基于時序InSAR技術的尾礦庫壩體變形監(jiān)測方法

摘 要：傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法在實時性和空間分辨率上具有局限性，因此，本文基于時序InSAR技術，對露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測方法進行研究。首先，準備并選擇覆蓋監(jiān)測區(qū)域的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)（例如DEM）。其次，對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，生成干涉圖并進行相位解纏，以恢復連續(xù)的相位場。再次，進行大氣效應校正，減少大氣延遲的影響。最后，通過時間序列分析提取地表變形信息，識別變形模式和趨勢，并對變形結(jié)果進行分析和可視化，生成變形圖。試驗結(jié)果表明，本文方法的監(jiān)測準確性更高，可以為工程管理和維護決策提供科學依據(jù)。

關鍵詞：時序InSAR技術；露天礦坑；尾礦庫壩體；變形監(jiān)測；時間序列

中圖分類號：TD 16" 文獻標志碼：A

尾礦庫壩體作為儲存礦山廢棄物的關鍵設施，其穩(wěn)定性直接影響周邊環(huán)境和居民的安全。因此，對壩體變形進行實時、精確監(jiān)測，對預防潛在的災害事件具有至關重要的意義。

在露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測的研究中，學者們提出了多種創(chuàng)新方法。例如，有研究學者基于布里淵光時域反射（BOTDR）分布式光纖傳感技術，設計光纖軸向應變與水平變形的轉(zhuǎn)化方法，根據(jù)煤柱變形破壞規(guī)律修正了應變系數(shù)，對變形進行實時監(jiān)測[1]。還有研究學者針對混凝土壩變形監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大的問題進行研究，根據(jù)關聯(lián)規(guī)則量化變形序列與水位序列的關聯(lián)性，利用DBSCAN聚類算法對異常數(shù)據(jù)進行識別，結(jié)合改進小波神經(jīng)網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，對混凝土壩變形進行監(jiān)測[2]。但是結(jié)合多種方法使整個算法復雜度較高，因此當處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集時可能導致數(shù)據(jù)處理速度較慢。山區(qū)破碎圍巖隧道支護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測方法適應性強[3]，能夠有效評估結(jié)構(gòu)安全，但在惡劣環(huán)境下的設備維護和數(shù)據(jù)采集則是一個難題。基于相機組網(wǎng)測量的大型結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術[4]，以其非接觸測量和高精度特性受到關注，但光照條件和復雜的數(shù)據(jù)處理要求是其應用中的考量因素。因此，需要根據(jù)具體的監(jiān)測目標和環(huán)境條件，選擇或結(jié)合不同的技術構(gòu)建一個高效、可靠的壩體變形監(jiān)測系統(tǒng)。

時序干涉合成孔徑雷達（InSAR）技術作為一種新興的遙感監(jiān)測手段，以其高空間分辨率、大范圍覆蓋和能夠監(jiān)測微小變形的能力，為尾礦庫壩體變形監(jiān)測提供了新的解決方案。該技術通過分析多時相SAR影像之間的相位差，能夠精確地提取地表形變信息，對壩體變形趨勢進行長期監(jiān)測，以期提高壩體監(jiān)測的效率和準確性，達到礦山生產(chǎn)安全、環(huán)境保護的雙重目標[5]。

1 時序InSAR技術原理

時序InSAR技術的原理是基于合成孔徑雷達（SAR）影像進行干涉測量，通過分析時間序列上的多幅SAR影像之間的相位差來提取地表形變信息[6]，其核心是利用干涉圖（Interferogram）中的相位信息，該相位信息包括地形高度和地表形變的信息。可通過地形相位、形變相位、大氣延遲相位、噪聲相位之和得出干涉圖中的相位。

為了從干涉圖中提取地表形變信息，需要進行以下步驟。

地形相位去除：使用數(shù)字高程模型（DEM）來估計和去除地形相位，如公式（1）所示。

（1）

式中： λ為雷達波長； θ為入射角；" Δh為地形高度差。

相位解纏：由于干涉圖中的相位在[-π，π]中，因此需要利用相位解纏算法恢復連續(xù)的相位場。

大氣效應校正：利用統(tǒng)計方法來估計和去除大氣延遲相位?atm。

時間序列分析：對解纏后的相位數(shù)據(jù)進行時間序列分析，以提取形變速率。可以利用公式（2）計算形變速率v。

（2）

式中：Δ?def為形變相位的變化量；Δt為時間間隔。

通過上述步驟，時序InSAR技術能夠提供高精度的地表形變監(jiān)測，為露天礦坑尾礦庫壩體的安全評估提供重要數(shù)據(jù)支持。

2 露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測需求分析

尾礦庫壩體作為儲存礦山廢棄物的關鍵設施，其穩(wěn)定性直接關系到周邊環(huán)境和居民的安全。壩體變形可能是多種因素作用的結(jié)果，例如地質(zhì)條件、水文條件、壩體結(jié)構(gòu)等。尾礦庫一旦發(fā)生潰壩或滑坡等災害性事件，將對周邊環(huán)境和居民安全造成嚴重威脅。因此通過實時監(jiān)測壩體變形，可以及時發(fā)現(xiàn)并預警潛在的安全隱患，采取有效措施進行防范和應對，從而保護周邊環(huán)境和居民的安全。因此，對壩體變形進行監(jiān)測是預防此類災害的必要手段。通過實時監(jiān)測壩體變形，礦山企業(yè)可以及時了解壩體的安全狀況，發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應的措施進行修復和改進，有助于提高礦山企業(yè)的安全管理水平，降低事故發(fā)生的概率。

由于隨時可能發(fā)生壩體變形，因此監(jiān)測系統(tǒng)必須具備實時或近實時的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，以保證及時發(fā)現(xiàn)并應對潛在的安全風險[7]。高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)對準確評估壩體安全狀態(tài)至關重要，而連續(xù)的監(jiān)測則有助于分析變形的長期趨勢和模式。尾礦庫壩體的大面積特性要求監(jiān)測系統(tǒng)具備廣泛的覆蓋能力，同時，系統(tǒng)還須具備抗惡劣天氣和電磁干擾的能力。然后，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件和可視化手段，可以有效處理和直觀展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程管理人員提供決策支持。時序InSAR技術因其高精度、大范圍覆蓋和抗干擾等特性，可以滿足這些復雜需求，為壩體變形監(jiān)測提供了可靠的技術保障。

3 露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測方法

3.1 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集及預處理

采集SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)是露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測的基礎環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集階段，需要考慮衛(wèi)星的軌道參數(shù)、成像模式以及數(shù)據(jù)獲取頻率等因素。軌道參數(shù)包括衛(wèi)星的高度、傾角和重復周期，這些參數(shù)決定了衛(wèi)星對地觀測的幾何關系和時間覆蓋能力。通常由衛(wèi)星的時間分辨率決定數(shù)據(jù)獲取頻率，即衛(wèi)星重復觀測同一地點的時間間隔，這對監(jiān)測壩體的動態(tài)變化至關重要。

在獲取SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，預處理是必不可少的步驟。預處理包括以下幾個關鍵環(huán)節(jié)。1）輻射校正：將原始SAR影像的灰度值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)，以消除傳感器增益和大氣影響。在線性變換的情況下，通常是利用一個校正公式或查找表將灰度值和散射系數(shù)進行轉(zhuǎn)換。這個公式或查找表會考慮傳感器增益、系統(tǒng)噪聲等因素，并嘗試消除它們對灰度值的影響。2）幾何校正：將SAR影像輸入地理編碼的坐標系統(tǒng)中，以消除衛(wèi)星姿態(tài)、地球自轉(zhuǎn)和地形起伏等因素引起的幾何畸變。幾何校正涉及復雜的坐標變換，通常需要地面控制點和數(shù)字高程模型（DEM）的支持。3）地形相位去除：在干涉SAR處理中，地形相位是地形起伏引起的相位差，需要通過DEM對其進行去除，以提取由地表形變引起的相位變化。

通過這些預處理步驟，可以把SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適用于變形監(jiān)測的干涉相位數(shù)據(jù)，為后續(xù)的時序InSAR分析奠定基礎。

3.2 實現(xiàn)露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測

在露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測中，特征提取是識別和量化壩體變形的關鍵步驟。通過SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，特別是利用時序InSAR技術，可以提取壩體的形變量、形變速率和形變趨勢等關鍵特征。通過相位解纏（Phase Unwrapping）過程，將纏繞的相位轉(zhuǎn)換為連續(xù)的相位值。可以用公式（3）計算形變量G與干涉相位Δ?def之間的關系。

（3）

形變速率的提取則涉及對時間序列數(shù)據(jù)的分析，計算形變速率ΔG如公式（4）所示。

（4）

式中：Gt1和Gt2分別為在時間t1和t2測得的形變量。

形變趨勢提取通常需要對多個時間點的形變數(shù)據(jù)進行擬合，使用線性回歸分析，得到形變隨時間的變化趨勢。線性回歸的計算過程如公式（5）所示。

Δh（t）=ΔG?t+b " " " " （5）

式中：t為形變速率；b為初始形變量。

通過這些特征提取方法，可以有效地識別壩體的變形模式，為壩體安全評估和維護決策提供重要依據(jù)。

4 監(jiān)測試驗

4.1 數(shù)據(jù)來源

為了驗證本文方法的可行性，選取某露天礦坑尾礦庫壩體作為研究對象，該壩體采用上游式結(jié)構(gòu)，主壩高達120m，庫容約2000萬m3，設計服務年限30年。壩體以當?shù)厣暗[石和黏土為材料，通過分層碾壓法施工，輔以多個副壩控制尾礦流動。工程配備有排水溝、排水管和滲流控制設施，保證水位控制。監(jiān)測系統(tǒng)包括GPS位移監(jiān)測站、滲壓計等，實時監(jiān)控壩體狀況。在環(huán)境保護方面，有防滲帷幕和植被覆蓋，廢水處理設施可以保證排放合規(guī)。在安全管理方面，制定了安全制度和應急預案，保證遵守《尾礦庫安全技術規(guī)程》和環(huán)保法規(guī)。

本文所選擇的數(shù)據(jù)時間跨度為2019年4月30日—2019年7月15日。衛(wèi)星采用IW掃描模式、距離向和方位向像元大小分別為2.33m、13.96m，且具有12天的訪問周期，在一定程度上有利于減少時間基線對監(jiān)測結(jié)果的影響。本文選取位于監(jiān)測時間段內(nèi)中間的SAR影像為主影像，其余影像與該影像形成干涉對。

4.2 變形監(jiān)測準確性

在壩體布設50個監(jiān)測點，分別將其標記為B1～B50，變形監(jiān)測內(nèi)容分為水平位移監(jiān)測和豎向位移監(jiān)測兩部分，隨機抽取10個監(jiān)測點作為檢驗點位，并利用人工復核變形值對本文研究時序InSAR技術的監(jiān)測方法進行驗證。

時序InSAR技術利用長時間序列的SAR影像，通過相位解纏這個核心步驟，將原本因地表形變產(chǎn)生的纏繞相位轉(zhuǎn)換為連續(xù)、無模糊的相位值。為了獲取壩體的形變速率，時序InSAR技術需要對時間序列數(shù)據(jù)進行深入分析。通過計算相鄰影像之間形變量的差值Gt2-Gt1，并除以相應的時間間隔t2-t1，即可得到形變速率ΔG。形變速率提取揭示了壩體變形的速度，反映了變形的長期趨勢。

監(jiān)測點與人工復核監(jiān)測結(jié)果對比見表1。

通過表1可知，針對隨機抽取的10個監(jiān)測點進行變形監(jiān)測過程中，時序InSAR技術監(jiān)測變形值與人工復核變形值差距較小，誤差為-0.3mm～+0.2mm，不超過±0.3mm，說明本文研究的時序InSAR技術監(jiān)測方法對露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測結(jié)果較為準確，應用效果較好。

4.3 對比試驗結(jié)果分析

為了進一步驗證本文方法的可行性，選取相對誤差作為試驗指標，分別采用本文方法、文獻[1]方法、文獻[2]方法對露天礦坑尾礦庫壩體變形進行監(jiān)測。相對誤差的計算過程如公式（6）所示。

（6）

式中：xα為預測值；xβ為實際值。

均方根誤差的計算過程如公式（7）所示。

（7）

3種方法的對比結(jié)果如圖1所示。

分析圖1所示的試驗數(shù)據(jù)可知，與傳統(tǒng)的露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測方法相比，本文研究方法具有較為明顯的優(yōu)勢。其中，文獻[1]方法監(jiān)測結(jié)果的相對誤差為0.95%～4.85%，相對誤差最高接近5%，文獻[2]方法監(jiān)測結(jié)果的相對誤差為0.69%～4.12%，最高相對誤差達到4%以上，而本文研究方法監(jiān)測結(jié)果的相對誤差為0.46%～0.59%，始終低于1%，相對誤差較小，表明監(jiān)測結(jié)果較為準確。本文方法采用了高精度的測量設備和算法，能夠捕捉微小的變形信號，這對早期發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患至關重要。此外，本文方法具有靈活性，能夠適應復雜多變的礦山環(huán)境，即使在惡劣的氣候條件下也能保持穩(wěn)定的監(jiān)測性能。綜上所述，本文研究的露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測技術不僅在技術層面上實現(xiàn)了突破，而且在實際應用中也展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，為礦山安全管理提供了強有力的技術支持。

為了進一步驗證本文方法的可行性，選取均方根誤差作為試驗指標，分別采用本文方法、文獻[1]方法、文獻[2]方法對露天礦坑尾礦庫壩體變形進行監(jiān)測，具體的對比結(jié)果如圖2所示。

對圖2進行分析，可以清晰地觀察到在露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測的效能評估中，本文提出的創(chuàng)新監(jiān)測方法在關鍵性能指標—均方根誤差（RMSE）上的應用效果，可以顯著超越傳統(tǒng)方法。均方根誤差作為一種廣泛應用于評估預測模型精度的統(tǒng)計量，量化了預測值與實際觀測值之間的平均偏差程度。在壩體變形監(jiān)測領域，RMSE減少說明監(jiān)測系統(tǒng)能夠更加精確地捕捉壩體的實際變形情況，降低了誤報和漏報的可能性，從而提高了監(jiān)測結(jié)果的可靠性和準確性。由圖2可以看出，文獻[1]方法監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差為1.87%～3.85%，均方根誤差最高接近4%，文獻[2]方法監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差為1.31%～4.91%，均方根誤差最高接近5%，而本文研究方法監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差為0.20%～0.65%，遠低于用對比方法監(jiān)測的數(shù)值，也始終低于1%。均方根誤差較小證明應用新方法能夠?qū)β短斓V坑尾礦庫壩體變形進行準確監(jiān)測，在實際應用中具有有效性和實用性。監(jiān)測準確性提高對及時發(fā)現(xiàn)壩體變形、預防潛在的安全事故具有重要意義，也為礦山安全管理提供了更為可靠的技術保障。綜上所述，本文提出的露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測方法在監(jiān)測關鍵性能指標方面性能優(yōu)越，為礦山工程的安全監(jiān)測領域帶來了新的發(fā)展方向和更高的標準。

5 結(jié)論

為了提高露天礦坑尾礦庫壩體安全監(jiān)測的準確性，本文利用時序InSAR技術對變形監(jiān)測方法進行研究。通過精心準備并選擇覆蓋監(jiān)測區(qū)域的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)（例如DEM），本方法在數(shù)據(jù)預處理階段進行了輻射校正、幾何校正和地形相位去除，保證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性，然后通過生成干涉圖、相位解纏和大氣效應校正，有效地消除了非形變因素的影響，提高了變形監(jiān)測的準確性。時間序列分析揭示了壩體的變形模式和趨勢，而變形結(jié)果的可視化則直觀地展示了監(jiān)測成果。試驗結(jié)果驗證了本文方法在監(jiān)測準確性上的顯著優(yōu)勢，為工程管理和維護決策提供了更為可靠的科學依據(jù)。經(jīng)過試驗驗證，時序InSAR技術監(jiān)測變形值與人工復核變形值差距較小，誤差不超過±0.3mm，與對比方法相比，本文研究方法監(jiān)測結(jié)果的相對誤差為0.46%～0.59%，均方根誤差為0.20%～0.65%，相對誤差與均方根誤差始終小于1%，說明應用本文研究的時序InSAR技術監(jiān)測方法監(jiān)測露天礦坑尾礦庫壩體變形的結(jié)果較為準確，應用效果較好。

通過本文研究，可以看出時序InSAR技術在露天礦坑尾礦庫壩體變形監(jiān)測中具有巨大的應用潛力，能夠為提升壩體安全管理水平提供強有力的技術支持。未來，隨著InSAR技術的不斷進步，結(jié)合其他監(jiān)測手段的綜合應用將進一步提高壩體變形監(jiān)測的能力，為礦山安全生產(chǎn)和環(huán)境保護提供更加堅實的保障。

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