時(shí)序D-InSAR技術(shù)在礦山變形測量中的應(yīng)用

■李敬唐

（茂名市國土資源勘探測繪院廣東茂名525000）

時(shí)序D-InSAR技術(shù)在礦山變形測量中的應(yīng)用

■李敬唐

（茂名市國土資源勘探測繪院廣東茂名525000）

本文討論了基于時(shí)序D-InSAR技術(shù)應(yīng)用于礦山變形測量中所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，通過簡介時(shí)序D-InSAR技術(shù)基本原理，并結(jié)合工程實(shí)例，分析論證了相對(duì)于傳統(tǒng)GPS測量和水準(zhǔn)測量，時(shí)序D-InSAR測量技術(shù)只用幾幅影像就可以監(jiān)測上萬平方公里的礦山地表形變，其監(jiān)測精度可達(dá)到毫米級(jí)，時(shí)序D-InSAR技術(shù)有很大的成本優(yōu)勢，具有廣闊的市場應(yīng)用潛力。

雷達(dá)干涉測量差分干涉測量雙軌法三軌法；

1 引言

常規(guī)礦山變形測量一般采用重復(fù)精密水準(zhǔn)測量方法，這種方法需要野外作業(yè)，周期長、花費(fèi)大。隨著空間測量技術(shù)的發(fā)展，其逐漸被周期短、精度高、布網(wǎng)迅捷的GPS方法所替代，但GPS方法應(yīng)用于大范圍的礦山監(jiān)測任務(wù)時(shí)無明顯優(yōu)勢，且GPS在監(jiān)測垂直位移分量方面精度相對(duì)較低。近年來，空間對(duì)地遙感技術(shù)特別是衛(wèi)星雷達(dá)測量技術(shù)得到迅猛發(fā)展，其中衛(wèi)星雷達(dá)干涉測量方法(Interferometry Synthetic?Aperture?Radar，縮寫為InSAR)?進(jìn)入到一個(gè)新高度，可利用衛(wèi)星雷達(dá)差分干涉測量(Differential?Interferometry-Synthetic pertureRadar，縮寫為D-InSAR)來探測地表的微小地形變化。D-InSAR測量技術(shù)可以在大面積范圍內(nèi)(100km×100km)監(jiān)測地面的微小形變，具有不需要人員進(jìn)入現(xiàn)場區(qū)域測量的特點(diǎn)，相對(duì)于GPS測量和水準(zhǔn)測量手段而言，有很大的成本優(yōu)勢，具有廣闊的市場應(yīng)用潛力。其次，水準(zhǔn)測量和GPS測量技術(shù)只能監(jiān)測有限的、離散的控制點(diǎn)，而D-InSAR測量技術(shù)用幾幅影像就可以監(jiān)測上萬平方公里的地表形變，其監(jiān)測精度可達(dá)到毫米級(jí)。目前，其已在礦山變形測量中得到良好的應(yīng)用。

2 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(xiàng)技術(shù)，其基本思想是:利用兩副天線同時(shí)成像或一副天線相隔一定時(shí)間重復(fù)成像，獲取同一區(qū)域的復(fù)雷達(dá)圖像對(duì)，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。

衛(wèi)星雷達(dá)差分干涉測量（D-InSAR），是利用同一地區(qū)不同時(shí)相的SAR影像，通過差分干涉，獲取該地區(qū)地表形變信息的技術(shù)手段。差分干涉是利用雷達(dá)兩次不同位置獲取的同一監(jiān)測區(qū)域的相位，差分干涉得到形變信息。已有研究提出了三種方法進(jìn)行差分干涉，兩軌法、三軌法和四軌法。兩軌法是使用兩幅雷達(dá)影像和對(duì)應(yīng)地區(qū)的外部數(shù)字高程模型，首先由兩幅雷達(dá)影像形成一個(gè)干涉對(duì)，生成既包含地表形變信息又包含地形因素的干涉圖，然后根據(jù)外部數(shù)字高程模型反演地形相位并從干涉相位中予以去除，最后得到僅包含地形形變信息的干涉圖。

3 時(shí)序D-InSAR技術(shù)在礦山變形測量中的應(yīng)用實(shí)例

該工程位于廣東省茂名市的某高嶺土礦，該高嶺土礦位于茂名市區(qū)NE38°方向，直距10.0km處。行政區(qū)域隸屬茂名市茂南區(qū)山閣鎮(zhèn)山閣村委會(huì)酒鋪村管轄。礦區(qū)中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)110°55′55″，北緯21°44′25″。礦區(qū)總面積0.1722km2。礦區(qū)有1公里礦區(qū)公路通往山閣鎮(zhèn)，山閣鎮(zhèn)至茂名市區(qū)10km，交通方便。礦區(qū)開采深度+37m-+19m。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。

3.1 時(shí)相及數(shù)據(jù)組合

根據(jù)SAR數(shù)據(jù)的時(shí)相和相對(duì)基線距，將JERS21SAR數(shù)據(jù)分成6組2次差分分組和3組3次差分分組，以形成幾種時(shí)間間隔。

3.2 數(shù)據(jù)處理與提取干涉測量信息

經(jīng)過對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行SAR強(qiáng)度分析、SAR像對(duì)相干性分析、DEM(SRTM)圖像及與雷達(dá)圖像的配準(zhǔn)、干涉圖像處理及基線距精校正、形成干涉圖像，將解纏后的相位轉(zhuǎn)換成沉降量，疊加到雷達(dá)強(qiáng)度圖上，得到JERS213次差分干涉圖4幅、2次差分干涉圖5幅、ENVISAT兩次差分干涉圖1幅。

3.3 差分干涉處理結(jié)果

通過對(duì)22景數(shù)據(jù)的篩選，采用三次、二次過境差分法處理，獲得自2010年2月27日～2014年12月5日礦山地面形變干涉圖像，不僅新發(fā)現(xiàn)11個(gè)連續(xù)發(fā)生地表形變的沉陷區(qū)，同時(shí)精確監(jiān)測到沉陷形變的時(shí)間變化和沉陷幅度(其精度達(dá)cm級(jí))。據(jù)D-InSAR測量和遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測及外業(yè)驗(yàn)證結(jié)果表明，地表沉降主要分布于高嶺土礦集中區(qū)，其沉降范圍自2010～2014年經(jīng)歷了一個(gè)由小到大再趨于平穩(wěn)的勢態(tài)。其沉降速度也由2010年的每月1cm，逐漸加速到2012年的每月1.5cm。而后又趨緩并保持在每月1cm的速度，監(jiān)測區(qū)較典型的沉降區(qū)位于酒鋪村東一帶。

3.4 結(jié)果分析

另據(jù)監(jiān)測結(jié)果的時(shí)空分布表明，最大沉降速度與沉降范圍的擴(kuò)展與采礦活動(dòng)的強(qiáng)度和氣候有關(guān)，2010～2014年正值全民辦礦、群采活動(dòng)高峰，也是沉降范圍最大的年份，而沉降速度大小直接與降水量有關(guān)，初步認(rèn)為春夏干旱時(shí)期沉降速度慢，秋季降雨集中時(shí)段沉降速度明顯加快。

4 結(jié)語

通過以上分析得知，時(shí)序D-InSAR技術(shù)已經(jīng)能夠很好的應(yīng)用于礦山變形監(jiān)測，在數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的情況下可達(dá)到mm級(jí)的監(jiān)測精度，D-InSAR測量技術(shù)不僅克服了GPS“離散監(jiān)測”的缺陷，而且能夠依據(jù)存檔數(shù)據(jù)掌握過去某一時(shí)刻的地面沉降情況，具有不同時(shí)段相互對(duì)比、分析，快速實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，可直觀揭示地面沉降的過去、現(xiàn)在，并準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)展趨勢，時(shí)序D-InSAR測量技術(shù)在礦山變形監(jiān)測領(lǐng)域必定有著良好的應(yīng)用前景。

[1]李平湘，楊??杰.雷達(dá)干涉測量-理與應(yīng)用 [M].北京:測繪出版社，2006(44):107-108.

[2]侯建國，楊成生，王亞男，王宏宇.煤礦開采沉降監(jiān)測-基于合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量的研究 [J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009，18(6):71-72..

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-344-1