D-InSAR技術(shù)對(duì)地表形變的監(jiān)測(cè)與應(yīng)用

褚芊芊 劉承旭

(1.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

1 引言

目前，地表沉陷監(jiān)測(cè)一般采用周期性精密水準(zhǔn)測(cè)量、全站儀測(cè)量固定觀測(cè)基站的三維坐標(biāo)、GPS測(cè)量高程等方法，沿特定的觀測(cè)路線布設(shè)一些離散觀測(cè)點(diǎn)，構(gòu)建地表變形觀測(cè)網(wǎng)，然后對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最終得到每一時(shí)間間隔內(nèi)的沉降變化值。

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量方法作為合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量方法的進(jìn)一步發(fā)展，由于具有空間分辨率高、全天時(shí)、覆蓋面積大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。

2 技術(shù)路線

對(duì)于不同波段符合研究需求的雷達(dá)影像分別進(jìn)行干涉處理，對(duì)比其相干性以及現(xiàn)實(shí)要求等分別進(jìn)行選擇，確定合適的圖像來源。借助Envi和SARscape軟件對(duì)已有的雷達(dá)影像進(jìn)行差分干涉處理分析已有觀測(cè)線的下沉情況，進(jìn)行量化分析，最終得出與已有觀測(cè)線相一致的下沉剖面。將圖像處理結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其精度及其可靠性。

3 InSAR技術(shù)

3.1 InSAR干涉測(cè)量技術(shù)基本原理

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量是利用衛(wèi)星或飛機(jī)搭載的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，通過兩副天線同時(shí)觀測(cè)(單軌模式)，或兩次近平行的觀測(cè)(重復(fù)軌道模式)，獲取地面同一景觀的復(fù)影像對(duì)。根據(jù)復(fù)雷達(dá)圖像的相位差信息，通過成像處理，干涉數(shù)據(jù)處理和幾何轉(zhuǎn)換等來提取地面目標(biāo)地形的三維信息。

3.2 礦區(qū)D-InSAR數(shù)據(jù)處理

此次使用的SAR數(shù)據(jù)為哨兵一號(hào)數(shù)據(jù)，分別為2017年12月22日以及2018年1月15日兩期數(shù)據(jù)。

本次研究使用的是雙軌法，雙軌法是利用礦區(qū)地表前后變化的兩景雷達(dá)復(fù)影像生成干涉圖，再利用現(xiàn)有的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)模擬干涉條紋圖，從干涉圖中去掉地形信息，可得到地形變化信息。操作步驟具體介紹如下：

輸入2017年12月22日的衛(wèi)星影像作為主影像，2018年1月15日的衛(wèi)星影像作為從影像，參考DEM模塊輸入事先獲取的礦區(qū)DEM文件，DEM采用美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的SRTM DEM數(shù)據(jù)。輸入所有的數(shù)據(jù)后，形成干涉圖，如圖1所示。

圖1 彭莊煤礦D-InSAR干涉圖

干涉圖生成后進(jìn)行濾波和相干性計(jì)算。濾波方法采用Goldstein自適應(yīng)濾波法，這種濾波方法的濾波器是可變的，提高了干涉條紋的清晰度，減少了由空間基線或時(shí)間基線引起的失相干的噪聲。

相位解纏：相位的變化是以2π為周期的，所以只要相位變化超過了2π，相位就會(huì)重新開始和循環(huán)。相位解纏是對(duì)去平和濾波后的相位進(jìn)行解纏處理，使之與線性變化的地形信息對(duì)應(yīng)，解決2π模糊的問題。

下一步選擇用于軌道精煉的控制點(diǎn)，或選擇已有的控制點(diǎn)文件?？刂泣c(diǎn)的選擇要求相干性高、相位變化穩(wěn)定的點(diǎn)，避免選擇地形殘差條紋地區(qū)。

最后進(jìn)行相位轉(zhuǎn)形變以及地理編碼操作，即將經(jīng)過絕對(duì)校準(zhǔn)和解纏的相位，結(jié)合合成相位，轉(zhuǎn)化為形變數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行地理編碼到制圖坐標(biāo)系統(tǒng)，默認(rèn)得到的是LOS方向的形變，并對(duì)圖像外的區(qū)域做掩膜處理。

圖2 相位轉(zhuǎn)形變的結(jié)果

如圖2所示，礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多處明顯的下沉，多個(gè)區(qū)域性下沉均呈現(xiàn)中間低四周高的近似漏斗狀下沉。為了驗(yàn)證其精度，特以3303工作面地表觀測(cè)數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，對(duì)比如表1、圖3所示。

表1 D-InSAR沉降量與地面實(shí)測(cè)沉降量對(duì)比表格

地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)32 -0.028342 94 -0.086782 33 -0.037682 95 -0.085872 -0.094262 34 -0.053923 -0.108223 96 -0.080874 35 -0.056743 97 -0.074516 36 -0.054243 98 -0.074617 37 -0.057283 99 -0.074514 38 -0.068791 100 -0.076724 39 -0.058585 101 -0.069613 -0.070321 40 -0.058589 102 -0.064694 41 -0.061414 103 -0.060823 42 -0.065782 104 -0.058742 43 -0.077258 -0.125841 105 -0.055672 44 -0.075881 105 -0.050722 45 -0.071389 107 -0.044487 -0.049768 46 -0.081236 108 -0.043489 47 -0.085632 109 -0.040691 48 -0.083673 110 -0.036245 49 -0.087621 111 -0.035487 50 -0.096381 112 -0.030484 -0.036824 51 -0.091581 113 -0.027671 52 -0.097829 114 -0.025811 53 -0.095812 115 -0.024782 54 -0.105872 -0.125267 116 -0.022232 -0.030714 55 -0.106692 117 -0.021813 56 -0.113257 118 -0.017124 57 -0.115623 119 -0.016273 58 -0.125783 120 -0.015782 -0.020639 59 -0.125234 121 -0.012792 60 -0.137832 122 -0.00956 61 -0.132234 123 -0.00367 -0.010324柵格序號(hào)D-InSAR沉降量地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)柵格序號(hào)D-InSAR沉降量

由于SAR圖像時(shí)間與觀測(cè)時(shí)間并不完全一致，有一定的時(shí)間差，而且D-InSAR得到的是連續(xù)像元的下沉值，而地面觀測(cè)只能得到有限個(gè)離散點(diǎn)的下沉值，并不能完全對(duì)應(yīng)。另外礦區(qū)有大量村莊和農(nóng)田，地表植物對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生了一定的影像，導(dǎo)致有一些區(qū)域失相干現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這不利于D-InSAR處理的精度。但是整體來說監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的形變趨勢(shì)基本一致，從礦區(qū)地表沉降分布情況以及沉降趨勢(shì)上看，監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面實(shí)測(cè)情況基本相符，說明D-InSAR礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果總體可靠，其局部精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

圖3 D-InSAR沉降量（離散點(diǎn)）與地面實(shí)測(cè)沉降量（折線）對(duì)比圖

4 結(jié)論

D-InSAR技術(shù)在進(jìn)行大面積礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)時(shí)有較高精度，D-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果反映的是一個(gè)平面的沉降情況，比水準(zhǔn)測(cè)量的離散點(diǎn)更加直觀、更加形象，雖然精度還達(dá)不到精密水準(zhǔn)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，但整體精度比較可靠，局部可以達(dá)到厘米級(jí)，可以部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)在礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

對(duì)于大范圍的監(jiān)測(cè)區(qū)域，使用D-InSAR技術(shù)進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)省時(shí)省力，而且成本低，相較于水準(zhǔn)測(cè)量或GPS測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)巨大。

通過D-InSAR技術(shù)在彭莊礦區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)時(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，表明D-InSAR可以精確有效地對(duì)彭莊礦區(qū)采煤沉陷區(qū)范圍及其形變過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。