D-InSAR技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

付春永， 苗小利， 馮西林

(1.西安煤航測(cè)繪分公司, 陜西 西安 710054;2.西安煤航技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用分公司, 陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭作為我國(guó)的主要能源，占能源消費(fèi)總量的70%左右.在今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的第一能源仍將是煤炭.煤炭的開(kāi)采和利用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)也給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了一系列損害[1].常規(guī)的監(jiān)測(cè)地面沉降的技術(shù)都存在著諸多缺陷,如監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、成本高、離散點(diǎn)較少等.目前，D-InSAR技術(shù)利用遙感衛(wèi)星多時(shí)相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息進(jìn)行地表垂直形變量的提取,其精度已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)[2，3]，該技術(shù)為監(jiān)測(cè)礦區(qū)沉陷信息提供了全新的方法，具有常規(guī)觀測(cè)手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，如監(jiān)測(cè)區(qū)域大、快速、準(zhǔn)確等.

1 差分合成孔徑雷達(dá)(D-InSAR)原理

圖1 D-InSAR成像幾何示意圖

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(D-InSAR)技術(shù)是在InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,是以合成孔徑雷達(dá)(SAR)復(fù)數(shù)據(jù)所提供的相位及強(qiáng)度信息為信息源進(jìn)行差分干涉測(cè)量,從包含目標(biāo)區(qū)域地形和形變等信息的一幅或多幅干涉條紋圖中提取地表目標(biāo)的微小形變信息.

現(xiàn)以三軌法為例說(shuō)明D-InSAR技術(shù)的基本原理.如圖1所示,S1和S2是形變發(fā)生前衛(wèi)星2次對(duì)同一地區(qū)成像時(shí)天線的位置,S3是形變發(fā)生后第3次成像時(shí)衛(wèi)星天線的位置,ΔRd表示視線向地表形變量,可以利用S1和S3位置的SAR影像生成一幅既含地形信息又有形變信息的干涉圖.

由圖1可知，雷達(dá)衛(wèi)星接受信號(hào)的相位與距離的關(guān)系如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

由(1)式和(3)式可得:

(5)

由(4)式和(5)式可得視線向形變量ΔRd所引起的相位變化為

(6)

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)及處理

2.1 研究區(qū)概況

本文選擇姚橋煤礦作為研究區(qū)域，姚橋煤礦位于江蘇省徐州市西北大約82 km處，南距沛縣縣城17 km左右，圖2是研究區(qū)在沛縣的地理位置，礦區(qū)開(kāi)采區(qū)位于張街居委會(huì)、東姚橋新飛地和西姚橋居委會(huì)的地面下，即圖2中紅色邊框區(qū)域.

圖2 研究區(qū)略圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

在本次實(shí)驗(yàn)中，利用兩軌法差分干涉測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用美國(guó)航天飛機(jī)飛行測(cè)圖任務(wù)(SRTM)3″分辨率(90 m)DEM去除地形相位，利用Goldstein枝切法(branchr cut)對(duì)干涉相位進(jìn)行相位解纏，最終生成了姚橋礦區(qū)從2007年1月12日到2007年3月23日的差分干涉條紋圖，圖3、圖4分別為生成的干涉圖和干涉圖的三維顯示.

由圖3可以看出，干涉條紋并不明顯，這給后期的目視解譯和沉降信息的提取帶來(lái)了困難.本次實(shí)驗(yàn)似乎不大成功，但礦區(qū)沉降有其獨(dú)特性，決定了其無(wú)法獲得特別明顯的干涉條紋.其原因主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 本文采用的ENVISAT影像，像元大小為20 m×4 m，在生成干涉條紋過(guò)程中經(jīng)過(guò)2∶2和5∶1兩次多視處理，像元大小變?yōu)?0 m×40 m，而本次研究區(qū)整個(gè)區(qū)域經(jīng)粗略估計(jì)有57×104m2，礦區(qū)形變多發(fā)生在某一工作面，相比整個(gè)礦區(qū)，工作面的范圍進(jìn)一步縮小，并且在某一時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)或者幾個(gè)工作面因?yàn)殚_(kāi)采而下沉，下沉工作面在空間上沒(méi)有連續(xù)性，因此很難在這么小的范圍內(nèi)看到明顯的干涉條紋.

圖3 解纏后的結(jié)果 圖4 三維顯示圖

圖5 觀測(cè)站布設(shè)平面圖

(2) 植被覆蓋的變化，雖然本次所采用的兩幅影像獲取時(shí)間僅相隔70天，但主影像是于2007年1月12日獲取，正是植被枯萎期，輔影像于2007年3月23日獲取，結(jié)合姚橋礦區(qū)實(shí)地情況，2007年3月23日正是小麥茁壯成長(zhǎng)期，主輔影像獲取期間植被情況發(fā)生了很大變化，這嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的相干性，產(chǎn)生明顯的干涉條紋就變得困難了.

(3) 在研究區(qū)周邊缺乏穩(wěn)定的標(biāo)志點(diǎn)，姚橋礦位于江蘇省沛縣楊屯鎮(zhèn)與山東省張樓鄉(xiāng)境內(nèi)，離城市較遠(yuǎn)，固定建筑物稀少，并且在研究區(qū)內(nèi)，微山湖占了很大的范圍，水體反射屬于前向反射，沒(méi)有后向散射信號(hào)，雷達(dá)差分干涉很難進(jìn)行，因此產(chǎn)生明顯干涉條紋就更不可能了.

表1 下沉量的干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量值對(duì)比

3 姚橋礦區(qū)開(kāi)采沉陷信息分析

本文所研究的沉降信息大部分發(fā)生在7249工作面，該工作面位于張街居委會(huì)、東姚橋新飛地和西姚橋居委會(huì)下面.為了能準(zhǔn)確地反映采煤引起的地表沉降，采用常規(guī)測(cè)量手段，共布設(shè)了兩條觀測(cè)線，南北方向的22號(hào)點(diǎn)至48號(hào)點(diǎn)，東西方向的1號(hào)點(diǎn)至21號(hào)點(diǎn)，各點(diǎn)之間的間隔為30 m，如圖5所示.在2007年1月9號(hào)至2007年3月8號(hào)期間和2007年4月19號(hào)期間進(jìn)行了兩次全面觀測(cè).由于觀測(cè)站比較多，且部分點(diǎn)因保管不善被埋，本次并沒(méi)有對(duì)所有觀測(cè)站進(jìn)行研究，而是每間隔4個(gè)點(diǎn)選擇1個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，間隔為120 m(部分被埋點(diǎn)除外).布設(shè)點(diǎn)的情況如圖5所示.

由于差分實(shí)驗(yàn)提取的是2007年1月12日到2007年3月23日的地面沉降量，而地面實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)是2007年1月9號(hào)到2007年3月8號(hào)和2007年3月8號(hào)到2007年4月19號(hào)兩段時(shí)間得到的，并不能完全對(duì)應(yīng)，因此，本文在干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量值的對(duì)比過(guò)程中，對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量值做了近似處理，對(duì)兩次實(shí)測(cè)水準(zhǔn)值求平均，最終近似得到了2007年1月12號(hào)到2007年3月23號(hào)的實(shí)測(cè)水準(zhǔn)值，將其與干涉測(cè)量提取的沉降值作比較,結(jié)果如表1所示.

為了更好地顯示水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)和干涉測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)關(guān)系，更加直觀地對(duì)干涉測(cè)量數(shù)據(jù)做精度評(píng)定，本次實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步的工作，對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)和干涉測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征做了分析，結(jié)果如表2所示.

表2 差分干涉測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征

為了更直觀地顯示干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量值的吻合程度，用水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)和干涉測(cè)量數(shù)據(jù)生成擬合曲線如圖6所示.

從表1和表2可以看出，干涉測(cè)量數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)保持了較高的一致性，盡管水準(zhǔn)測(cè)量值大部分要高于差分干涉測(cè)量值，但這主要是由于基線距誤差引起的，可能還要受雷達(dá)成像、干涉情況以及解纏過(guò)程的影響，并且干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)方差都很大，這主要是因?yàn)榈V區(qū)開(kāi)采造成地面不均勻沉降所導(dǎo)致的.圖6是干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量值的擬合度顯示，可見(jiàn)兩者的擬合度并不十分理想，這主要是因?yàn)樵趥€(gè)別點(diǎn)上，干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量值存在很大的偏差，從而影響了整體的擬合度.

圖6 擬合度顯示

從以上分析可以看出，干涉測(cè)量值和水準(zhǔn)測(cè)量在直接對(duì)比中偏差很大，下面從整體趨勢(shì)上分析兩者的吻合程度.在姚橋礦區(qū)內(nèi)，選取東西方向6個(gè)點(diǎn)和南北方向7個(gè)點(diǎn)，這13個(gè)點(diǎn)基本上覆蓋了整個(gè)研究區(qū)域，具有代表性.用這13個(gè)點(diǎn)的干涉測(cè)量數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)生成下沉曲線，對(duì)比如圖7所示.

圖7 水準(zhǔn)測(cè)量值和干涉測(cè)量值的下沉曲線比較

在圖7中，a圖、b圖分別是由研究區(qū)內(nèi)南北方向所取的7個(gè)點(diǎn)、東西方向所取的6個(gè)點(diǎn)得到的干涉測(cè)量數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的下沉曲線.比較兩幅圖可知，兩個(gè)方向上的干涉測(cè)量數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)下沉曲線在整體變化趨勢(shì)上都是一致的，并且水準(zhǔn)測(cè)量值一般大于相應(yīng)的干涉測(cè)量值，由此可以得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：

(1) 本次實(shí)驗(yàn)所取得的下沉結(jié)果和水準(zhǔn)測(cè)量的下沉值整體變化趨勢(shì)一致，這說(shuō)明D-InSAR技術(shù)可以有效地提取礦區(qū)沉陷信息，從而反映礦區(qū)因開(kāi)采地下煤層而引起的地表下沉趨勢(shì).

(2) 水準(zhǔn)測(cè)量值在整體上比干涉測(cè)量值偏高，這可能是受雷達(dá)成像、干涉失相干情況以及解纏過(guò)程的影響所致.這些因素都是差分干涉測(cè)量的固有問(wèn)題，需要在以后的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)，才能用D-InSAR技術(shù)為礦區(qū)提供更可靠的沉陷信息，更加真實(shí)地反映礦區(qū)地表形變.

為了更加直觀顯示下沉區(qū)域，我們對(duì)該區(qū)域進(jìn)一步縮小，僅用我們表1篩選出的13個(gè)點(diǎn)及其所屬區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)，因?yàn)檫@13個(gè)點(diǎn)基本上覆蓋了我們需要研究區(qū)的下沉工作面，利用這13個(gè)點(diǎn)(包括其區(qū)間內(nèi)的點(diǎn))的沉降值生成三維顯示圖如圖8所示.

圖8 地表形變?nèi)S顯示

圖8很好地反映了研究區(qū)域的沉降情況，根據(jù)地理坐標(biāo)可以推斷出圖中中間凹陷處正是姚橋礦區(qū)2006年8月至2007年12月期間正在開(kāi)采的工作面，即為圖2紅色邊框所示區(qū)域，很好地吻合了地面情況，而圖右邊出現(xiàn)的隆起部分可能是由于噪聲引起的異常突起.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合考慮各種失相干因素，選取姚橋礦3個(gè)時(shí)間段的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行沉陷信息的提取，在生成干涉圖時(shí)，分析了不能產(chǎn)生明顯干涉條紋的主要原因：一方面是因?yàn)閿?shù)據(jù)失相干引起的，另一方面是因?yàn)榈V區(qū)形變多發(fā)生在較小的范圍內(nèi).把運(yùn)用D-InSAR技術(shù)得到的礦區(qū)沉陷信息和水準(zhǔn)測(cè)量值做比較，并生成對(duì)應(yīng)的沉降曲線和等值線圖，得出由D-InSAR技術(shù)得到的水準(zhǔn)測(cè)量值在整體趨勢(shì)上保持一致，但實(shí)測(cè)值比實(shí)驗(yàn)值要高，分析原因可能是受到了雷達(dá)成像和影像失相干及解纏過(guò)程的影響.

參考文獻(xiàn)

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