GB-InSAR集成GIS的露天煤礦邊坡變形監測

李如仁，楊 震，余 博

(1. 沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168； 2. 中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

GB-InSAR集成GIS的露天煤礦邊坡變形監測

李如仁1，楊 震2，余 博1

(1. 沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168； 2. 中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

對露天礦邊坡進行實時、精確測量可為邊坡提供可靠的預警和治理信息，直接關系到露天礦的生產連續性和效益。地基SAR干涉測量技術(GB-InSAR)是最近10年發展起來的一種相對較新的變形監測技術，具有全天候、全天時的觀測特點。而國內針對露天礦邊坡變形監測大多處于試驗階段，缺乏長時間連續觀測的能力，本文詳細地闡述了GB-InSAR的基本原理，并將GB-InSAR得到的變形數據與GIS有機地連接起來，利用GIS強大的空間顯示、分析能力，高效、實時、直觀地展示變形信息，為露天礦生產提供了有力的決策支持。

GB-InSAR；露天煤礦邊坡；GIS；變形監測

隨著露天礦生產的不斷進行，其邊坡角也會逐漸增加，增加了露天礦邊坡災害發生的概率。因此，對露天礦邊坡進行實時的變形監測，掌握邊坡災害的過程，利用一定的數據處理方法分析和建立預報、預警系統是至關重要的[1]。

全站儀、測量機器人和水準儀等傳統測量技術在變形監測中已經得到廣泛的應用，但容易受氣候、時間、通視等條件的限制；GPS克服了傳統觀測技術的眾多缺點，在變形監測中取得了廣泛的應用，但露天礦邊坡的坡度往往比較大，可視衛星的數目及幾何位置嚴重影響了GPS的精度甚至可行性。GPS和全站儀等傳統測量技術能獲得相對較高精度的單點位移[2]，但難以整體反映邊坡變形，更重要的是這些獲取變形信息的方式都是接觸式的，對于危險的邊坡不宜進行觀測。

合成孔徑雷達干涉測量技術(synthetic aperture radar interferometry，InSAR)是近些年發展起來的極具潛力的微波遙感新技術，它已在冰川漂移、地震變形、火山運動等領域表現出很好的前景[3-6]。GB-InSAR是在星載SAR的基礎上發展起來的一項新技術，其具有靈活多變、分辨率高、平臺穩定、造價相對低廉等優點。GB-InSAR不僅能夠監測山體滑坡、冰川移動、雪崩等無法接觸或較為危險的領域，也能在大型橋梁、高層建筑物的變形監測中發揮重大的作用[7]，國內利用GB-InSAR進行露天礦變形監測僅僅停留在試驗階段，缺乏長時間連續監測的能力，因此本文以錫林浩特勝利東二號露天礦為研究對象，利用GB-InSAR技術獲取礦區邊坡的變形數據，隨后利用GIS強大的空間數據處理、分析能力進行二次開發，實時、直觀地進行露天礦邊坡變形監測。

1 GB-InSAR與GIS集成

1.1 GB-InSAR原理

GB-InSAR采用的是正側視條帶的工作模式，系統采用步進頻率連續波，同時通過控制天線的運動實現空間高分辨率，其距離向分辨率和方位向分辨率表達式分別為

Δr=c/2B

(1)

Δφ=λ/2L

(2)

式(1)—式(2)中，B為雷達脈沖寬度；c為光速；L為合成后的天線孔徑；λ為雷達波長。

1.2D-InSAR

D-InSAR即差分干涉測量技術，利用D-InSAR可以實現目標物位移變化的精準測量[8]。設GB-InSAR在不同時間獲取的同一目標區域的兩幅SAR復圖像為I1和I2，則將復圖像的對應像素進行共軛相乘即可得到相位差(前提是兩幅復圖像匹配)，并形成干涉相位圖。其干涉相位計算方式為

(3)

式中，*表示共軛，且∠(I(q))=φ(q)，干涉相位圖中任意像素點q的相位差為

(4)

在實際處理過程中求得的相位差φ(q)只是(-π,π]內的主值，若要得到真實相位差φ(q)就必須進行相位解纏，由相位差可求得目標的視向變形值，其計算公式為

(5)

式中，fc代表雷達的工作頻率；c為光速。

1.3 GIS

GIS以其強大的空間數據存儲、管理、分析等功能，已被廣泛應用于國土、遙感、國防、資源環境等領域[9]。目前GIS已經成為一項服務于信息化的技術工具，如何開發出快速、低成本的GIS應用系統成為企事業單位、高校、科研院所關注的熱點。GIS已滲透到很多行業，市場上活躍著許多開發商推出的GIS二次開發產品，用戶可以根據實際需求進行選擇。由Esri公司開發的GIS二次開發產品ArcGIS Engine成為目前的主流，它具有靈活、易用、簡潔、可移植性強、成本低等優點，深受GIS從業人員的喜愛[10]。

1.4 GB-InSAR與GIS集成

通過GB-InSAR技術可以全天候、全天時地獲取露天礦邊坡的變形數據，而利用GIS可以將變形數據快速、直觀地展現出來。因此，GB-InSAR與GIS集成可以充分利用兩者的優勢，實時、高效地對露天礦邊坡進行變形監測，集成原理如圖1所示。

圖1 GB-InSAR與GIS集成原理

如圖1所示，GB-InSAR與GIS集成是利用GB-InSAR技術獲取露天礦邊坡變形數據，以ArcSDE為存儲變形數據的數據庫與GIS之間橋梁，并利用GIS二次開發組件開發露天礦邊坡監測系統，進而實時、直觀地對露天礦邊坡進行變形監測。這里需要說明的是，ArcSDE(SDE即spatial database engine，空間數據庫引擎)是ArcGIS與數據庫之間通道。

2 GB-InSAR與GIS集成在露天礦邊坡變形監測中的應用

2.1 錫林浩特勝利露天礦概況

內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司東二號露天礦位于勝利煤田中東部，礦區面積為49.63 km2，東西長約8.0 km，南北寬約6.6 km，主體構造形態為NE-SW走向，兩翼不對稱的寬緩向斜。2013年初東2號露天礦已形成南北寬約2.3 km、東西長約3.5 km、面積約7.5 km2的采坑，邊坡高度202 m。隨著東二露天煤礦進一步的開拓和延伸，南幫邊坡穩定性成為制約其安全生產的重要因素，因此需要對其邊坡進行實時的變形監測。

2.2 GB-InSAR數據處理

GB-InSAR數據處理的原理與星載和機載SAR的相似，由于GB-InSAR采用零空間基線工作的模式，并且軌道參數已知，因此無需考慮去基線估計和地平效應等步驟，且GB-InSAR影像獲取時間間隔短，可以忽略大氣延遲的影響[11]。GB-InSAR差分干涉測量的處理步驟主要包括GB-InSAR復圖像的配準、干涉圖生成和相位噪聲濾波、相位解纏及變形值提取，GB-InSAR高精度的變形監測需要精準的干涉相位來保證，復圖像的精確配準是成功進行干涉測量的前提[12]，因此在礦區穩固的地點安置若干個三面角反射器，并以此對GB-InSAR影像進行配準[13]。

本文結合某一天特定時段的7幅雷達監測數據對邊坡變形提取的方法及結果進行說明。在數據處理中利用累積干涉相位法對所有相鄰兩幅圖像相位差進行累加，這樣可以消除相位纏繞和降低噪聲影響，設I1,I2,…IN分別為在時間t1,t2,…tN時獲得的目標區域SAR圖像，則任意一個像元q點處目標的累積干涉相位由式(6)可得，結合式(5)即可得q的累計位移，結果如圖2所示。

(6)

圖2 變形圖像序列

圖2為一個時間序列的6副差分后變形圖像，時長為308 min。變形方向對應著坡度在視線方向的移動，負值表示距離減小，即朝著觀測者運動，從結果可以看出，礦體對應圖中的中心區域變形較為嚴重，有些區域變形甚至呈振蕩趨勢。

2.3 GIS在露天礦邊坡變形監測中的應用

上文對GB-InSAR技術提取露天礦邊坡變形數據的方法進行了詳細的闡述，并對變形數據的精度進行了驗證。本文以ArcSDE為橋梁，將存儲、管理變形數據的Oracle數據庫與GIS有機地連接起來，并在Windows Form開發環境下，以C#為開發語言，實現ArcGIS Engine控件的集成，進而完成露天礦邊坡變形監測系統的開發。根據露天礦邊坡變形監測的需求與組件式結構和分層次開發的思想，將系統分為數據庫、數據層、邏輯層和表現層，如圖3所示。

圖3 露天礦變形監測系統框架

為了盡可能滿足露天礦邊坡變形監測的需求，本文結合GIS的功能特點，在作變形分析的同時，附加了很多其他輔助功能，如視圖管理、數據導出、警報設置等，系統功能框架如圖4所示。

從圖4可以看出，本文利用ArcSDE將數據庫與露天礦邊坡變形監測系統連接起來，而GB-InSAR得到的變形數據存儲在數據庫中，從而實現了兩者的集成。從功能框架可以看出，該系統不僅包括漫游、縮放等基本功能，還可以加載、顯示礦區的實景及三維視圖，最重要的是，作為一個露天礦邊坡監測系統，其可以任意設置重點監測點和區域，并對點和區域的變形數據進行顯示、輸出，可以根據變形信息及礦區的實際情況進行相應預警。

2.4 GB-InSAR與GIS集成的露天礦變形邊坡變形監測系統的實現

GB-InSAR與GIS集成的露天礦邊坡變形監測系統開發的過程繁復，且內容較多，本文結合圖文僅對其中的視圖管理、變形分析兩大功能模塊進行簡單的介紹，具體示例如圖5、圖6所示。

圖5(a)為雷達視圖，即為渲染后的變形數據；圖5(b)是實景視圖，其中上半區域是礦區實景圖，下半區域對應的是經過渲染的實時變形圖，兩者具有相同的坐標系且有聯動作用；圖5(c)顯示的是監測區域，可以清晰地看出監測區域在三維視圖與變形圖中的位置；圖5(d)是實景圖與實時變形圖的疊加，通過該視圖可以直觀地了解露天礦邊坡整體變形情況；圖5(e)是實時變形圖與三維圖的疊加，在視圖的左側有三維視圖工具欄，可以進行各個角度瀏覽；圖5(f)是圖5(e)的局部，圖中的深色區域為選中的監測區域。在每個視圖的左下側是監測區域的實時信息，主要包括數據的時間、區域信息、區域面積、位移、位移加速度、土方量等，右側為變形信息的走勢圖，如位移走勢圖、位移速度走勢圖、位移加速度走勢圖等，且可多個走勢圖同時顯示，如圖6所示，通過走勢圖可直觀地得到監測區域的變形信息，并可以通過下方的兩個滑條自主選擇走勢圖的時間區間。

圖4 系統功能框架

圖5 系統視圖

圖6 走勢圖

3 結 論

(1) 利用GB-InSAR掃描數據，通過差分干涉測量技術獲取了露天礦邊坡變形數據。試驗結果表明，GB-InSAR技術可以快速、大范圍地獲取露天礦邊坡變形信息。

(2) 將GB-InSAR得到的變形數據通過Oracle數據庫和ArcSDE與GIS結合起來，并充分利用GIS強大的地圖顯示、分析功能，將變形數據通過計算、分析、渲染高效、直觀地顯示出來，為露天礦生產提供了有力的支持。

(3) 盡管GB-InSAR技術在地表變形監測方面具有傳統技術手段難以比擬的優勢，但是時空失相關和大氣效應這兩項因素嚴重影響到邊坡變形信息的精度，將來有必要結合永久散射體技術對GB-InSAR技術進行深入的研究。

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Slope Deformation Monitoring of Open Pit Coal Mine by GIS Integrated GB-InSAR

LI Ruren1，YANG Zhen2，YU Bo1

(1. School of Transportation Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;2. School of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

The real-time and accurate monitoring for open pit coal mine slope can provide reliable information for slope stability and early warning, which is directly related to the economic benefit and sustained production. The ground-based InSAR (GB-InSAR), a relatively new technology for deformation monitoring, has been developed in the last ten years, which has the characteristics of all-weather and all day. However, most of the open pit slope deformation monitoring in China are in the experimental stage, which lacks the ability of continuous observation for a long time. In this paper, the basic principle of GB-InSAR is described in detail and the deformation data obtained by GB-InSAR is organically connected with GIS. Deformation information is efficiently, real-time and intuitively displayed by using of GIS powerful spatial analysis and display ability, providing powerful decision support for open-pit mine production.

GB-InSAR; open pit coal mine; GIS; deformation monitoring

李如仁，楊震，余博.GB-InSAR集成GIS的露天煤礦邊坡變形監測[J].測繪通報，2017(5)：26-30.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0147.

2016-10-08

國家重點研發計劃(2016YFC0501101)

李如仁(1966—)，男，教授，研究方向為GB-InSAR與GIS的集成。E-mail: rurenli@163.com

楊 震。E-mail: 593797596@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)05-0026-05