沉降范圍與礦區(qū)的開采過程大致相同。對(duì)沉降結(jié)果分析有助于防治此類災(zāi)害的發(fā)生,若持續(xù)開采可能會(huì)造成各類地質(zhì)災(zāi)害問題。在礦山持續(xù)開采的過程中,針對(duì)地表沉降嚴(yán)重而易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等相關(guān)問題,對(duì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)就顯得尤為重要,如何對(duì)沉降的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行有效精準(zhǔn)預(yù)測(cè)則是下一步研究的重點(diǎn)。