基于D-InSAR監(jiān)測的黃土礦區(qū)地表沉陷特征分析

王宗良 湯伏全

摘 要：合成孔徑雷達差分干涉測量（D-InSAR）技術是20世紀90年代發(fā)展起來的微波遙感技術，具有高精度地監(jiān)測地表微小變形的能力，已經成為礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測的有效技術手段。以陜西彬長礦區(qū)為研究區(qū)，利用多期SAR影像數(shù)據，應用D-InSAR技術方法開展地表沉陷監(jiān)測實驗，并結合礦區(qū)的實際情況，對礦區(qū)下沉等值線圖進行簡要分析。實驗發(fā)現(xiàn)3種礦區(qū)工作面均發(fā)生了不同程度的沉陷變形，其中沉降量最大值出現(xiàn)在亭南煤礦304工作面內，達到17.5 cm.結果表明：D-InSAR技術可以反映出礦區(qū)沉陷位置和下沉程度，展示出D-InSAR技術在黃土礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測方面具有良好實用性和廣泛應用前景。

關鍵詞：差分干涉測量;黃土礦區(qū);沉陷變形;形變監(jiān)測

中圖分類號：X 936?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-7312（2019）03-0394-04

Abstract：Synthetic Aperture Radar Differential Interferometry （D-InSAR） technology is a microwave remote sensing technology developed in the 1990s. It has the ability to monitor surface micro-deformation with high precision and has become an effective technical means for monitoring surface subsidence in mining areas. Taking the Binchang mining area in Shaanxi as the research area， using the multi-period SAR image data， the D-InSAR technology method was used to carry out the surface subsidence monitoring experiment， and combined with the actual situation of the mining area， the sinking contour map of the mining area was briefly analyzed. The experiment found that the working faces of the three mining areas have experienced different degrees of subsidence deformation， and the maximum settlement amount appears in the 304 working face of the Tingnan Coal Mine， reaching 17.5 cm.The results show that D-InSAR technology can reflect the location and subsidence of mining area， and demonstrates that D-InSAR technology has good practicability and wide application prospects in surface subsidence monitoring in loess mining area.

Key words：differential interferometry;loess mining area;subsidence deformation;deformation monitoring

0 引 言

煤礦資源的開發(fā)利用在社會和生活中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。以陜西彬縣為例，彬長煤田是陜西省第二大煤田，具有煤層厚、儲量大、易開采的特點。礦區(qū)地表沉降監(jiān)測主要采用建立觀測站，采用GPS測量、全站儀測量、精密水準測量等傳統(tǒng)測量方法進行定期觀測，存在著費時費力、效率低下等缺陷。因此，應用新的監(jiān)測技術已經成為礦山開采沉陷監(jiān)測的必然趨勢。差分干涉測量（D-InSAR）技術作為一種新型地面觀測技術，它是通過2個回波信號的相位差與衛(wèi)星軌道參數(shù)來反演出地球表面的微小變形，并且能夠在短周期內提供空間連續(xù)表面變形信息，可以獲得厘米甚至毫米的高精度表面變形信息[2]，可以與常規(guī)地面測量技術起到互補作用。

國內外研究學者相繼利用雷達遙感技術監(jiān)測地表沉降。1989年，Garbriel等人利用D-InSAR技術實現(xiàn)了地表形變監(jiān)測，監(jiān)測結果達到厘米級精度[3];2009年，Z.Perski等人利用D-InSAR技術監(jiān)測波蘭的Wieliczka鹽礦，成功獲得到該區(qū)域的地表形變[4];2012年，郭炳躍等人利用D-InSAR技術提取徐州礦區(qū)地表形變[5];洪卓眾等人采用D-InSAR技術獲得陜北神木柳塔礦區(qū)的地表沉降[6];魏長靖等人采用D-InSAR技術獲取安徽省錢營孜煤礦的地表沉降圖[7]。這些研究表明礦區(qū)周圍通常受到開采的影響，礦區(qū)地表周圍均會發(fā)生不同程度的沉陷。因此，有效監(jiān)測并獲取礦區(qū)地表形變信息具有十分重要的意義。

1 D-InSAR的基本原理

差分干涉測量（D-InSAR）是指使用2幅干涉圖像相同的區(qū)域，其中一幅是變形前獲取的干涉圖像，另一幅是變形后獲取的干涉圖像，通過差分處理來獲取地表形變的測量技術[8]。根據采用干涉數(shù)據的多少和處理方法的差異，一般可將D-InSAR分為2-pass型、3-pass型和4-pass型[9-10]。實驗采用的D-InSAR方法處理流程圖如圖1所示。

2 實驗區(qū)與影像數(shù)據選取

2.1 礦區(qū)概況

彬長礦區(qū)位于陜西省關中西北部的長武和彬縣境內，是國家規(guī)劃的13個煤炭基地之一的黃隴基地的主要礦區(qū)，屬于黃隴侏羅紀煤田的中斷[11]。礦區(qū)的南部和東部主要以無煤區(qū)作為邊界線，北部和西部以陜甘省界作為邊界線，礦區(qū)東西長約為46 km，南北寬約為36.5 km，規(guī)劃面積約為978 km2，煤炭資源地質儲量約為89億噸，可采儲量約54萬噸，主采煤層平均厚度10.6 m.礦區(qū)地處涇河流域，地表水與地下水資料較豐富，地表植被較少，自然村落大部分處在開采沉陷區(qū)域以外的保護煤柱范圍，這一特征有利于SAR影像的數(shù)據處理。

2.2 SAR影像的選取

對于SAR數(shù)據，不僅包含了在接收信號時的幅度信息，同時也包含了它的相位信息[12]。D-InSAR正是利用相位信息獲得目標的高程信息，進而獲得形變信息。在進行差分干涉處理之前，就要滿足影像之間具備良好的相干性，其中，合理的基線估計是在處理數(shù)據前必須要完成的一項內容。研究區(qū)域彬長礦區(qū)處于黃土高原過渡地帶，西北黃土地區(qū)具有土壤含水量小、氣候條件干燥、植被較為稀疏等特征，為后續(xù)處理工作提供了良好的數(shù)據基礎。因此，利用彬縣行政區(qū)多景Sentinel-1A衛(wèi)星的TOPSAR雷達數(shù)據（C-band）作為實驗的干涉影像數(shù)據，采用的4個具體干涉對影像的數(shù)據參數(shù)見表1.

2.3 干涉處理軟件簡介

在SAR數(shù)據的處理方面，世界各國研究學者普遍使用的軟件，如ERDAS Imagine，ENVI，PCL Geomatica，ER Mapper等，實驗選用美國研發(fā)的ENVI（Version 5.3.1）軟件。ENVI中的遙感圖像處理工具ENVI SARscape由核心模塊及5個擴展模塊構成，支持一系列機載和星載雷達系統(tǒng)的數(shù)據，包括Sentinel-1A，ERS-1/2，JERS-1，ENVISAT ASAR， RADARSAT-1/2等，通過對SAR數(shù)據在ENVI SARscape中進行處理后，能夠便捷地提取到高精度地形數(shù)據（DEM）和地表形變圖，還可以在ArcGis中將提取的這些有用的數(shù)據和形變圖與光學遙感數(shù)據等集成起來并疊加分析，全面提升SAR數(shù)據應用價值。實驗采用SARscape模塊中的D-InSAR工作流對哨兵Sentinel-1A衛(wèi)星的TOPSAR雷達數(shù)據（C-band）進行處理，確定礦區(qū)位置并得到下沉等值線圖。

3 D-InSAR數(shù)據處理

根據D-InSAR的基本原理，對SAR數(shù)據進行處理，流程主要包括：基線估算、干涉圖生成及去平、自適應濾波、相位解纏、相位轉形變與地理編碼等諸多步驟。

在進行差分干涉處理前，基線估算的結果是判斷SAR干涉測量成像能否進行下去的基礎條件，同時是解釋SAR影像對失相干的有力佐證。實驗數(shù)據的基線估算結果表明影像干涉對可以進行后續(xù)的差分干涉處理。干涉圖的生成是通過對主、幅影像對應像元的復數(shù)值進行共軛相乘得到的，干涉圖中的相位值就是相位差的主值[13]。在生成干涉圖的過程中，存在數(shù)據處理噪聲、系統(tǒng)熱噪聲等影響，為了能順利完成相位解纏等后續(xù)步驟，就要對噪聲加以抑制，從而降低雷達噪聲的影響，這就需要對干涉圖進行濾波處理[14]，實驗選擇的Goldstein濾波是最常用的濾波方法，能在一定程度上提高干涉條紋的清晰度以及減少由于時間基線或空間基線造成的失相干問題。

其中較為關鍵的是相位解纏，它是獲取地表微小形變量的關鍵環(huán)節(jié)，解纏結果的好壞直接影響著最終高程數(shù)據的精度[15]。考慮到研究區(qū)周邊地質地貌條件較為復雜的情況下，文中選用最小費用流法進行相位解纏，該算法的好處在于當影像上存在有大面積的低相干部分時，或者是有其他限制增長因素導致解纏困難時，可以得到比其他解纏算法更加可靠、準確的結果。

地理編碼是D-InSAR工作流處理中的最后一步，它是將雷達的斜距坐標轉變?yōu)榈乩碜鴺说倪^程，經過相位轉形變和地理編碼，得到精度較高的數(shù)字高程模型。

4 結果分析

4.1 SAR沉降區(qū)與礦區(qū)坐標系的統(tǒng)一

SAR圖像做干涉處理是在雷達影像的坐標系下完成的，經過地理編碼獲取最終的DEM以及研究區(qū)形變圖是WGS-84坐標系下的坐標;而礦區(qū)生產及地表沉陷監(jiān)測使用的是以X，Y表示的平面坐標。因此，通過七參數(shù)轉化法，將亭南煤礦304工作面、燕家河煤礦8211工作面、下溝煤礦ZF2404工作面由1980西安坐標系轉化到WGS-84坐標系下，投影方式設為高斯投影3°帶，根據彬長礦區(qū)地理位置，中央子午線設為108°.

4.2 不同煤礦沉降分析

根據D-InSAR數(shù)據處理流程，對獲取的形變圖與實地工作面進行坐標之間的統(tǒng)一，找到了不同煤礦的工作面（圖2中用黑色線框表示）在形變圖中不同沉降區(qū)域的具體位置。通過使用ArcMap 10.1軟件，對形變圖進行疊加，并生成不同煤礦的等值線圖（均以1 cm沉降量為邊界）時間跨度為2017年12月10日至2018年03月28日，圖2中的（a）、（b）、（c）分別代表亭南煤礦、燕家河煤礦和下溝煤礦。

從圖2中可以看出，在監(jiān)測時段內，亭南煤礦304工作面（即（a）中的黑色邊框）以及附近地表均有不同程度的沉降，隨著時間推進，地表沉降量在逐漸增大，范圍由工作面向四周不斷延伸，并且越接近工作面中間，沉降量越大，最大約達到17.5 cm;燕家河煤礦8211工作面（即（b）中的黑色邊框）以及附近地表均有不同程度的沉降，隨著開采的進行，地表沉降量在逐漸增大，范圍主要沿開采工作面方向，即東西方向不斷延伸，并且越接近工作面，沉降量越大，最大約達到13.8 cm;下溝煤礦ZF2404工作面（即（c）中的黑色邊框）以及附近地表均有不同程度的沉降，隨著煤礦沿南北方向開采的不斷進行，地表沉降量在逐漸增大，范圍也在南北方向有著明顯的延伸，并且越接近工作面，沉降量越大，最大約達到10.3 cm.

5 結 論

1）以陜西彬長礦區(qū)的開采沉陷監(jiān)測為研究對象，基于D-InSAR技術進行了地表沉陷監(jiān)測數(shù)據處理的實驗研究，確定了適用于西部黃土礦區(qū)D-InSAR監(jiān)測的影像數(shù)據處理方法與實用技術流程。

2）采用ENVI軟件針對實驗區(qū)域的干涉SAR影像對進行差分干涉處理。結果表明，監(jiān)測時間段內，彬長礦區(qū)多個區(qū)域發(fā)生了明顯的沉陷變形。其中有3個變形區(qū)分別位于亭南煤礦、燕家河煤礦、下溝煤礦相應開采工作面上方地表，將上述3個變形區(qū)域進行下沉疊加并繪出等值線圖，在同一坐標系統(tǒng)下與3個煤礦的開采工作面位置進行分析。結果表明：隨著開采的進行，3個不同煤礦的工作面均發(fā)生了沉陷變形，其變形發(fā)展趨勢以及最大沉陷量與實際資料基本一致，從而驗證了D-InSAR技術在監(jiān)測礦區(qū)沉陷變形方面的有效性。

綜上，D-InSAR技術為黃土礦區(qū)地表沉陷的監(jiān)測提供了極具前景的技術手段，未來將吸引更多的研究學者開展廣泛而又深入的研究。

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（責任編輯：張 江）