SBAS技術在礦區地面沉降監測中的應用

王志華 姜輝 鮑捷

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，礦產資源過度開采導致的地面塌陷，甚至地質災害問題日益凸顯，威脅著礦區人民的生命財產安全，也制約著礦業城市的可持續發展。地面沉降多是緩慢變化、不可逆的，利用小基線集（SBAS）時間序列形變分析方法能監測長時間、大范圍的地表緩慢形變，得到所研究礦區的沉降發展趨勢和演化情況[1]。

本文主要用SBAS方法監測緩慢微小的地面形變，研究礦區的地面沉降分布特征及形變時間演化規律，分析具體沉降情況，繪制形變量圖、累積沉降面積變化曲線等，以便科學指導礦區的生產生活。

1 SBAS技術概況

1.1 SBAS技術研究現狀

SBAS技術起源于2002年，國內外學者做了大量試驗和研究，取得了突破性進展，但是國內對SBAS技術的研究與應用遠不及國際水平。隨著我國北斗衛星系統的全面建設，SBAS技術在監測地表形變中將有更大的發展空間，這要求我們必須對SBAS技術的理論及在沉降監測中的應用進行更加深入的研究[2]。

1.2 SBAS技術的基本原理和處理流程

SBAS技術是在傳統合成孔徑干涉雷達（InSAR）技術基礎上改進而來。SBAS影像集合由長基線組成的相互獨立的合成孔徑雷達（SAR）影像連接組成，一些小集合存在于已有的SAR影像數據集中，小集合間的SAR影像基線較大，小集合內SAR影像基線較小。

所有SAR影像數據組合后，利用矩陣的奇異值分解（SVD）法將小基線集聯合起來求解，得到的形變圖在空間上更為連續，因為小基線集減小了地形對差分的影響，減弱了空間失相干性。利用SVD求最小范數意義上的最小二乘解，是SBAS的核心技術算法[3]。采用這種方法連接小基線提高了時間采樣率和空間分辨率，這是因為結合了穩定散射體的干涉相位信息后，提高了形變監測的可靠性[4]。SBAS處理流程如圖1所示。

圖1 SBAS處理流程圖

2 實驗研究

本文采用安徽省淮南市謝家集礦區的8景日本ALOS PALSAR衛星升軌數據及DEM數據，利用SBAS方法進行時間序列分析，獲取礦區的沉降序列圖。

謝家集礦區在東經 116°54′～ 117°01′與北緯32°32′～32°39′之間。區域地層發育基本齊全，但大部分地區被第四系沖積層覆蓋。根據形態特征不同，區域地貌分為4個類型：中部低山丘陵區，南部濱湖平原區，城鎮境內及周圍波狀平原區，河間平原區。丘陵占區域總面積的19.7%，自西北至東南綿亙于中部；天然湖泊在四周分布，鑲嵌其間的是塌陷區，水面占區域總面積的6%；平原洼地占區域總面積的74.3%。

2.1 實驗步驟

（1）生成連接圖：將數據集最小、最大空間基線設置為0和45（臨界基線的百分數），最小、最大時間基線設置為0和800（由于臨近兩景影像拍攝時間接近一年，故時間基線選取稍大一些）。

（2）定義研究區域：因研究區域原始SAR影像數據過大，需選取出重點研究區域進行干涉處理。選定的像素行列號范圍是西2400、東2750、北950、南1400，選好研究區域后，逐景影像比對發現所選正確。

（3）干涉工作流：根據第一步生成的SAR影像像對間的連接關系，對每對像對進行干涉工作流處理，處理過程有干涉圖生成及去平、自適應濾波、相干性生成、相位解纏，生成系列解纏之后的相位圖。所有干涉圖都與超級主影像進行了配準，為軌道精煉、重去平及SBAS反演做準備。干涉工作流之前需設置參數，經過多視處理確定方位向與距離向的最佳比為4∶3，此步驟用時大約3小時。處理完畢得到各個像對去平和濾波后的干涉圖、相干系數圖和解纏結果，依次查看，用連接圖編輯工具將相干性低的移除，得到最終連接圖。

（4）軌道精煉和重去平：估算和去除殘余的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道。除需要生成的輔助文件和研究區DEM外，還要選擇地面控制點，先目測選取相干性強、亮度高的點20～30個，再提出相干性差的點，進行下一步操作。

（5）SBAS反演Step1：這是SBAS反演的核心步驟，第一次估計位移速率和殘余地形，對合成的干涉圖去平，重新做相位解纏和精煉，生成更優化結果，用于下一步計算。Step1算出所有像對的形變和高程，形變包括日期、速度、加速度及其變化，高程包括校正值和新DEM。這一過程提供線性模型、無位移模型、二次方模型和三次方模型，其中線性模型最穩定，其他模型需要密集的連接圖及高相干性才能得到準確結果。

（6）SBAS反演Step2：核心是計算時間序列上的位移，在Step1得到的形變速率基礎上，進行定制的大氣濾波，估算和去除大氣相位，得到時間序列上的最終位移結果。通過大氣高通和低通估計大氣影響，最后每個時間都從測量的位移中減去這些大氣部分。

（7）地理編碼：對前面得到的結果進行地理編碼，像元大小設置為25m，其他為默認參數。

2.2 實驗結果分析與討論

通過對2011年1月至2018年2月間8景ALOSPALSAR數據進行SBAS處理，得到研究礦區的累計沉降量，如圖2所示。

研究區域內，十澗湖西路、堤壩整體處于下沉狀態，西張鐵路的西半段處于抬升狀態，東半段下沉嚴重。小井礦井、東方礦井及新二礦區處于不同程度的下降狀態。現研究十澗湖西路的沉降狀況，選取4個樣本點，樣本點的沉降時間序列圖如圖3所示。研究發現，近4年十澗湖西路一直處于下沉狀態，最大沉降量達到400mm/year，隨著時間的增加沉降速率逐漸減小。

圖2 累計沉降圖

圖3 十澗湖西路沉降時間序列圖

3 結語

過度開采礦產資源導致礦區地面沉降的現象日益頻發。運用SBAS技術對礦區地面沉降進行監測，能夠快速、準確地發現研究礦區的地面形變，為礦產資源的開采利用、地面沉降的預測及控制提供科學數據，為礦區的生產生活、交通道路和房屋建設提供合理指導。