基于D-InSAR的濟寧市采煤沉陷監(jiān)測與分析

姬宗皓，薄懷志，王東平，高彥生，宋炳忠

(1.濟寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟寧 272000；2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理與生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心，山東 濟寧 272100；3.山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧 272100；4.山東省地礦局采煤塌陷地綜合治理工程技術研究中心，山東 濟寧 272100)

0 引言

濟寧是魯西煤炭基地的重要組成部分，煤田面積3920km2，主要由兗州煤田、濟寧煤田、寧汶煤田、滕縣煤田、金鄉(xiāng)煤田、梁山煤田、巨野煤田組成，煤系地層主要為石炭-二疊紀月門溝群太原組和山西組[1]。經過幾十年高強度開采，濟寧出現了大面積的采煤沉陷。采煤沉陷造成嚴重的地質環(huán)境問題和社會問題，主要表現在：耕地保有量銳減、嚴重破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、引發(fā)諸多復雜社會問題、嚴重制約城市建設發(fā)展等[2-3]。查清濟寧市采煤沉陷現狀，對于采煤塌陷地監(jiān)測監(jiān)管意義重大[4]。與土地利用現狀變更不同，開采沉陷主要表現為垂向空間變化，大范圍監(jiān)測難度較大。目前對于單個開采工作面的沉陷監(jiān)測多使用傳統(tǒng)的測量方法，即布設沉陷監(jiān)測點，使用水準儀或GNSS-RTK定期監(jiān)測沉陷情況[5]。該方法測量精度較高，但觀測周期長、費用高、觀測點離散分布難以反映大范圍全面形變情況和連續(xù)形變規(guī)律。秦曉敏等[6]提出利用多時相DEM數據高程變化、結合高分辨率遙感影像、礦區(qū)開采資料提取開采沉陷范圍的方法，但精度較低，難以監(jiān)測沉陷量小于0.5m的塌陷地。

D-InSAR技術具有全天候、大范圍、精度高等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，已經在地面沉降監(jiān)測、地質災害防治等領域得到了廣泛的應用[7-9]。將D-InSAR技術應用于濟寧市大范圍采煤沉陷區(qū)動態(tài)監(jiān)測，對開采沉陷監(jiān)管、治理規(guī)劃設計、政府決策等方面都具有重要意義。RADARSAT-2是一顆搭載C波段傳感器的高分辨率商用雷達衛(wèi)星，由加拿大太空署與MDA公司合作，于2007年12月14日在哈薩克斯坦拜科努爾基地發(fā)射升空。該文使用RADARSAT-2的數據產品SLC(單視復型數據)，研究了D-InSAR技術在濟寧市大范圍采煤沉陷區(qū)監(jiān)測及其時序變化特征分析中的應用。

1 D-InSAR采煤沉陷監(jiān)測的原理

D-InSAR技術是由InSAR技術發(fā)展而來的，它是以合成孔徑雷達復數圖像的相位信息獲取地表變化信息的技術。根據成像時間分類，InSAR可以分為單次軌道和重復軌道2種模式。單次軌道干涉是指在同一機載或星載平臺上裝載兩幅天線，其中一幅天線發(fā)射信號，兩幅天線都接受地面回波信號，并利用獲取的數據進行干涉處理。重復軌道干涉是指同一傳感器或相似傳感器按照平行軌道2次對地成像，分別發(fā)、收信號，利用得到的數據進行干涉處理。目前，常用的D-InSAR地表形變監(jiān)測通常為星載單天線重復軌道模式。

1.1 InSAR測量原理

假設雷達傳感器S1、S2在不同時間、兩次相互平行地對同一區(qū)域重復觀測，生成兩幅影像(主影像、從影像)，S1、S2的距離為空間基線，按雷達信號入射方向，基線B可投影為平行分量和垂直分量，θ為雷達側視角，α為空間基線水平傾角，傳感器S1到地面分辨單元P的斜距為r，與S2到該點的斜距差為Δr，如圖1所示。P在主(從)影像上的灰度、相位值可表示為：

主影像和從影像經配準后共軛相乘生成干涉圖，該分辨單元的干涉相位值為：

ψ=arctan(u1·u2*)=ψ1-ψ2ψ∈[-π,π]

SAR系統(tǒng)觀測值ψi(i=1,2)與雷達波至地面單元的距離有關，同時受地面分辨單元散射特性的影響。假定2次成像時的地表散射特性相同，則干涉相位可表示為：

圖1 InSAR幾何示意圖

1.2 D-InSAR沉陷監(jiān)測基本原理

如圖2所示，兩次成像期間地表像元P由于地下開采發(fā)生了沉陷ΔH,且沉陷量在雷達視線方向上的形變分量為Δd，為了獲取形變相位，需將地形相位從干涉相位中去除，采用外部DEM差分之前先地理編碼至雷達坐標系，與SAR影像精密配準，其模擬的地形相位[10-12]：

從干涉相位中去除模擬地形相位后，忽略大氣延遲及噪聲誤差，得到形變相位：

當形變相位變化2π時，對應P的形變?yōu)椋?/p>

d2π為形變模糊度，與SAR成像波長有關。獲取P點在雷達視線方向上的形變分量Δd后，即可根據ΔH與Δd的幾何關系計算得到P點的沉陷量ΔH。

圖2 D-InSAR幾何示意圖

2 采煤沉陷區(qū)范圍的提取

2.1 InSAR數據的選擇

根據開采沉陷的特點，綜合考慮存檔數據的覆蓋情況、時間序列完整性、空間基線等因素，結合濟寧煤炭開采范圍，選取15期RADARSAT-2 Wide模式數據進行開采沉陷監(jiān)測，詳細數據參數見表1[13-14]。

表1 數據獲取參數

2.2 數據處理流程

根據以往InSAR數據處理的經驗，采用D-InSAR多基線累積結果作為濟寧采煤沉陷的形變監(jiān)測結果。多基線干涉相位累積疊加方法以兩軌差分為基礎，選取相鄰影像組合干涉對，即前一個干涉對的輔影像為后一個干涉對的主影像，組成首尾相連的干涉對組合，對每一個干涉對采用兩軌法進行處理得到解纏相位，將各個干涉對的解纏相位連續(xù)累加并轉化為形變量，由此求取的形變即是對應觀測時段內的累積形變量。該方法利用一系列解纏的差分干涉圖，通過累積的方法得到相應的形變量。處理時對獨立干涉像對大氣相位進行了平均，達到抑制大氣噪聲的目的。

D-InSAR數據處理主要包括主輔影像預處理、影像配準及重采樣、干涉圖生成、基線估計、地形相位差分、差分圖濾波、相位解纏、地理編碼等內容[15-16]。

由于采用SAR數據為C波段成像，時間去相干比較嚴重，為保證干涉的質量，對滿足時間基線小于200天，空間垂直基線小于300m的34個干涉對進行干涉、地形相位差分、濾波、解纏等批處理。所選干涉對的時間、空間垂直基線見表2。

表2 干涉對的時間、空間垂直基線數據

為減小SAR成像系統(tǒng)噪聲，在基于強度的SAR影像配準過程對距離向、方位向進行1∶5多視，以20140617為主影像進行影像配準，采用強度互相關的多級匹配方法，距離向及方位向配準精度均在0.05像元以內，滿足干涉要求。主輔影像重采樣后進行干涉處理，得到相干圖。采用分辨率30m的SRTM1 DEM，結合衛(wèi)星星歷數據、成像幾何參數等與主影像強度圖進行精配準、重采樣，配準精度優(yōu)于0.1像元(距離向0.06，方位向0.08)，由精配準并編碼至SAR坐標系的高程進行地形相位模擬，并從原始干涉圖中去除地形相位，得到差分干涉圖，如圖3所示[17]。

圖3 34個干涉對對應的差分干涉圖

經解纏處理恢復真實的差分相位。解纏參考點位于穩(wěn)定區(qū)域，采用相干性閾值0.3～0.4對低相干區(qū)域掩膜后使用最小費用流法整塊解纏得到初始解纏相位圖。解纏前只對少數幾個差分圖利用條紋頻率法進行基線估計，可以看出大部分解纏相位中含有軌道殘余相位，除此還存在幾處解纏誤差，由局部相干性過低造成；采用二次曲面擬合的方法去除軌道殘余相位，并對地表水汽相位采用高程相關的線性模型進行擬合，最后采用最鄰近插值法對掩膜區(qū)的解纏斷裂進行空間插值，得到最終解纏相位，如圖4所示。

圖4 34個干涉對對應的最終解纏圖

2.3 結果分析

采用多基線累積疊加結果作為該次礦區(qū)沉陷的InSAR監(jiān)測結果。根據多基線累積疊加方法相關分析，利用未插值累積疊加結果用于提取超過InSAR形變監(jiān)測能力的“空值區(qū)”，“空值區(qū)”包含在5cm范圍線內；利用插值累積疊加結果提取塌陷5cm范圍線。同時，結合現場調查、礦山采掘工程平面圖、概率積分法沉陷預測確定塌陷地范圍[18](圖5)。圖中黑色多邊形區(qū)域為礦區(qū)范圍線，在礦區(qū)范圍內監(jiān)測到多個采空區(qū)的塌陷活動，采空區(qū)塌陷在空間上表現為漏斗形狀，與礦區(qū)開采引起的地表塌陷空間特征符合的較好。

圖5 基于累積形變提取的塌陷5cm范圍線

2.4 精度分析

為了驗證D-InSAR開采沉陷監(jiān)測的可靠性，選取了某煤礦巖移觀測數據與D-InSAR監(jiān)測數據進行對比。為了真實反映D-InSAR精度，需保證InSAR數據獲取時間與巖移觀測時間基本一致，共選取4期數據、150個巖移觀測點進行對比，結果見表3、圖6。

表3 D-InSAR精度檢核

圖6 精度檢核較差范圍圖

3 采煤沉陷區(qū)時序變化特征

多基線累積疊加在得到礦區(qū)總體形變信息的同時，也可很好地反映礦區(qū)形變發(fā)生過程[19]。以花園煤礦為例，分析礦區(qū)地面沉陷時序變化情況。該處相干性較好，沉降特征明顯，并且沉降中心較為連續(xù)。區(qū)域累積沉陷結果見圖7。

圖7 區(qū)域累積沉陷結果圖

分析其沉陷過程，2013年4月—6月間礦區(qū)形變較為穩(wěn)定；2013年6月—9月出現形變加劇的趨勢；2013年9月—2014年6月間形變較為平穩(wěn)；2014年6月—9月間形變進一步加劇；2014年9月—2015年5月間形變平穩(wěn)；2015年5月—10月，形變趨勢進一步加劇，沉陷呈現為非線性逐步增大的過程。結合地質采礦及工作面布設情況，經分析，A1點周期性間隔沉陷主要是受到臨近工作面開采沉陷影響。A1點沉陷時序變化曲線見圖8、區(qū)域沉陷時序變化見圖9。

圖8 A1形變結果時序變化曲線圖

圖9 區(qū)域沉陷時序變化圖

4 結論

該文闡述分析了使用15期RADARSAT-2 Wide模式數據，采用D-InSAR技術進行濟寧市大范圍采煤沉陷監(jiān)測的方法和流程，得出如下結論：

(1)D-InSAR技術可以精確地提取出采煤沉陷區(qū)范圍(5cm下沉線)，結合現場調查和概率積分法沉陷預測，得到了濟寧市采煤沉陷現狀，為采煤塌陷地監(jiān)測監(jiān)管、治理規(guī)劃提供基礎數據。

(2)多基線累積疊加在得到最終沉陷結果的同時，也能較好地反映礦區(qū)形變的發(fā)生過程，全面反映礦區(qū)沉陷形態(tài)，可廣泛應用于沉陷監(jiān)測、概率積分法參數反演等工作中。

(3)InSAR可以實現大范圍、高精度的開采沉陷監(jiān)測，節(jié)省大量人力物力；歷史存檔數據豐富，可應用于老采空區(qū)殘余變形監(jiān)測、穩(wěn)定性評價等工作中[20]。