InSAR技術在某磷礦區地表形變檢測中的應用

孫新輝，甘 淑

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

InSAR技術在某磷礦區地表形變檢測中的應用

孫新輝，甘 淑*

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

隨著采礦事業的不斷開展，地面沉降問題日益突出。傳統的地表形變監測方法雖然精度高，但是監測周期長、成本高、范圍小。InSAR技術可以有效彌補傳統監測方法的不足，大范圍獲取數據，速度快，監測連續性好。采用InSAR技術對某磷礦采礦區域進行監測，選取2015年年末兩景和2016年年初兩景數據來進行干涉差分處理，結果表明，在4個月的時間里，地表總沉降量約為2 cm，平均月沉降量約5 mm，總沉降面積約936.89 m2。通過實例，介紹了研究區的沉降特征以及InSAR技術探測形變的具體流程，證明InSAR技術在探測地表形變方面具有廣闊的應用前景。

地面沉降； 合成孔徑雷達； 三通法

1 材料與方法

1.1 Sentinel- 1數據選取

Sentinel- 1衛星是歐洲空間局為實施哥白尼對地觀測計劃項目于2014年4月發射的合成孔徑雷達衛星，最高分辨率可達5 m，寬幅為250 km，采用C波段，全天候、全天時獲取地表散射信息。此衛星經過半年的試運行后，于當年10月正式投入工作，并免費提供數據下載。經調查，此顆衛星覆蓋研究區域的歷史存檔數據有四景，數據接收模式為IW(寬幅模式)，數據等級為level- 1，此種接收模式以其相對較寬的成像跨幅和中等分辨率(5 m×20 m)而得到較多的運用。四景數據分別為2015年11月21日、2015年12月15日、2016年2月25日和2016年3月8日的數據。用此四景時間序列約為1個月的歷史存檔數據進行三通法差分干涉處理，得出地表形變信息。

1.2 沉降監測基本原理

D- InSAR技術通過兩副天線同時觀測(單軌模式)，或者兩次近平行的觀測(重復軌道模式)獲取地面同一分辨單元的復圖像對，由于目標與兩天線存在幾何位置關系，因而在復影像上產生了相位差，此相位差進而可以形成干涉條紋圖，干涉條紋圖中包含了斜距向上的點與兩天線位置之差的精確信息，這種差值包含大氣延遲、平地效應、地形起伏、噪聲以及兩次成像過程中地表發生的微小形變，如果將其他因素去除掉，就可以得到地表形變信息。

地面分辨單元的干涉相位為

式中，ξi為相位延遲，λ為雷達波長。

出生于20世紀70年代末以來的獨生子女，面臨上有老下有小的局面， “4-2-1”模式將成為中國今后幾十年主流家庭模式。尤其是對于高齡老人，他們的子女難以承擔長期照料老人的責任。因此，僅僅依靠子女、家庭來解決普遍存在的、曠日持久的老人照料問題是心有余而力不足。

假設2次SAR成像的時間基線剛好合適，使得地面分辨單元的散射特性保持不變，即ξ1=ξ2，可得干涉相位φ為

式中Δρ為雷達波單程傳播距離差。

影響Δρ的因素主要由5部分組成，分別為φflat、φtopo、φdefo、φatm、φnoi，代入φ式中可得：

式中：φflat表示由參考橢球體引起的干涉相位；φtopo表示由地形起伏引起的干涉相位；φdefo表示兩次SAR成像期間因地表形變引起的干涉相位；φatm表示因大氣擾動引起的干涉相位；φnoi表示由各種噪聲導致的傳播距離差引起的干涉相位[4- 5]。

利用SAR成像的瞬時幾何關系，建立方程組，消掉其中4部分干涉相位，只留下地表形變引起的干涉相位，解算Δr，從而提取地表形變信息。

本研究采用常規的三通法進行數據處理。三通法的主要優點是無需地面信息，數據間的配準較易實現，缺點是相位解纏效果的好壞將影響最終結果[6]。

1.3 監測數據處理平臺

本研究所用的軟件處理平臺是ENVI SARscape軟件。SARscape處理模塊是ENVI主界面下的拓展模塊，用來處理SAR數據。其主要功能包括：各類SAR數據的數據導入，干涉處理，基線估計，Gamma濾波，下載DEM等。

2 試驗區地表形變監測實例

選用2015年11月21日和2015年12月15日的兩景數據進行干涉處理，使其生成DEM，具體包括以下6個技術步驟。

2.1 基線估計

InSAR基線分為時間和空間基線。時間基線是指獲取2幅SAR圖像對之間的時間間隔。時間基線的存在產生時間去相干。時間基線越長，時間去相干越強。空間基線是指對同一地物目標成像時2個衛星之間的距離，可分解為垂直基線和水平基線。空間基線是干涉圖像對選取的首要依據，因為它既是SAR干涉測量成像的基礎，又是導致SAR圖像對去相干的一個重要因素。SARscape處理過程中，對兩景圖像進行基線估計，生成2個曲線關系圖(圖1、2)，經測算，正常基線值是85.733，遠遠小于極限基線值6 450.484，時間基線是24 d，可以形成干涉。

圖1 形變精度與相干性關系

圖2 高程精度與相干性關系

2.2 干涉圖生成

干涉圖的生成有2種方法：一種是有外部輔助DEM，另一種是無DEM。本研究采用有外部DEM的方法，事先利用SARscape中的DEM自動下載模塊，將研究區的DEM數據下載下來，將兩景數據分別加入之后，再加入下載好的DEM，然后進行干涉過程。用這種加入外部輔助DEM來生成干涉圖的好處是生成的干涉圖直接是去掉平地效應的干涉圖，可以直接進入下一步的自適應濾波和相干性計算環節，而且這一步形成的干涉圖最終目的是為得到一個地形信息，即形成DEM，這樣得到的DEM精度較高，對下一步的差分環節很有用處，對差分結果的精度具有重要的作用。2015年11月21日與2015年12月15日兩景數據生成的干涉圖如圖3所示。

圖3 研究區干涉圖

這一步處理結果會生成主、從影像的強度圖:_pwr，干涉圖:_int，去平后的干涉圖:_dint，合成相位:_sint，以及斜距DEM:_srdem文件。

2.3 自適應濾波及相干性計算

此種濾波方法屬于后置濾波，即在形成干涉圖之后對干涉圖進行濾波。自適應濾波也是一種頻域濾波方法，是將原始圖像進行快速傅里葉變換，在其頻域內根據斑點噪聲和信號的頻譜特性進行濾波，是為了去除干涉圖像中的噪聲和大氣干擾，去掉由平地干涉引起的相位噪聲，減小由于數據采集過程中混淆產生的誤差，本研究所采用的軟件提供常用的4種濾波方法。相干性計算是為了計算干涉成果的相干系數，檢查并分析干涉結果的準確性。

2.4 相位解纏

要利用InSAR技術獲得任意點的高程或形變量，必須已知該點的絕對干涉相位。通常將由纏繞干涉相位得到絕對干涉相位的過程稱為相位解纏，此時的絕對干涉相位稱為解纏相位。理想情況下，通過求纏繞相位值的主值，再進行簡單的積分就可以反演出任意點與某一解纏起算點間的相對解纏相位，再通過引入一外部控制點即可獲得各像點的絕對解纏相位，即絕對干涉相位，但是，地面起伏的復雜性和干涉影像對本身數據質量的差異使得相位解纏變得異常復雜，迄今仍沒有一個公認的有效算法可以滿足各種情況下的解纏精度要求。

2.5 軌道精煉和重去平

這一步操作是將開始輸入的軌道參數進行重新修正，對偏移的相位進行一定的矯正，以及將結果再次進行去平地效應處理。

2.6 生成DEM

前5步處理的過程都是對相位信息進行處理，生成DEM，即將相位信息轉換成高程信息，并進行地理編碼，得到DEM文件。

針對研究區，將后兩景數據即2016年2月25日與2016年3月8日的數據重復執行前5個步驟，結合前兩景數據生成的DEM，最后轉換成形變信息，生成形變圖。其實，InSAR處理是D- InSAR處理的一部分，前5步屬于InSAR處理流程，后2步屬于D- InSAR過程。前者為后者做好了數據準備，利用InSAR數據處理得到的干涉結果進行差分處理即為D- InSAR。

圖4所示即為用ENVI SARscape模塊做出的研究區地表形變圖，顏色的深淺程度表示變形的劇烈程度。將研究區影像進行拉伸顯示，并與差分形變圖疊加起來，就能清晰地發現在主礦區正西方向有一片地面塌陷區域(圖5)。

圖4 研究區差分形變圖

圖5 形變區與礦區位置關系

3 小結與討論

本研究對比分析發現，研究區域內的地下采礦區域有明顯的地面沉降現象，沉降區域呈蠶豆狀，南北方向展布，平均月沉降量約為5 mm，沉降量由外及里愈加嚴重。將干涉形變圖與遙感影像進行配準，利用ArcGIS測量距離的功能計算出下沉區域距礦區直線距離約1 000 m。另外通過對干涉圖進行柵格數據矢量化，提取邊界，增加字段，自動計算沉降區域的面積約為936.89 m2。進一步就強度狀況進行分析得出，在變形區域的西北部和西南部有2處沉降最嚴重，經計算，斑塊面積分別約為50 m2(西北部)、60 m2(西南部)。經過調查發現，西南部有一處抽水區，用來采礦時供水，西北部有一個蓄水區，由此初步推測，此兩處沉降嚴重可能與抽水和蓄水引起的地下水活動劇烈和巖層受到地下水侵蝕作用有關。在抽水區域附近有一處地表上升區域，具體原因還不能確定，初步推測為地下水抽取引起巖層上部載荷釋放而發生的回彈現象。

礦區的安全問題至關重要，因此做好礦區的地表沉降監測工作是非常必要的。本研究結果表明，用InSAR技術可以有效地監測地表形變信息，而且其在數據采集方面，以及時間、空間上的有利條件都勝于傳統的監測方法，是一種新型的值得推廣的地表形變監測技術。

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[4] 梁軍. 雷達干涉測量及其在青藏鐵路沿線地面形變監測中的應用研究[D]. 成都：成都理工大學,2007.

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(責任編輯：高 峻)

2016- 11- 01

國家自然科學基金(41261092，41561083)；云南省自然科學基金(2015FA016)

孫新輝(1990—)，女，河北張家口人，碩士研究生，研究方向為遙感技術理論與方法，E- mail：sunxinhuiainiu@163.com。

甘 淑(1964-)，女，云南騰沖人，教授，博士，研究方向為遙感技術理論與方法，E- mail: 1226608170@qq.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170352

P225

B

0528- 9017(2017)03- 0531- 03

文獻著錄格式：孫新輝，甘淑. InSAR技術在某磷礦區地表形變檢測中的應用[J].浙江農業科學，2017，58(3)：531- 533，540.