差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

余景波,劉國林,曹振坦

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266510)

0 引 言

采礦引起的地面沉降和塌陷是煤礦開采地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的一種破壞性災(zāi)難,這不僅僅是個環(huán)境問題,而且會影響到煤礦附近地區(qū)社會和諧與可持續(xù)發(fā)展[1]。因此,有必要利用先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制礦區(qū)地表沉降引起的破壞,從而保證礦區(qū)及礦區(qū)附近地區(qū)的安全和穩(wěn)定發(fā)展。以InSAR技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測,是國內(nèi)外研究的熱點之一。Gabriel等[2]首次論證了差分干涉測量技術(shù)可用于探測厘米級的地表形變。Wegm等[3]利用DInSAR對德國 Ruhrgebiet地區(qū)地面沉降進(jìn)行研究,獲取了因采礦而導(dǎo)致的地表沉降信息。Ge等[4]將GPS和InSAR技術(shù)結(jié)合在一起進(jìn)行礦區(qū)地表形變測量,準(zhǔn)確獲取了澳大利亞Appin地區(qū)煤礦開采造成的地面沉降信息。吳立新等[5]利用多時相D-InSAR結(jié)合角反射器方法進(jìn)行了工礦區(qū)地表沉降監(jiān)測。

采用雙軌法和三軌法兩種差分干涉測量方法對6景覆蓋濟(jì)寧某礦區(qū)的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理,并對實驗處理結(jié)果進(jìn)行討論和分析。

1 基本原理

1.1 InSAR及差分干涉測量(D-InSAR)的基本原理

InSAR技術(shù)是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源獲取地表三維信息和變化信息的一項技術(shù),其基本思想是:利用兩副天線同時成像或一副天線相隔一定時間重復(fù)成像,獲取同一區(qū)域的復(fù)雷達(dá)圖像對,由于兩副天線與地面某一目標(biāo)之間的距離不等,形成干涉圖,干涉圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值,根據(jù)兩次成像的相位差與地面目標(biāo)的三維空間位置之間存在的幾何關(guān)系,利用飛行軌道的參數(shù),即可測定地面目標(biāo)的三維坐標(biāo),它可以用來提供大范圍的高精度數(shù)字高程模型(DEM),并用于探測地表形變[6]。

差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)是以雷達(dá)干涉測量為出發(fā)點,通過星載或機(jī)載的雷達(dá)天線(單天線或雙天線)主動向地面目標(biāo)發(fā)射電磁波,并接收地面目標(biāo)的后向散射回波,同時記錄各自回波的相位信息。由于在所獲取的相位信息中,含有大氣延遲、軌道誤差、平地效應(yīng)、地形起伏、目標(biāo)兩次成像過程中的微小形變及噪聲信息,因此,D-InSAR的處理過程就是通過外部DEM(“雙軌法”)或其它干涉影像對獲取的相位(“三軌法”或“四軌法”)進(jìn)行差分處理,以便去除無用相位信息而獲取形變相位的一個過程[7]。

1.2 雙軌法和三軌法數(shù)據(jù)處理流程

差分干涉測量數(shù)據(jù)處理,經(jīng)過配準(zhǔn)、重采樣、濾波、平地效應(yīng)消除、干涉條紋濾波和相位解纏,相高轉(zhuǎn)換,得到差分干涉圖、增強(qiáng)干涉圖、相干圖、以及地面形變圖,通過進(jìn)一步后處理得到地面沉降分布圖。InSAR數(shù)據(jù)處理的基本流程如圖1所示[8]:

圖1 InSAR數(shù)據(jù)處理基本流程

雙軌法是Massonnet等[9]提出的,該方法是利用監(jiān)測區(qū)域地表變化前后兩幅影像生成干涉紋圖,再利用事先獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬紋圖,從干涉紋圖中去除地形信息以得到地表變化信息。無需進(jìn)行相位解纏,處理工作量少是該方法的優(yōu)點。但是,對于無DEM 數(shù)據(jù)的地區(qū),無法使用該方法,同時引入DEM數(shù)據(jù)的同時有可能帶入新誤差,這些是該方法的缺點。雙軌法數(shù)據(jù)處理基本流程如圖2所示:

圖2 雙軌法差分干涉數(shù)據(jù)處理流程

三軌法是Zebker等[10]人提出的一種數(shù)據(jù)處理方法,該方法利用三幅影像生成兩幅干涉紋圖,一副作為地形干涉對反映地形信息,另一幅作為形變干涉對反映地表形變信息,進(jìn)行平地效應(yīng)消除后,分別進(jìn)行相位解纏,最后利用差分干涉原理計算得到地形信息。三軌法的主要優(yōu)點是無需地面信息、數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn)比較容易實現(xiàn);其主要缺點是相位解纏質(zhì)量的好壞將對最終結(jié)果產(chǎn)生影響,但在相干性較高地區(qū)可以獲得較好的結(jié)果。三軌法數(shù)據(jù)處理的基本流程如圖3所示。

圖3 三軌法差分?jǐn)?shù)據(jù)處理簡單流程圖

2 實驗研究數(shù)據(jù)選取

研究的區(qū)域位于濟(jì)寧市的某煤礦,該煤礦位于濟(jì)寧煤田西北部,礦井范圍南北長4～4.5 km,東西寬4～6 km。礦區(qū)內(nèi)地形平坦,地勢東北略高,西南稍低,自然坡度為萬分之七。氣候溫和,四季分明,交通方便。

利用ENVISAT衛(wèi)星獲取的6景ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉測量處理,ASAR數(shù)據(jù)參數(shù)見表1所示。

表1 所選用的 ASAR數(shù)據(jù)列表

根據(jù)研究的需要,這6景ASAR數(shù)據(jù)可以組成不同的干涉像對,所需的干涉像對垂直基線和時間間隔參數(shù)情況見表2和表3。

對表2中的干涉像對進(jìn)行雙軌法差分干涉處理,對表3的干涉像對進(jìn)行三軌法差分干涉處理。

表2 干涉像對參數(shù)情況列表

表3 干涉像對參數(shù)情況列表

雙軌法利用外部DEM數(shù)據(jù)來消除干涉相位圖中的地形因素影響,在實驗中采用分辨率為30 m Aster數(shù)據(jù)作為雙軌法差分干涉處理數(shù)據(jù)的外部DEM。

3 差分干涉處理和結(jié)果分析

采用雙軌法處理表1中的干涉像對,把2009年4月3日和2009年6月12日獲取的影像為主圖像,2009年5月8日和2009年7月17日獲取的影像為輔圖像,同時引入分辨率為30 m的Aster數(shù)據(jù)作為外部DEM,進(jìn)行雙軌法差分干涉處理,處理后分別生成差分干涉圖、增強(qiáng)干涉圖、相干圖、地面形變圖,如圖4、5所示。

在圖4和圖5的地面形變圖中,可以看到盡管所選取的實驗數(shù)據(jù)時間跨度不同,但是差分干涉處理生成地面形變圖中沉降分布范圍基本上大體一致,但是由于干涉選用不同時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理,數(shù)據(jù)相干性存在差異,得出結(jié)果與實際情況會有誤差。這說明雙軌法可以從整體上確定礦區(qū)的沉降分布情況。

在圖4和圖5的差分干涉圖中,可以看到在圖4的差分干涉圖中沒有明顯的條紋,在圖5差分干涉圖的中央位置有一明顯的條紋,在其他地方都沒有表現(xiàn)出來。從表2中,可以看出生成圖4結(jié)果的干涉像對垂直基線較長,基線長度是相干一個重要的限制因素,垂直基線過長可能導(dǎo)致失相干。造成圖4中差分干涉圖沒明顯干涉條紋的一個重要原因可能是該干涉像對垂直基線過長,造成該干涉像對相干性不強(qiáng)。圖4的增強(qiáng)干涉圖,相干效果不好,表現(xiàn)出雜亂無章的彩色斑點;圖5增強(qiáng)干涉圖中,有一相干性較好的地方,可能這個地方是該時間段,地面沉降最大的所在地,在其它地方基本上沒有干涉出來,只是一些噪聲表現(xiàn)出的雜亂無章的彩色斑點。上面是對雙軌法差分干涉處理數(shù)據(jù)生成干涉圖的分析。由于雙軌法需要引入外部DEM,外部數(shù)據(jù)帶來誤差可能也是導(dǎo)致上面干涉圖現(xiàn)象的其中一個原因。

將2008年12月19日獲取的影像作為主圖像,分別以2009年 2月 27日和 2009年5月 8日獲取的影像為輔影像,其中,把2008年12月19日和2009年2月27日獲取的影像作為地表形變前獲取的兩幅影像,作為地形干涉對進(jìn)行處理;同樣,把2009年5月8日獲取的影像作為地表形變后獲取的影像,將其與主圖像作為形變干涉對進(jìn)行處理;同樣,以2009年5月8日獲取的影像作為主影像,將2009年5月8日和 2009年6月12日獲取的影像作為地形干涉對進(jìn)行處理;把2009年5月8日和2009年7月17日獲取的影像作為形變干涉對進(jìn)行處理;最后,進(jìn)行三軌法差分干涉處理,獲取差分干涉圖、增強(qiáng)干涉圖相干圖和地面形變圖,如圖6、7所示。

在圖6和圖7中的地面形變圖中,也可看到沉降分布的相同之處,在形變圖中形成了一些“漏斗區(qū)”。這可以說明,三軌法可以檢測到區(qū)域地表形變發(fā)生的大致位置和范圍,并且從得到的結(jié)果,基本上可以確定地表形變大致位置和范圍。這表明三軌法可以整體上確定礦區(qū)沉降分布情況。

在圖6和圖7中,圖6中差分干涉圖比圖7中差分干涉圖干涉條紋多些,除了垂直基線長度的原因,季節(jié)可能也是一個原因,即時間去相干。生成圖6結(jié)果的干涉像對所處的時間段正是研究區(qū)域植被稀疏、雨水較少、天氣干燥的時期,這有助于提高獲取的ASAR數(shù)據(jù)差分干涉處理精度,提高干涉效果;而生成圖7結(jié)果的干涉像對,正處于研究區(qū)的夏季,植被茂盛、雨水較多,這可能對干涉效果有影響;再者,生成圖6和圖7結(jié)果,需要先進(jìn)行地形干涉像對差分干涉處理,從表3中,可以看出兩個作為地形干涉像對的時間間隔相差不是很大,前者干涉像對時間處于研究區(qū)冬季,后則處于夏季;并且,由于季節(jié)不同,生成含地形信息干涉圖效果不同,這就造成了最終結(jié)果的差異;再者,作為地形干涉像對的垂直基線長度對DEM的生成具有影響,DEM的質(zhì)量又會影響到差分干涉處理的結(jié)果。在圖6和圖7的增強(qiáng)干涉圖中,干涉條紋明顯程度也不一樣,前者較多、較明顯;后者則較差一些。除了上面的分析外,相位解纏的質(zhì)量也有差別,這也是造成上面現(xiàn)象出現(xiàn)的一個原因。以上是對三軌法數(shù)據(jù)處理生成干涉圖的分析。

從差分干涉圖到增強(qiáng)干涉圖有時需要除去殘余地形相位,主要有梯度擬合法和基線向量調(diào)整法進(jìn)行殘余地形相位去除兩種方法。在數(shù)據(jù)處理中因干涉圖條紋不明顯,可以看作沒有殘余地形相位,沒有進(jìn)行殘余地形相位去除操作,因而實際存在的殘余地形相位會對增強(qiáng)干涉圖質(zhì)量帶來影響,從而影響最終差分干涉處理的結(jié)果。

相干圖表示的是兩幅影像的相關(guān)性,在相干性低的地方,可以通過相干圖的對比檢測出礦區(qū)地表沉降的大致位置和范圍。垂直基線長度,對相干圖質(zhì)量影響很大。從圖4～圖7的相干圖中可以看出圖4相干圖質(zhì)量很差,其他三幅相干圖質(zhì)量較好,能夠看出明顯地物的特征。

對圖4～圖7中地面形變圖進(jìn)一步處理,可以獲取該研究區(qū)域在各時間段的沉降分布,從而可以從宏觀尺度分析該區(qū)域在不同時間段的沉降量和沉降分布。

從圖8～圖9中,可以看出選取的研究區(qū)域都存在著不同程度的沉降,一些不明顯的沉降可能是開采地下水等原因引起的,也可能是數(shù)據(jù)處理過程不可避免的誤差引起的。在數(shù)據(jù)處理中,選用的差分干涉處理方法不同,最后產(chǎn)生的結(jié)果會有差別。這說明差分干涉測量技術(shù)可以得到礦區(qū)的沉降分布。

以雙軌法處理的2009年6月12日-2009年7月17日期間獲取的干涉像對和三軌法處理2009年5月8日-2009年6月12日-2009年7月17日期間或取得干涉像對為例,進(jìn)行沉降面積估算。這兩個時間段的沉降面積估算如表4、5所示。

表4 2009年6月12日-2009年7月17日沉降面積估算(雙軌法)

表5 2008年12月19日-2009年2月27日-2009年5月8日沉降面積估算(三軌法)

從表4和表5,可以看出雙軌差分干涉測量和三軌差分干涉測量都可對不同沉降值的沉降面積進(jìn)行估算。這說明差分干涉測量技術(shù)可以對沉降面積進(jìn)行估算。

4 結(jié) 論

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國對煤炭資源的開采需求將進(jìn)一步擴(kuò)大,開采深度和范圍也將進(jìn)一步拓展,勢必會造成礦區(qū)地表沉降災(zāi)害的發(fā)生,因此必須對礦區(qū)地表沉陷進(jìn)行監(jiān)測。差分干涉測量技術(shù)具有其自身的優(yōu)勢,越來越受到人們的重視。

采用雙軌法和三軌法差分干涉處理方法處理了6景覆蓋濟(jì)寧某礦區(qū)ENVISAT ASAR數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行了分析和討論,從而證明了差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測應(yīng)用中的可行性。但是,應(yīng)用差分干涉測量技術(shù)獲取礦區(qū)地表形變信息受多種因素影響,因而需要進(jìn)一步將其測量結(jié)果與水準(zhǔn)測量或GPS測量結(jié)果進(jìn)行比較,以評價其測量精度,這是我們今后進(jìn)一步的研究工作。

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