GB-InSAR集成GIS的露天煤礦邊坡變形監(jiān)測(cè)

李如仁，楊 震，余 博

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

GB-InSAR集成GIS的露天煤礦邊坡變形監(jiān)測(cè)

李如仁1，楊 震2，余 博1

(1. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確測(cè)量可為邊坡提供可靠的預(yù)警和治理信息，直接關(guān)系到露天礦的生產(chǎn)連續(xù)性和效益。地基SAR干涉測(cè)量技術(shù)(GB-InSAR)是最近10年發(fā)展起來(lái)的一種相對(duì)較新的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有全天候、全天時(shí)的觀測(cè)特點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)針對(duì)露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)大多處于試驗(yàn)階段，缺乏長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)的能力，本文詳細(xì)地闡述了GB-InSAR的基本原理，并將GB-InSAR得到的變形數(shù)據(jù)與GIS有機(jī)地連接起來(lái)，利用GIS強(qiáng)大的空間顯示、分析能力，高效、實(shí)時(shí)、直觀地展示變形信息，為露天礦生產(chǎn)提供了有力的決策支持。

GB-InSAR；露天煤礦邊坡；GIS；變形監(jiān)測(cè)

隨著露天礦生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，其邊坡角也會(huì)逐漸增加，增加了露天礦邊坡災(zāi)害發(fā)生的概率。因此，對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測(cè)，掌握邊坡災(zāi)害的過(guò)程，利用一定的數(shù)據(jù)處理方法分析和建立預(yù)報(bào)、預(yù)警系統(tǒng)是至關(guān)重要的[1]。

全站儀、測(cè)量機(jī)器人和水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但容易受氣候、時(shí)間、通視等條件的限制；GPS克服了傳統(tǒng)觀測(cè)技術(shù)的眾多缺點(diǎn)，在變形監(jiān)測(cè)中取得了廣泛的應(yīng)用，但露天礦邊坡的坡度往往比較大，可視衛(wèi)星的數(shù)目及幾何位置嚴(yán)重影響了GPS的精度甚至可行性。GPS和全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)能獲得相對(duì)較高精度的單點(diǎn)位移[2]，但難以整體反映邊坡變形，更重要的是這些獲取變形信息的方式都是接觸式的，對(duì)于危險(xiǎn)的邊坡不宜進(jìn)行觀測(cè)。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(synthetic aperture radar interferometry，InSAR)是近些年發(fā)展起來(lái)的極具潛力的微波遙感新技術(shù)，它已在冰川漂移、地震變形、火山運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域表現(xiàn)出很好的前景[3-6]。GB-InSAR是在星載SAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其具有靈活多變、分辨率高、平臺(tái)穩(wěn)定、造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)。GB-InSAR不僅能夠監(jiān)測(cè)山體滑坡、冰川移動(dòng)、雪崩等無(wú)法接觸或較為危險(xiǎn)的領(lǐng)域，也能在大型橋梁、高層建筑物的變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重大的作用[7]，國(guó)內(nèi)利用GB-InSAR進(jìn)行露天礦變形監(jiān)測(cè)僅僅停留在試驗(yàn)階段，缺乏長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的能力，因此本文以錫林浩特勝利東二號(hào)露天礦為研究對(duì)象，利用GB-InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)邊坡的變形數(shù)據(jù)，隨后利用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理、分析能力進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)時(shí)、直觀地進(jìn)行露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)。

1 GB-InSAR與GIS集成

1.1 GB-InSAR原理

GB-InSAR采用的是正側(cè)視條帶的工作模式，系統(tǒng)采用步進(jìn)頻率連續(xù)波，同時(shí)通過(guò)控制天線的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間高分辨率，其距離向分辨率和方位向分辨率表達(dá)式分別為

Δr=c/2B

(1)

Δφ=λ/2L

(2)

式(1)—式(2)中，B為雷達(dá)脈沖寬度；c為光速；L為合成后的天線孔徑；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

1.2D-InSAR

D-InSAR即差分干涉測(cè)量技術(shù)，利用D-InSAR可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物位移變化的精準(zhǔn)測(cè)量[8]。設(shè)GB-InSAR在不同時(shí)間獲取的同一目標(biāo)區(qū)域的兩幅SAR復(fù)圖像為I1和I2，則將復(fù)圖像的對(duì)應(yīng)像素進(jìn)行共軛相乘即可得到相位差(前提是兩幅復(fù)圖像匹配)，并形成干涉相位圖。其干涉相位計(jì)算方式為

(3)

式中，*表示共軛，且∠(I(q))=φ(q)，干涉相位圖中任意像素點(diǎn)q的相位差為

(4)

在實(shí)際處理過(guò)程中求得的相位差φ(q)只是(-π,π]內(nèi)的主值，若要得到真實(shí)相位差φ(q)就必須進(jìn)行相位解纏，由相位差可求得目標(biāo)的視向變形值，其計(jì)算公式為

(5)

式中，fc代表雷達(dá)的工作頻率；c為光速。

1.3 GIS

GIS以其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析等功能，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)土、遙感、國(guó)防、資源環(huán)境等領(lǐng)域[9]。目前GIS已經(jīng)成為一項(xiàng)服務(wù)于信息化的技術(shù)工具，如何開發(fā)出快速、低成本的GIS應(yīng)用系統(tǒng)成為企事業(yè)單位、高校、科研院所關(guān)注的熱點(diǎn)。GIS已滲透到很多行業(yè)，市場(chǎng)上活躍著許多開發(fā)商推出的GIS二次開發(fā)產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。由Esri公司開發(fā)的GIS二次開發(fā)產(chǎn)品ArcGIS Engine成為目前的主流，它具有靈活、易用、簡(jiǎn)潔、可移植性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，深受GIS從業(yè)人員的喜愛[10]。

1.4 GB-InSAR與GIS集成

通過(guò)GB-InSAR技術(shù)可以全天候、全天時(shí)地獲取露天礦邊坡的變形數(shù)據(jù)，而利用GIS可以將變形數(shù)據(jù)快速、直觀地展現(xiàn)出來(lái)。因此，GB-InSAR與GIS集成可以充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)、高效地對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，集成原理如圖1所示。

圖1 GB-InSAR與GIS集成原理

如圖1所示，GB-InSAR與GIS集成是利用GB-InSAR技術(shù)獲取露天礦邊坡變形數(shù)據(jù)，以ArcSDE為存儲(chǔ)變形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)與GIS之間橋梁，并利用GIS二次開發(fā)組件開發(fā)露天礦邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)時(shí)、直觀地對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。這里需要說(shuō)明的是，ArcSDE(SDE即spatial database engine，空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎)是ArcGIS與數(shù)據(jù)庫(kù)之間通道。

2 GB-InSAR與GIS集成在露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 錫林浩特勝利露天礦概況

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司東二號(hào)露天礦位于勝利煤田中東部，礦區(qū)面積為49.63 km2，東西長(zhǎng)約8.0 km，南北寬約6.6 km，主體構(gòu)造形態(tài)為NE-SW走向，兩翼不對(duì)稱的寬緩向斜。2013年初東2號(hào)露天礦已形成南北寬約2.3 km、東西長(zhǎng)約3.5 km、面積約7.5 km2的采坑，邊坡高度202 m。隨著東二露天煤礦進(jìn)一步的開拓和延伸，南幫邊坡穩(wěn)定性成為制約其安全生產(chǎn)的重要因素，因此需要對(duì)其邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測(cè)。

2.2 GB-InSAR數(shù)據(jù)處理

GB-InSAR數(shù)據(jù)處理的原理與星載和機(jī)載SAR的相似，由于GB-InSAR采用零空間基線工作的模式，并且軌道參數(shù)已知，因此無(wú)需考慮去基線估計(jì)和地平效應(yīng)等步驟，且GB-InSAR影像獲取時(shí)間間隔短，可以忽略大氣延遲的影響[11]。GB-InSAR差分干涉測(cè)量的處理步驟主要包括GB-InSAR復(fù)圖像的配準(zhǔn)、干涉圖生成和相位噪聲濾波、相位解纏及變形值提取，GB-InSAR高精度的變形監(jiān)測(cè)需要精準(zhǔn)的干涉相位來(lái)保證，復(fù)圖像的精確配準(zhǔn)是成功進(jìn)行干涉測(cè)量的前提[12]，因此在礦區(qū)穩(wěn)固的地點(diǎn)安置若干個(gè)三面角反射器，并以此對(duì)GB-InSAR影像進(jìn)行配準(zhǔn)[13]。

本文結(jié)合某一天特定時(shí)段的7幅雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)邊坡變形提取的方法及結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。在數(shù)據(jù)處理中利用累積干涉相位法對(duì)所有相鄰兩幅圖像相位差進(jìn)行累加，這樣可以消除相位纏繞和降低噪聲影響，設(shè)I1,I2,…IN分別為在時(shí)間t1,t2,…tN時(shí)獲得的目標(biāo)區(qū)域SAR圖像，則任意一個(gè)像元q點(diǎn)處目標(biāo)的累積干涉相位由式(6)可得，結(jié)合式(5)即可得q的累計(jì)位移，結(jié)果如圖2所示。

(6)

圖2 變形圖像序列

圖2為一個(gè)時(shí)間序列的6副差分后變形圖像，時(shí)長(zhǎng)為308 min。變形方向?qū)?yīng)著坡度在視線方向的移動(dòng)，負(fù)值表示距離減小，即朝著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，從結(jié)果可以看出，礦體對(duì)應(yīng)圖中的中心區(qū)域變形較為嚴(yán)重，有些區(qū)域變形甚至呈振蕩趨勢(shì)。

2.3 GIS在露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

上文對(duì)GB-InSAR技術(shù)提取露天礦邊坡變形數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)變形數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。本文以ArcSDE為橋梁，將存儲(chǔ)、管理變形數(shù)據(jù)的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)與GIS有機(jī)地連接起來(lái)，并在Windows Form開發(fā)環(huán)境下，以C#為開發(fā)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)ArcGIS Engine控件的集成，進(jìn)而完成露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)的需求與組件式結(jié)構(gòu)和分層次開發(fā)的思想，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)層、邏輯層和表現(xiàn)層，如圖3所示。

圖3 露天礦變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

為了盡可能滿足露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)的需求，本文結(jié)合GIS的功能特點(diǎn)，在作變形分析的同時(shí)，附加了很多其他輔助功能，如視圖管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、警報(bào)設(shè)置等，系統(tǒng)功能框架如圖4所示。

從圖4可以看出，本文利用ArcSDE將數(shù)據(jù)庫(kù)與露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接起來(lái)，而GB-InSAR得到的變形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)了兩者的集成。從功能框架可以看出，該系統(tǒng)不僅包括漫游、縮放等基本功能，還可以加載、顯示礦區(qū)的實(shí)景及三維視圖，最重要的是，作為一個(gè)露天礦邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其可以任意設(shè)置重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和區(qū)域，并對(duì)點(diǎn)和區(qū)域的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、輸出，可以根據(jù)變形信息及礦區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)預(yù)警。

2.4 GB-InSAR與GIS集成的露天礦變形邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

GB-InSAR與GIS集成的露天礦邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)的過(guò)程繁復(fù)，且內(nèi)容較多，本文結(jié)合圖文僅對(duì)其中的視圖管理、變形分析兩大功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，具體示例如圖5、圖6所示。

圖5(a)為雷達(dá)視圖，即為渲染后的變形數(shù)據(jù)；圖5(b)是實(shí)景視圖，其中上半?yún)^(qū)域是礦區(qū)實(shí)景圖，下半?yún)^(qū)域?qū)?yīng)的是經(jīng)過(guò)渲染的實(shí)時(shí)變形圖，兩者具有相同的坐標(biāo)系且有聯(lián)動(dòng)作用；圖5(c)顯示的是監(jiān)測(cè)區(qū)域，可以清晰地看出監(jiān)測(cè)區(qū)域在三維視圖與變形圖中的位置；圖5(d)是實(shí)景圖與實(shí)時(shí)變形圖的疊加，通過(guò)該視圖可以直觀地了解露天礦邊坡整體變形情況；圖5(e)是實(shí)時(shí)變形圖與三維圖的疊加，在視圖的左側(cè)有三維視圖工具欄，可以進(jìn)行各個(gè)角度瀏覽；圖5(f)是圖5(e)的局部，圖中的深色區(qū)域?yàn)檫x中的監(jiān)測(cè)區(qū)域。在每個(gè)視圖的左下側(cè)是監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)信息，主要包括數(shù)據(jù)的時(shí)間、區(qū)域信息、區(qū)域面積、位移、位移加速度、土方量等，右側(cè)為變形信息的走勢(shì)圖，如位移走勢(shì)圖、位移速度走勢(shì)圖、位移加速度走勢(shì)圖等，且可多個(gè)走勢(shì)圖同時(shí)顯示，如圖6所示，通過(guò)走勢(shì)圖可直觀地得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形信息，并可以通過(guò)下方的兩個(gè)滑條自主選擇走勢(shì)圖的時(shí)間區(qū)間。

圖4 系統(tǒng)功能框架

圖5 系統(tǒng)視圖

圖6 走勢(shì)圖

3 結(jié) 論

(1) 利用GB-InSAR掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)差分干涉測(cè)量技術(shù)獲取了露天礦邊坡變形數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，GB-InSAR技術(shù)可以快速、大范圍地獲取露天礦邊坡變形信息。

(2) 將GB-InSAR得到的變形數(shù)據(jù)通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和ArcSDE與GIS結(jié)合起來(lái)，并充分利用GIS強(qiáng)大的地圖顯示、分析功能，將變形數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算、分析、渲染高效、直觀地顯示出來(lái)，為露天礦生產(chǎn)提供了有力的支持。

(3) 盡管GB-InSAR技術(shù)在地表變形監(jiān)測(cè)方面具有傳統(tǒng)技術(shù)手段難以比擬的優(yōu)勢(shì)，但是時(shí)空失相關(guān)和大氣效應(yīng)這兩項(xiàng)因素嚴(yán)重影響到邊坡變形信息的精度，將來(lái)有必要結(jié)合永久散射體技術(shù)對(duì)GB-InSAR技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

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Slope Deformation Monitoring of Open Pit Coal Mine by GIS Integrated GB-InSAR

LI Ruren1，YANG Zhen2，YU Bo1

(1. School of Transportation Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;2. School of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China)

The real-time and accurate monitoring for open pit coal mine slope can provide reliable information for slope stability and early warning, which is directly related to the economic benefit and sustained production. The ground-based InSAR (GB-InSAR), a relatively new technology for deformation monitoring, has been developed in the last ten years, which has the characteristics of all-weather and all day. However, most of the open pit slope deformation monitoring in China are in the experimental stage, which lacks the ability of continuous observation for a long time. In this paper, the basic principle of GB-InSAR is described in detail and the deformation data obtained by GB-InSAR is organically connected with GIS. Deformation information is efficiently, real-time and intuitively displayed by using of GIS powerful spatial analysis and display ability, providing powerful decision support for open-pit mine production.

GB-InSAR; open pit coal mine; GIS; deformation monitoring

李如仁，楊震，余博.GB-InSAR集成GIS的露天煤礦邊坡變形監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(5)：26-30.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0147.

2016-10-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0501101)

李如仁(1966—)，男，教授，研究方向?yàn)镚B-InSAR與GIS的集成。E-mail: rurenli@163.com

楊 震。E-mail: 593797596@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)05-0026-05