基于D-I nSAR技術(shù)進行煤礦開采與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的系統(tǒng)建設(shè)方案

王潤峰,趙英志

(1.河北省第二測繪院,河北石家莊 050031;2.河北省測繪局 ,河北石家莊 050030; 3.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點實驗室,江蘇徐州 221008)

基于D-I nSAR技術(shù)進行煤礦開采與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的系統(tǒng)建設(shè)方案

王潤峰1,2,3,趙英志1

(1.河北省第二測繪院,河北石家莊 050031;2.河北省測繪局 ,河北石家莊 050030; 3.中國礦業(yè)大學(xué)國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點實驗室,江蘇徐州 221008)

星載雷達差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)是一種有效監(jiān)測地面沉降的重要技術(shù)手段,煤礦開采、國土環(huán)境與災(zāi)害的發(fā)展變化往往伴隨著地面的微小形變。通過煤礦沉降監(jiān)測的試驗結(jié)果,總結(jié)出一種利用D-InSAR技術(shù)構(gòu)建對于煤礦開采、沉降與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的有效應(yīng)用與分析系統(tǒng)方案。通過應(yīng)用地理信息系統(tǒng)為煤礦的開采控制、次生災(zāi)害預(yù)防、國土環(huán)境的變化監(jiān)測提供有效的技術(shù)手段。

D-InSAR;國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測;地面沉降監(jiān)測;GIS;煤礦開采;災(zāi)害預(yù)防

一、引 言

國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測是關(guān)乎國計民生的大事。近年來我國自然災(zāi)害、地區(qū)性環(huán)境污染、土地資源流失等狀況頻繁發(fā)生,如何有效地監(jiān)測和控制國土環(huán)境與災(zāi)害的發(fā)展變化、做好預(yù)防和減災(zāi)的科學(xué)決策,是一個艱巨的課題。目前,隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的飛速發(fā)展,“天—空—地”一體化減災(zāi)預(yù)防體系已經(jīng)進入人們的視野。特別是在 5·12汶川大地震后的抗震救災(zāi)、城市大面積沉降監(jiān)測、國土資源大調(diào)查中,衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。近年來,利用遙感技術(shù)在國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(如煤礦開采與沉陷、次生地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、土地利用動態(tài)監(jiān)測)領(lǐng)域取得了一些較好的研究成果。特別是衛(wèi)星合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)的大量應(yīng)用,使 D-InSAR技術(shù)成為監(jiān)測地面沉降的一種重要技術(shù)手段[1]。煤礦的開采會引起地面沉降,從而又對地表建筑及人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大的影響,面對復(fù)雜的地質(zhì)條件和自然、社會環(huán)境,綜合使用衛(wèi)星雷達遙感和 GIS技術(shù)可建立一個集生產(chǎn)控制、災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、評估、應(yīng)急救助等于一體的信息系統(tǒng)。通過研究,我們提出了一套基于 D-InSAR技術(shù)進行煤礦開采與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的系統(tǒng)建設(shè)方案,為礦區(qū)及國家相關(guān)部門在加強災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、評估、應(yīng)急救助指揮體系方面提供了重要技術(shù)手段。

二、D-InSAR技術(shù)及地面沉降監(jiān)測

星載雷達干涉測量技術(shù) (Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是以衛(wèi)星合成孔徑雷達數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源獲取地表的三維信息和變化信息的一項技術(shù)[2]。它通過衛(wèi)星對同一地區(qū)進行重復(fù)觀測成像,以兩張 SAR圖像作為基本處理數(shù)據(jù),通過計算兩次成像之間的相位變化,獲取干涉相位圖像,然后經(jīng)過相位解纏,并從干涉相位圖中獲取地面高程數(shù)據(jù)。而差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)則利用同一地區(qū)的兩幅雷達干涉圖像,其中一幅是通過 SAR形變事件前的圖像獲取的干涉圖像,另一幅是通過 SAR形變事件后的圖像獲取的干涉圖像,通過這兩幅干涉圖作差分處理來獲取地表微量形變,從而達到監(jiān)測地表細微變化的目的[2]。從差分干涉測量的原理和理論推導(dǎo)公式可以看出,進行地表變化檢測時,能獲得厘米級甚至毫米級的高精度三維形變[3]。

差分干涉測量的數(shù)據(jù)處理方法分三軌法、四軌法和外部DEM法等。在數(shù)據(jù)處理中一般采用三軌法或外部DEM法,其數(shù)據(jù)處理流程如圖 1所示。

圖1 D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

國內(nèi)外的研究者在利用 D-InSAR技術(shù)進行地面沉降監(jiān)測方面做了大量的研究工作,例如 Biegert等(1997年)在美國加利福尼亞州 Belridge和 Lost山油田的研究結(jié)果顯示:70天內(nèi)沉降量達到 6 cm,這與該區(qū)每年 30 cm的地面沉降速率相吻合[4]。文獻[2]通過差分干涉測量處理,得到 1993—1995年、1995—1998年和 1998—2000年蘇州市地面沉降場測量值,地面水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的驗證分析表明:差分干涉測量值與水準(zhǔn)測量值的相關(guān)度達 0.943,標(biāo)準(zhǔn)誤差均值為 0.170 6,雷達差分干涉測量精度可達 ±5 mm[5]。其他如大型建筑物變形、城市地下水開采、地震形變場等的研究都取得了成功。

三、某礦區(qū)的D-InSAR試驗及結(jié)果

煤礦開采會引起地面的微小形變,形變的發(fā)生往往伴隨著災(zāi)害的隱患。2006—2008年,河北省測繪局在某礦區(qū)利用 D-InSAR技術(shù)對煤礦的開采活動和地表沉降情況進行了試驗研究。試驗通過使用 JERS-1 SAR(1992年 9月—1998年 9月)、ENV ISAT ASAR(2003年 6月—2008年 1月)、ALOS PALSAR(2006年 6月—2008年 1月)數(shù)據(jù)進行D-InSAR數(shù)據(jù)處理,并且于 2006年 4月—2007年 7月在試點礦進行了 15次地面水準(zhǔn)監(jiān)測工作,也搜集了礦區(qū)的歷史和近期開采進度數(shù)據(jù)。通過三者之間的交互驗證,試驗結(jié)果如圖 2～圖 4所示,地面沉降被清晰地顯示出來(圖 2)。

圖2 由JERS-1、ENV ISAT ASAR、ALOS數(shù)據(jù)得到的D-InSAR結(jié)果示例

圖3表示了D-InSAR(2006年11月—2007年1月)和地面水準(zhǔn)觀測在表現(xiàn)沉降范圍、強度上是一致的,并且沉降的演化規(guī)律和煤礦的開采進度也是緊密相關(guān)的。因此,通過構(gòu)建 GIS系統(tǒng)可對采礦區(qū)的沉降大小和范圍進行跟蹤 (如圖 4所示)來研究其形變規(guī)律。

圖3 地面水準(zhǔn)測量與D-InSAR及開采進度的比較

圖 4 通過 GIS對沉降的大小和范圍進行動態(tài)演示

四、基于D-InSAR技術(shù)的系統(tǒng)建設(shè)方案

試驗表明,應(yīng)用D-InSAR技術(shù)能夠有效地監(jiān)測因地下采礦活動而引起的地表沉降變化情況。通過對煤礦開采進度與沉降產(chǎn)生的關(guān)系、災(zāi)害的發(fā)生過程等的研究發(fā)現(xiàn),結(jié)合星載雷達差分干涉技術(shù)—地面沉降—環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測—構(gòu)建數(shù)字信息系統(tǒng)等可形成一種對煤礦開采、沉降與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測的有效應(yīng)用分析系統(tǒng)。圖 5為建立監(jiān)測系統(tǒng)模式而設(shè)計的結(jié)構(gòu)流程圖。

圖 5 建立礦區(qū)開采、沉降與環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)流程圖

在系統(tǒng)中各模塊的設(shè)計可根據(jù)具體應(yīng)用而設(shè)置,并應(yīng)主要注重以下內(nèi)容的研發(fā):

1)選擇圖像處理功能強大、易于二次開發(fā)、接口擴展性好的 GIS軟件平臺。

2)在建立 CGCS2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)的同時應(yīng)注意坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊的開發(fā)。應(yīng)考慮到符合日常工作習(xí)慣、沿襲歷史數(shù)據(jù)、定位迅速準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)修改量小等特點。對于D-InSAR干涉結(jié)果與DOM影像圖、煤礦開采數(shù)據(jù)的匹配問題,必要時可布設(shè)少量固定的角反射器(可輔以 GPS測量)用于精確定位。

3)在礦區(qū)數(shù)據(jù)的錄入上建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。如在行政區(qū)劃、煤礦名稱、井田范圍、煤礦區(qū)位置、巷道、采掘進度、礦區(qū)DOM或地形圖、采高和采深、居民區(qū)、必要的交通、水系等地理信息數(shù)據(jù)的分層和編碼上要有明確的格式。

4)使用專業(yè)的軟件進行衛(wèi)星雷達差分干涉數(shù)據(jù)處理。處理的過程需要進行一個作業(yè)流程的設(shè)置或工作手冊的制定,目的是使作業(yè)過程流程化、制度化、規(guī)范化。沉降干涉圖在經(jīng)過地理編碼后可分層疊加到系統(tǒng)中去,沉降的范圍、強度、類型的表現(xiàn)形式要清晰形象,并可通過疊加煤礦開采信息、地形數(shù)據(jù)去進行比較分析。

5)差分干涉處理是通過衛(wèi)星遙感技術(shù)而獲得的一種對地觀測方式,其沉降結(jié)果受大氣、季節(jié)、地表建筑物、自然活動等因素的制約。為了更好地提高分析和判斷不同沉降情況的表達方式,需要設(shè)置經(jīng)驗值及分析幫助系統(tǒng)。該模塊是在定期、定點、小范圍內(nèi)進行一些地面監(jiān)測和實地勘察工作的基礎(chǔ)上進行的。通過實地調(diào)查分析把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到監(jiān)測系統(tǒng)中去,從實際對比中不斷增加經(jīng)驗值圖例,來不斷提高系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確度。

6)監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是對危害的發(fā)生提供預(yù)警能力。因此在進行預(yù)警參數(shù)的設(shè)置時應(yīng)包括:根據(jù)沉降量設(shè)立沉降等級,通過沉降等級和不同沉降范圍確定地表預(yù)警等級;根據(jù)沉降范圍和采礦區(qū)井田邊界設(shè)立越界預(yù)警等級;根據(jù)地面異動監(jiān)測確定可能由于盜采、盜挖引起的資源流失;根據(jù)煤礦的采高和采深及沉降量的分析設(shè)置對農(nóng)田、建筑物、公路、鐵路、橋梁、水庫等公共設(shè)施的危險等級。

7)輸出監(jiān)測圖和預(yù)警分析報告。其中監(jiān)測圖的制作主要分動態(tài)演示系統(tǒng)和分幅、分類監(jiān)測圖等表現(xiàn)形式。動態(tài)演示系統(tǒng)主要是根據(jù)不同時段內(nèi)地表沉降的變化情況給決策者提供直觀的變化量信息;分幅監(jiān)測圖則根據(jù)不同的專題和時段繪制目標(biāo)區(qū)掛圖,掛圖的表示要素、注記、圖幅大小、比例尺、圖例等可根據(jù)監(jiān)測區(qū)的范圍提前定制。預(yù)警分析報告根據(jù)監(jiān)測結(jié)果和預(yù)警信息提出,來指導(dǎo)實地勘察的目標(biāo)和方向并預(yù)測未來的沉降值。如通過沉降量和實際開采進度的關(guān)系模型確定是否有越界開采或非法開采等。

五、結(jié)束語

任何有效監(jiān)測及預(yù)防手段的應(yīng)用,離不開專業(yè)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前D-InSAR技術(shù)使用的數(shù)據(jù)源一般都是 ENV ISAT、ERS-1/2、JERS-1、ALOS、RADARSAT-1、TerraSAR等國外衛(wèi)星數(shù)據(jù),監(jiān)測周期受重訪周期影響大。2009年 3月 30日,國家國防科技工業(yè)局在北京召開了我國環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星A、B星的在軌交付儀式[6],這標(biāo)志著我國于 2002年開始的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座計劃取得了良好的預(yù)期效果,該衛(wèi)星星座計劃是向太空發(fā)射多顆光學(xué)小衛(wèi)星和合成孔徑雷達小衛(wèi)星,以建立一個專門用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報的小衛(wèi)星星座,形成由災(zāi)害信息運行系統(tǒng)和空間資源相結(jié)合的天地一體化災(zāi)害管理體系。通過 7個多月的在軌測試,首批A、B星以優(yōu)異性能和出色表現(xiàn),初步形成了環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)報星座雛形,也完成了多個區(qū)域的環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測任務(wù)(如西藏雪災(zāi)的監(jiān)控),同時對澳大利亞大火等多起國外災(zāi)害的監(jiān)測也作出了突出貢獻[6]。不僅如此,國際上待發(fā)衛(wèi)星計劃眾多,這些衛(wèi)星將為航天遙感監(jiān)測技術(shù)提供廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 廖明生,林琿.雷達干涉測量:原理與信號處理基礎(chǔ)[M].北京:測繪出版社,2003.

[2] 王超,張紅,劉智.星載合成孔徑雷達干涉測量 [M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[3] 李德仁,周月琴,馬洪超.衛(wèi)星雷達干涉測量原理與應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2000,25(1):9-12.

[4] B IEGERT E K,BERRY J L,OAKLEY S D.Oil Field Subsidence Monitoring Using Spaceborne Interfeormetric SAR[EB/OL].(2010-02-03)http:∥www.atlsci.com/ library/Oil-field-Subsidences-Monitoring-using-Spaceborne Interfemmetric_SAR.html,1997.

[5] 王超,張紅,劉智,等.蘇州地區(qū)地面沉降的星載合成孔徑雷達差分干涉測量監(jiān)測 [J].自然科學(xué)進展, 2002,12(6):621-624.

[6] 國家航天局.環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星A、B星在軌交付[EB/OL].(2010-03-01)http:∥www.cnsa.gov. cn/n615708/n676979/n2231350/n2231352/168202.html/2009-03-30/2009-08-25.

A System for CoalM ining and Land Environment and D isaster M on itoring Based on D-InSAR

WANG Runfeng,ZHAO Yingzhi

0494-0911(2010)07-0030-03

P237

B

2010-05-05

王潤峰(1971—),男,河北欒城人,高級工程師,主要從事工程測量、地籍測量、攝影測量與遙感、國土環(huán)境與災(zāi)害控制與治理工作。