基于D-InSAR的礦區(qū)沉降監(jiān)測★

洪 卓 眾

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054;2.福州市勘測院，福建福州 350003)

0 引言

InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)及其差分技術(shù)(D-InSAR)是近些年來發(fā)展起來的一種主動式微波遙感技術(shù)，由于其具有全天候、全天時、覆蓋面廣、高度自動化和高精度地表形變探測能力等突出技術(shù)優(yōu)點，現(xiàn)已成為空間對地觀測技術(shù)的研究熱點［1，2］。近年來，隨著差分干涉測量技術(shù)(D-InSAR)的快速發(fā)展，其已被廣泛應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測［3，4］。地下礦產(chǎn)開采引起的地表沉降具有空間范圍小的特點，對此類沉降的D-InSAR監(jiān)測嚴(yán)重受到頻繁的地面活動和時間失相干的影響。文中在簡單介紹D-InSAR形變監(jiān)測原理的基礎(chǔ)上，分析了影響差分干涉結(jié)果精度的誤差源，并給出了可能的消除辦法。最后以陜北神木縣大柳塔礦區(qū)為例，驗證了D-InSAR技術(shù)用于礦區(qū)沉降監(jiān)測的能力，結(jié)果表明，D-InSAR技術(shù)可以有效地提供礦區(qū)沉降的最新信息，用于指導(dǎo)礦區(qū)生產(chǎn)和整體規(guī)劃。

1 D-InSAR形變監(jiān)測方法

InSAR技術(shù)利用雷達(dá)回波信號所攜帶的相位信息來獲取地表三維地形信息。在SAR衛(wèi)星獲取的復(fù)雷達(dá)影像中，既包含了地面分辨單元的雷達(dá)后向散射強(qiáng)度信息，又包含了與斜距有關(guān)的相位信息。由于雷達(dá)衛(wèi)星不同時刻獲取同一地區(qū)的雷達(dá)影像時軌道和姿態(tài)都不盡相同，導(dǎo)致地表同一地物的兩個回波信號之間產(chǎn)生了相位差，即產(chǎn)生干涉條紋圖。

如果在兩幅影像獲取期間，地表發(fā)生了形變位移，則干涉相位φ的組成可表示如下［5］:

式中:φtop——地形相位;

φdef——形變相位;

φflat——參考相位，即平地相位;

φatm——大氣延遲相位;

φnoi——噪聲相位。

D-InSAR就是通過去除地形、平地、大氣及噪聲等干涉相位的影響，來分離和提取出地表形變信息φdefv。

2 誤差源及消除辦法

D-InSAR技術(shù)形變探測誤差來源歸納起來可如下表示［5，6］:

1)φbaseline_error:衛(wèi)星軌道狀態(tài)矢量參數(shù)以及基線估計的不確定性所引起的誤差。目前尚無算法可精確估計雷達(dá)影像空間基線，對于部分衛(wèi)星的精密軌道數(shù)據(jù)可從一些網(wǎng)站進(jìn)行免費下載(例如DELFT精密軌道、doris精密軌道等)，從而減少配準(zhǔn)誤差并進(jìn)行平地效應(yīng)的去除，有時還需要人為地根據(jù)數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗選取同名點等對空間基線進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2)φcoreg_error:雷達(dá)單視復(fù)數(shù)影像的配準(zhǔn)誤差。影像配準(zhǔn)時精度一般要求要優(yōu)于1/8像素。但是，在實際的影像配準(zhǔn)過程中，不同時刻雷達(dá)衛(wèi)星成像條件復(fù)雜，配準(zhǔn)的精度受到側(cè)視成像造成的雷達(dá)陰影與疊掩區(qū)域、時間與空間失相干以及斑點噪聲等原因的影響，目前很多影像配準(zhǔn)算法的配準(zhǔn)結(jié)果精度均能達(dá)到亞像元級。

3)φatmos_error:雷達(dá)信號在傳播過程中由于大氣延遲而引起的相位噪聲。單天線重復(fù)軌道模式下不同時刻獲取SAR影像的大氣異質(zhì)性導(dǎo)致了微波信號傳播過程中大氣延遲。大氣校正可利用多景SAR影像自身干涉特性的統(tǒng)計特性進(jìn)行大氣效應(yīng)的消除或校正［3，7］，也可借助外部氣象數(shù)據(jù)對大氣效應(yīng)的影響進(jìn)行估計［8］，但和SAR影像獲取時刻嚴(yán)格匹配的外部數(shù)據(jù)相對較少。

4)φunw_error:復(fù)雜地區(qū)的相位解纏誤差。由于時間與空間基線過長導(dǎo)致雷達(dá)信號的低信噪比、地形起伏引起的疊掩、陰影等原因，給相位解纏帶來很大困難。通常利用Flynn最小不連續(xù)法、最小費用流法等都可得到相對穩(wěn)定可靠的解纏結(jié)果，此外基于永久性散射體或高相干點技術(shù)中的Delaunay三角網(wǎng)的解纏算法，也可以很好地解決影像處理過程中的相位解纏問題，尤其在影像噪聲嚴(yán)重的情況下該解纏算法相對更為可靠。

5)φdem_error:地形數(shù)據(jù)誤差導(dǎo)致殘余地形相位誤差。殘余地形相位的影響與地形起伏有很大關(guān)系，通常情況下，在地形變化較為明顯的區(qū)域殘余地形相位對最終形變結(jié)果的影響尤為明顯，在影像處理過程中可利用高分辨率、高精度外部DEM數(shù)據(jù)消弱地形相位誤差。其次殘余地形相位還與干涉組合的垂直基線有密切關(guān)系，通常情況下，垂直基線分量越小殘余相位對形變結(jié)果的影響越小。

6)φdeco_error:時空失相干等導(dǎo)致的相位噪聲。由于在兩幅SAR影像獲取期間地表植被生長等諸多原因，導(dǎo)致了影像相位的時間失相干。此外，同一地區(qū)不同時間影像獲取的軌道差異過大，即垂直基線過長，造成影像空間失相干給干涉圖造成相位噪聲。利用永久性散射體技術(shù)或安裝人工角反射器等可有效消弱此相位噪聲［9］。

7)φnoise:熱噪聲引起的誤差。通常通過一定的相位濾波和多視處理都能有效地消除或消弱噪聲的影響。

3 實驗與分析

礦山開采導(dǎo)致的地表塌陷和地面沉降是我國最重要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，其以破壞性強(qiáng)、影響范圍大而著稱。本文研究區(qū)域為位于陜西省神木縣西北的大柳塔礦區(qū)，該礦區(qū)由大柳塔和活雞兔兩個井工礦組成，其單產(chǎn)量目前居世界之首，但其開采所導(dǎo)致的地表形變變化劇烈，造成大范圍地面沉陷、塌陷、地面裂縫以及地面沉降等，形變區(qū)多處民房坍塌或開裂、道路斷裂、田園破碎等，部分地區(qū)甚至引發(fā)滑坡、礦震等地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳顜砹藰O大危害。本文研究采用歐空局的3景Envisat數(shù)據(jù)，干涉組合信息如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)及組合(Track:2390 Frame:2817)

通過對兩干涉方案的差分處理，得到了大柳塔礦和活雞兔礦在這兩時期內(nèi)的形變信息，分別如圖1，圖2所示。由于研究區(qū)處于干旱半干旱的沙漠地帶，且據(jù)氣象資料顯示該區(qū)全年天氣以晴好為主、大氣能見度高，因此結(jié)果中大氣延遲影響可以不予考慮。

圖1 大柳塔礦差分結(jié)果

根據(jù)圖1，圖 2 的處理結(jié)果得到在 2004.06.14 ～2004.07.19相隔35 d的時間內(nèi)，大柳塔礦井可監(jiān)測到的最大沉降量可達(dá)近6 cm，其沉降影響范圍約為0.58 km2。活雞兔煤礦可監(jiān)測到的最大沉降量也達(dá)到近6 cm，其沉降影響范圍約為0.2 km2。而在后繼的2004.07.19 ～2004.12.06 相隔 140 d 的時間內(nèi)，大柳塔礦井可監(jiān)測到的最大沉降量達(dá)到7 cm多，遭受沉降的影響范圍擴(kuò)大為0.96 km2。新出現(xiàn)的三個沉降條帶與煤礦在這140 d的時間內(nèi)開挖巷道走向有關(guān)。活雞兔煤礦在這期間可監(jiān)測到的最大沉降量達(dá)到近10 cm，遭受沉降的影響范圍擴(kuò)大為12.8 km2。圖2d)～圖2f)中黑色方框為圖2a)～圖2c)的處理范圍，從圖2中可以明顯地看到，該礦的沉降速率很快，沉降區(qū)向西南方向進(jìn)一步擴(kuò)大，新出現(xiàn)的七個沉降條帶同樣與該煤礦在這140 d的時間內(nèi)開挖巷道走向有關(guān)。本文探測到的開挖巷道與相關(guān)部門提供的開挖信息吻合較好。圖1，圖2的形變圖中，空白區(qū)表示該區(qū)域由于形變量過大以致相位無法解纏造成的。

圖2 活雞兔礦差分結(jié)果

4 結(jié)語

利用D-InSAR技術(shù)對礦區(qū)開采地表形變進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測是一種經(jīng)濟(jì)、高效、高精度的監(jiān)測手段。本文的研究表明了利用InSAR技術(shù)對煤礦沉陷、地面沉降監(jiān)測的可行性，證明了利用該技術(shù)進(jìn)行礦區(qū)開采動態(tài)監(jiān)測具有良好的應(yīng)用前景。

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