基于時序InSAR技術的礦區形變監測與分析

陳志達，龐校光

（1.紹興市上虞區自然資源監測中心，浙江 紹興 312399；2.中國科學院精密測量科學與技術創新研究院 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；3.中國科學院大學，北京 100049）

InSAR技術是20世紀后期發展起來的衛星遙感新方法，可以獲取高精度地形和地表形變信息[1-2]。與常規地面水準測量、全球定位系統（GPS）、光學遙感等測繪手段相比，InSAR技術進行地面形變監測時優勢明顯[3-5]，且已在地表形變[6-8]、礦區[9-10]、滑坡[11]及地震形變[12]等研究與監測中得到了廣泛的應用。

礦區開采引起的地面沉降是非常復雜的過程，其危害十分嚴重，研究礦區塌陷具有重要的意義[13-14]。2011年，Jiang[15]等利用時序InSAR對礦區煤火引起的地表形變進行了監測，結果顯示時序InSAR技術對礦區煤火引起的地表形變具有可靠的應用潛力。2014年，Dong[16]等利用差分干涉測量短基線集時序分析技術（SBAS-InSAR）對淮南地下煤礦開采引起的地面沉降進行時空分析，證明了L波段InSAR可用于監測礦區地下開采活動引起的地面沉降。同年，Zhao[17]等通過InSAR技術對大同不同采礦沉降階段及時間演變進行分析，發現1992—2011年間約80%煤礦發生形變。2015年，LI[3]等對徐州礦區進行實驗，再次驗證了In-SAR技術用于礦區形變監測結果的可靠性。2019年，朱建軍[18]利用InSAR技術求取了煤礦開采沉陷的三維形變場，并進行了實驗模擬。

山西省大同市渾源縣煤炭資源豐富，從20世紀70年代以來，煤礦無序開采導致周邊地區大范圍地面沉降，嚴重破壞了周圍的生態環境，直接威脅著當地居民的生命及財產安全。為此，本文利用覆蓋大同市渾源縣46景SAR影像，采用時序InSAR技術進行分析處理，獲取了2007—2013年間渾源縣平均年形變速率結果和時序結果，并根據實地調查資料分析了地面沉降時空變化特征及其與采空區分布的關系。

1 研究區概況及實驗數據

1.1 研究區概況

渾源縣（39.67°～39.83°N、113.72°～113.92°E）地處黃土高原的邊緣地帶，位于山西省東北部大同盆地東南邊緣，東臨廣靈縣，南鄰繁峙縣，西毗應縣，北接云州區。渾源縣地處桑干河支流渾河中上游，全縣南北長57 km，東西寬約52 km，總面積1 968 km2。渾源縣地形復雜，東、南、北三面環山，境內起伏較大，海拔最高的臥羊場山主峰海拔2 333 m，最低的渾河西部河床海拔1 026 m，相對高差1 307 m。境內山脈較多，海拔均在2 000 m以上，山勢陡峭，溝壑縱橫[19]。

渾源縣礦產資源豐富，儲量大，包含煤炭、花崗巖、鐵礦等，已探明的煤礦儲量約17億t。自上世紀70年代以來，粗放式煤礦開采破壞了當地的生態環境，威脅著人民的生命財產安全[17,20]。本文選取整個渾源縣為研究區域，圖1為渾源縣概況及數據覆蓋情況。

圖1 研究區域和數據覆蓋情況

1.2 實驗數據

ALOS-1于2006-01-24發射升空，是日本新一代的對地觀測衛星。其攜帶的L波段SAR適用于地表破壞嚴重的煤礦開采區域，可有效提取渾源縣礦區地表形變范圍和形變量信息。RADARSAT-2是一顆搭載C波段傳感器的高分辨率商用雷達衛星，于2007-12-14發射升空，是RADARSAT-1的后續衛星，在新的圖像獲取能力及性能方面，有長足進展。該衛星具有最高1 m高分辨率成像能力，多種極化方式。

本文 獲取2007年6月—2011年1月36景ALOS PALSAR影 像 和2012年1月—2013年4月10景RADARSAT-2影像數據，以獲取渾源縣長期地表高程變化速率及時間序列。ALOS/PALSAR數據分辨率為10 m，入射角為34.3°。RADARSAT-2數據分辨率為30 m，入射角為21.25°。DEM數據采用NASA提供的SRTM，其空間分辨率為90 m，用以去除干涉對中的地形相位。此外，還搜集5大煤礦區域、99座小煤礦坐標以及煤礦的地質報告等煤礦開采資料，用于InSAR監測結果的驗證與分析。通過獲取渾源縣地面形變范圍和形變量信息，結合煤礦開采存檔、野外實地調查等輔助數據，進行相互驗證。

2 SBAS-InSAR數據處理

2.1 SBAS-InSAR基本原理

SBAS-InSAR方法原理是將D-InSAR形變結果作為觀測值，通過SVD方法將多個小基線集聯合進行最小二乘解求解，獲得的形變時間序列可有效反演出地表形變范圍和形變量信息。對某一區域不同時間獲取N+1幅SAR影像，選擇主影像后將其他影像配準至主影像，為避免時空失相干造成觀測誤差及影響監測結果可靠性，設置時空基線閾值以保證干涉對的有效性，后利用外部DEM去除參考橢球相位與地形相位，對形變相位進行解纏及地理編碼得到地理坐標系下研究區域形變結果[1-2,21]。兩景SAR影像干涉相位可用φint表示為：

式中，φflat為參考橢球相位；φtopo為地形相位；φatm為大氣延遲相位；φorbit為軌道誤差；φnoise為噪聲相位；φdef為地表形變相位。對去除各項誤差后的差分干涉對地表形變相位進行解纏后，可獲取視線向的位移量研究區域各像元形變量。

2.2 數據處理

本文對ALOS/PALSAR與RADARSAT-2影像數據分別處理，干涉對主輔SAR數據精配準精度均控制在0.1個像元內，空間基線均為最大基線的45%，最大基線分別為1 984.26 m和-271.49 m，時間基線分別為365 d和180 d，最終分別生成70和24個干涉對。對各干涉對分別進行精密軌道數據優化空間基線，消除軌道誤差，去除地平效應，利用外部SRTM-DEM去除地形相位，干涉圖濾波，相位解纏，消除大氣相位延遲等處理得到地表形變相位，對獲取的形變干涉圖采用多基線方法獲取時間序列[22-23]，流程圖如圖2所示。

圖2 SBAS-InSAR方法流程

3 結果與討論

3.1 地表形變結果

利用覆蓋渾源縣的ALOS/PALSAR和RADARSAT-2衛星雷達遙感數據，采用SBAS-InSAR技術獲取了渾源縣地表形變結果，包括渾源縣年均形變速率與重點區域的累積形變量。根據InSAR地表形變結果，結合99座小煤礦范圍、5大煤礦位置和野外地面調查資料，圈定了49個采空區分布范圍，如圖3所示。針對49個采空區獲取了采空區歷年累計區域平均形變量統計結果，其時序形變過程如圖4所示。

圖4 渾源縣49個形變區域中心2007-2013年間時序結果

從時序圖上可知各采空區7 a間地表高程持續下降，最大累計形變達-211.21 cm。其中15、17、18、19、20等區域平均形變量在2010年前后發生了劇烈變化，從圖3可知，5個區域位于黃花灘鄉-大磁窯鎮-青瓷窯鄉交界處，屬渾源縣東部沉降群。上述5個區域自2010年后煤礦開采規模與速度均有所加劇，其中20號區域平均形變量為當年渾源縣最為嚴重區域。2012年地面沉降進一步加劇，區域平均沉降量超過-50 cm的有3個區域，分別為20號的-62.01 cm、36號的-60.34 cm、41號的-56.32 cm。2013年平均沉降量超過50 cm的區域為13號和20號，其值分別為-53.33 cm、-52.45 cm。

圖3 渾源縣年均沉陷速率及沉陷區分布范圍

為驗證InSAR監測結果的可靠性，結合實地調查結果與煤礦開采記錄資料等輔助數據對結果進行驗證。實地調查了沙圪坨鎮西坪村、大仁莊鄉吳家圪坨村、蔡村鎮白道村、青磁窯鄉青磁窯村，如圖5所示，結合形變時間序列結果可知7 a間累計形變量分別達-90.0 cm、-141.22 cm、-125.51 cm、-75.77 cm。受煤礦開采影響，煤礦區域周圍居民遭遇不同程度的地面沉降危害，村莊房屋建筑出現不同程度受損情況。

圖5 部分村莊房屋損毀情況

3.2 采空區形變分布特征

從圖3可知，渾源縣7 a間在東部、北部、西北部分別形成了三大沉降漏斗群，其中東部范圍最廣，包括大磁窯鎮-黃花灘鄉-青瓷窯鄉北部-千佛嶺鄉北部-大仁莊鄉中部等廣闊區域，該區域分布著果子園、古瓷窯、白莊等眾多煤礦。對各區域時序形變結果中歷年不同形變量比例進行統計得到圖6，從圖中可知，隨著時間變化，渾源縣49個區域中歷年形變量大的比重不斷增加。2007—2013年間，沉降量＞-10 cm的區域從75.5%下降至2%，年沉降量超過-50 cm區域從無到有，其中2012年共3個，占6.1%；2013年2個，占4.1%。但從2007年看形變量較2008年大，分析其原因可能是當年數據從2007年6月起，僅半年數據，獲取的形變量受季節性變化影響較大，難以準確反映出全年的形變規律；2013年最大沉降值較2012年更小，可能有兩個原因，一是2013年采用的數據不足半年，由于數據量不足及季節性影響可能無法完整反映出渾源縣2013年形變結果；另一個原因是2012年政府對煤礦開采加以控制，地面形變情況在2013年得到改善，針對原因不確定性，后續采用完整數據驗證具體影響因素。

圖6 渾源縣歷年不同形變量所占比例

根據時序InSAR結果可知渾源縣地表形變在空間上呈散點式漏斗形狀，面積小而多，均呈持續下沉狀態。結合時序InSAR結果獲取了渾源縣采空區中心隨時間變化的空間演變結果（圖7）。從圖上可知渾源縣北部與西部在2007—2013年間中心形變發生明顯形變，其中部分采空區中心形變具有明顯階段性特征，以北部41號采空區為例，該區形變以2011年為分界線；2007—2011年間呈穩步線性趨勢變化，發生突然加速。渾源縣東部在2007—2010年間采空區中心形變較為平穩，無明顯突變，但2011—2013年該區域地表形變異常，通過與時序結果對比發現在2010年后地表發生明顯變化的15、17、18、19、20號采空區均位于東部漏斗群，7 a間最大累計形變超過-2.3 m。

圖7 渾源縣采空區中心歷年累計變化量

2007—2013年間，渾源縣三大沉降漏斗群均出現不同程度形變。在時間緯度，49個采空區均呈持續的、大量級的形變，最大累計沉降超過-2.3 m；在空間緯度，采空區分布于11個鄉鎮，其中以東部的黃花灘鄉、大磁窯鎮、青瓷窯鄉、千佛嶺鄉、大仁莊鄉最為嚴重。7 a間渾源縣地面沉降無論從沉降量級還是沉降范圍均發生了巨大的變化。

3.3 討論

為分析時序InSAR監測結果可靠性，本文搜集了渾源縣采煤沉陷區村莊治理、大同市原煤產量與渾源縣煤炭銷量[24]等資料。首先對涉及采煤沉陷區治理的村莊分析，發現村莊主要分布在大仁莊鄉、大磁窯鎮、東坊城鄉、黃花灘鄉、青瓷窯鄉、千佛嶺鄉、蔡村鎮、沙圪坨鎮等鄉鎮，分布于渾源縣東部、北部、西北部，其空間分布上與根據時序InSAR結果圈定的49個采空區空間位置分布相一致。說明煤礦開采是渾源縣出現形變漏斗的主要原因。

此外，通過對大同市原煤產量與渾源縣煤炭銷量進行分析發現，自2008年起，當地煤礦開采呈現爆炸式增長。大同市原煤銷量從2007年的7 394萬t增長至2010年的9 403萬t，2015年達122 59萬t；渾源縣煤炭銷量從2008年的15.46萬t，增長至2011年1 060萬t，年均增長幅度達309%。當地煤礦的產量與銷量變化情況與部分采空區形變量在2010年前后發生突變趨勢相吻合（圖8）。經調查發現，自2008年起，煤炭價格飛速上漲，煤礦開采日益嚴重，尤其開采難度較低的露天煤礦已初具規模，使得多數區域年形變量開始呈指數加速增長狀態。

圖8 大同市原煤產量與渾源縣煤炭銷量及沉降中心年均形變時序圖

4 結論

本文分析了2007年6月—2011年1月36景ALOS PALSAR影像和2012年1月—2013年4月10景RADARSAT-2影像數據，獲取了渾源地區地表形變速率結果和時序形變結果。通過對結果分析可知：

1）根據時序InSAR地表形變結果，結合99座小煤礦范圍、5大煤礦位置和野外地面調查資料，圈定49個采空區范圍及各采空區歷年累計區域平均形變量統計結果。7 a間渾源縣地表呈持續虧損狀態，累計形變量不斷加劇，且在部分區域2010年后形變呈突然加劇狀態。

2）2007—2013年間，渾源縣出現嚴重的地表形變，在東部、北部、西北部分別形成了三大沉降漏斗群，其中范圍最廣的東部區域分布著果子園、古瓷窯、白莊等眾多煤礦。隨著時間推移，渾源縣49個區域中歷年形變量大的比重不斷增加，沉降量級與沉降范圍均呈惡化趨勢。

3）根據時序InSAR結果圈定的形變區空間分布與采煤沉陷區開采量一致性較高，表明煤礦開采是造成地表沉陷加劇的主要原因。