基于TCP-InSAR的開采沉陷監(jiān)測(cè)與分析

徐 坤

（1.寧波冶金勘察設(shè)計(jì)研究股份有限公司，浙江 寧波 315041）

使用較為廣泛的時(shí)序InSAR監(jiān)測(cè)方法主要包括PSI技術(shù)[1]、SBAS技術(shù)[2]及TCP（時(shí)序相干點(diǎn)InSAR）技術(shù)[3]。其中，TCP-InSAR技術(shù)作為一種發(fā)展相對(duì)較成熟的時(shí)序InSAR技術(shù)，有效彌補(bǔ)了PSI技術(shù)與SBAS技術(shù)在相干點(diǎn)選取與相位解纏等方面的不足，對(duì)選取的時(shí)序相干點(diǎn)不進(jìn)行相位解纏處理，因此可以避免在相位解纏過程中大氣、軌道等因素引起的誤差的影響，在確?？梢赃x取較多的時(shí)序相干點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。采用TCP-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表沉陷已得到較多學(xué)者的應(yīng)用。2018年，鄭萬基[4]等利用TCP-InSAR技術(shù)發(fā)現(xiàn)了金沙江中游共6處主要滑坡區(qū)域，并詳細(xì)分析了滑坡的主要影響因素。2019年，許怡[5]等將熱紅外遙感與TCP-InSAR技術(shù)相結(jié)合，探測(cè)新疆煤田火區(qū)，為新疆廣域煤田火區(qū)高精度探測(cè)提供了新技術(shù)。2020年，陳天東[6]基于TCP-InSAR對(duì)唐山馬蘭莊露天鐵礦、道路滑坡等形變區(qū)域進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該技術(shù)方法的可靠性。為此，本文采用該技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表的沉降速率以及研究時(shí)間段內(nèi)的動(dòng)態(tài)時(shí)序沉降，分析沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果以及時(shí)序沉降規(guī)律，以詳細(xì)獲取工作面的開采對(duì)礦區(qū)地表的影響情況。

1 TCP-In SAR原理

TCP-InSAR技術(shù)通過設(shè)置空間基線和時(shí)間基線閾值選取適宜數(shù)量的干涉對(duì)，然后將整個(gè)相干區(qū)域建立Delaunay三角網(wǎng)，對(duì)選取的TCP點(diǎn)進(jìn)行布網(wǎng)，計(jì)算每個(gè)三角網(wǎng)中相鄰TCP點(diǎn)間的形變速率差，并對(duì)模糊度相位進(jìn)行剔除，根據(jù)最小二乘方法反演出地表形變。TCP相干點(diǎn)候選點(diǎn)為干涉圖多視處理時(shí)，均保持穩(wěn)定相干性的點(diǎn)，然后根據(jù)影像配準(zhǔn)過程中配準(zhǔn)點(diǎn)在距離向和方位向偏移的標(biāo)準(zhǔn)差，通過設(shè)定合理的標(biāo)準(zhǔn)差閾值，來確定最終的時(shí)序相干點(diǎn)，其選點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在于既可以在部分時(shí)段保持相干，也可以在整個(gè)時(shí)間序列相干。此后通過局部Delaunay三角網(wǎng)建立差分相位解算模型，即把研究區(qū)域劃分成格網(wǎng)，以格網(wǎng)交點(diǎn)為圓心作一定半徑的圓，取圓內(nèi)所有相干點(diǎn)組成局部Delau?nay三角網(wǎng)。

假設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)一共獲取了J+1幅SAR影像數(shù)據(jù)，通過設(shè)置合理的時(shí)空基線閾值，最終得到I幅時(shí)序干涉圖序列，弧段上2個(gè)相干點(diǎn)TCP(x，y)和TCP(x′，y′)構(gòu)成的差分相位可以表示為：

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域及數(shù)據(jù)

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于河北省邯鄲市某礦區(qū)，114°07'E~114°11'E，36°35'N~36°38'N之間。該區(qū)域共有4個(gè)煤礦工作面，受煤礦相關(guān)管理規(guī)定，本文只獲取了其中一個(gè)工作面的位置信息，因此，本次實(shí)驗(yàn)只對(duì)這一工作面做具體的沉降分析，如圖1所示。該工作面走向長(zhǎng)約1 000 m，傾向長(zhǎng)約185 m。從圖中可以看出，研究區(qū)域地表有城鎮(zhèn)村莊、農(nóng)田、河流以及大量建構(gòu)筑物，且該區(qū)域人員流動(dòng)密集，工作面開采引起的地表沉降勢(shì)必會(huì)影響地表的基礎(chǔ)設(shè)施以及人們正常的生產(chǎn)生活。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用的原始SAR影像為2015-04-28~2016-03-05時(shí)間段13景RadarSAT-2影像數(shù)據(jù)，同時(shí)采用美國(guó)宇航局（NASA）航天飛機(jī)獲取的（SRTM）90 m分辨率的DEM作為外部DEM數(shù)據(jù)。RadarSAT-2是一顆高分辨率商用雷達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星平臺(tái)高度為796 km,雷達(dá)波段為C波段，C波段中心頻率為5.405 GHz。根據(jù)衛(wèi)星采集的影像數(shù)據(jù)的參數(shù)文件可知：電磁波入射角為35.5°；SAR影像數(shù)據(jù)的距離向像元尺寸為2.66 m，方位向像元尺寸為2.9 m；另外，數(shù)據(jù)是由電磁波HH極化方式采集。

考慮到研究區(qū)域多被草地、農(nóng)田等地物覆蓋，后向散射性較弱，而較長(zhǎng)的時(shí)間間隔很容易造成影像對(duì)間的失相干，為此，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)干涉對(duì)的時(shí)空基線分布情況，在保證時(shí)間序列不中斷的前提下，共選取了12組干涉對(duì)進(jìn)行時(shí)序干涉處理，如表1所示。

表1 SAR影像對(duì)信息

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)首先使用GAMMA軟件將13景影像進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，在完成配準(zhǔn)后，按1:1多視生成時(shí)序干涉對(duì)序列，干涉對(duì)序列如表1所示。差分過程中使用外部DEM數(shù)據(jù)去除地形相位，然后以相干性0.4作為閾值根據(jù)TCP-InSAR選點(diǎn)原則共選取了179 328個(gè)TCP點(diǎn)，最后將TCP點(diǎn)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)，在每個(gè)TCP點(diǎn)上構(gòu)建線性形變速率的回歸模型，通過最小二乘準(zhǔn)則求解回歸模型，除去模型中具有整周模糊度的線性相位，最終求取TCP點(diǎn)的年沉降速率。

如圖2所示，為通過TCP-InSAR技術(shù)最終獲取的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)年均地表沉降信息。從圖中可以看出，整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，共存在兩處明顯的地表沉降點(diǎn)：其中一處遠(yuǎn)離工作面；另一處位于工作面開采下山方向一側(cè)，之所以沒有位于工作面正上方，是由于該煤層為傾斜煤層，煤層傾角約為31°，因此，沉降中心偏向下山方向，并可以斷定此處沉降由礦區(qū)工作面的開采引起。由于礦區(qū)地表多為農(nóng)田、林地，相干性相對(duì)較差，因此在此沉降區(qū)域選取的TCP點(diǎn)分布密度不大，在時(shí)序分析時(shí)需要從整體上進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，2015-04-28~2016-03-05研究時(shí)間段內(nèi)所有TCP點(diǎn)中監(jiān)測(cè)到的最大年沉降速率為-106.21 mm/yr，且工作面范圍內(nèi)地表沉降速率基本位于0 mm/yr以下，存在不同程度的地表沉降。

圖2 研究區(qū)域地表沉降速率圖

為了進(jìn)一步了解研究區(qū)域地表的動(dòng)態(tài)時(shí)序變化過程，本文將由TCP-InSAR技術(shù)計(jì)算得到的礦區(qū)時(shí)序下沉結(jié)果進(jìn)行成圖展示，如圖3所示。圖3顯示從2015-04-28~2016-03-05共13景影像獲取時(shí)間的地表沉降情況。由時(shí)序結(jié)果可以看出，地表沉降范圍隨時(shí)間的推移越來越明顯，沉降量級(jí)也越來越大，根據(jù)TCP點(diǎn)的時(shí)序沉降計(jì)算結(jié)果，研究區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)得到的地表最大沉降值約為-124.83 mm。

圖3 研究區(qū)域時(shí)序沉降圖

3.2 礦區(qū)地表沉降結(jié)果分析

通過TCP-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，該技術(shù)能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出沉降的發(fā)生位置、發(fā)生范圍等細(xì)節(jié)信息，時(shí)序沉降結(jié)果的詳細(xì)分析如圖4所示。

圖4 時(shí)序累積沉降結(jié)果分析

圖4a為累積沉降結(jié)果的分布直方圖，從圖中看出，多數(shù)TCP點(diǎn)的累積沉降值在零附近，整體分布近似于高斯正態(tài)分布，符合TCP-InSAR技術(shù)計(jì)算沉降結(jié)果的分布規(guī)律；圖4b為研究區(qū)域示意圖中A、B參考點(diǎn)的時(shí)序沉降規(guī)律，從圖中可以看出，A點(diǎn)由于地理位置遠(yuǎn)離工作面，因此基本沒有發(fā)生地表沉降，時(shí)序沉降值在零值附近波動(dòng)，B點(diǎn)由于位于工作面幾何中心位置，時(shí)序沉降明顯，且隨時(shí)間呈線性下沉。

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步量化了解工作面地表的沉降規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)在工作面內(nèi)走向和傾向方向分別選取了一條走向線和傾向線（如圖1中所示），對(duì)工作面地表的沉降情況進(jìn)行詳細(xì)分析。計(jì)算發(fā)現(xiàn)：在走向線附近區(qū)域共提取了203個(gè)TCP點(diǎn)，將提取的TCP點(diǎn)的沿工作面走向方向（如圖1中箭頭方向所示）依次統(tǒng)計(jì)其累計(jì)沉降值；在傾向線附近區(qū)域共提取了166個(gè)TCP點(diǎn)，將提取的TCP點(diǎn)的沿工作面傾向方向（如圖1中箭頭方向所示）依次統(tǒng)計(jì)其累計(jì)沉降值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面內(nèi)走向、傾向線附近TCP點(diǎn)的沉降統(tǒng)計(jì)

從圖5可以看出，沿工作面走向方向，累積沉降值逐漸增大，在400 m左右達(dá)到最大值，之后隨著走向距離的增加累積沉降值逐漸減小，在工作面的中部和北端沉降相對(duì)較嚴(yán)重。沿工作面傾向方向，隨著傾向距離的增加，累積沉降值呈增大的趨勢(shì)，因此在工作面的下山方向沉降相對(duì)較嚴(yán)重。在走向線附近，只有2個(gè)TCP點(diǎn)的時(shí)序累計(jì)沉降值大于0 mm，其余各TCP點(diǎn)均存在不同程度的下沉，所有TCP點(diǎn)的平均沉降為-51.63 mm，其中，最大沉降值為-102.90 mm，對(duì)應(yīng)的TCP點(diǎn)位于走向距離343 m處；在傾向線附近，所有提取的TCP點(diǎn)時(shí)序累計(jì)沉降值均小于0 mm，平均沉降為-68.21 mm，其中，最大沉降值為-112.70 mm，對(duì)應(yīng)的TCP點(diǎn)位于傾向距離182 m處。結(jié)合走向和傾向綜合分析可得，在整個(gè)工作面下山方向尤其是工作面東北方向沉降較為嚴(yán)重，同時(shí)與沉降速率的結(jié)果相吻合，這一現(xiàn)象除煤層傾角的影響因素之外，還可能與其他工作面開采造成的聯(lián)合影響有關(guān)。

通過對(duì)礦區(qū)地表時(shí)序累積沉降分析可知，工作面的開采勢(shì)必會(huì)使上層地表發(fā)生不同程度的沉降，沉降嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成地表塌陷、道路損毀、房屋倒塌等災(zāi)難，因此，對(duì)礦區(qū)地表進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)并做出相應(yīng)的時(shí)序分析變得尤為重要，在掌握了礦區(qū)地表的形變情況和規(guī)律后，可以采取相應(yīng)的措施有效避免或減少礦區(qū)開采沉陷引起的次生危害。

4 結(jié)論

本文采用RadarSAT-2數(shù)據(jù)獲取了邯鄲市某礦區(qū)在2015-04-28~2016-03-05時(shí)間段內(nèi)的地表沉降速率及時(shí)序沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)結(jié)果清晰地顯示了工作面及附近區(qū)域存在明顯的地表沉降現(xiàn)象。隨著時(shí)間的推移，該研究區(qū)域的沉降范圍和沉降量級(jí)都在逐漸增大，地表最大沉降接近-125 mm。通過對(duì)SAR影像數(shù)據(jù)的處理和對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的詳細(xì)分析可以得出：相比傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，TCP-InSAR具有長(zhǎng)時(shí)間序列、覆蓋范圍廣、工作量小、不受天氣影響等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)高密度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以更加詳細(xì)的分析和判斷礦區(qū)地表的下沉情況和形變規(guī)律。未來還可以考慮將TCP-InSAR技術(shù)與多源遙感數(shù)據(jù)或偏移跟蹤等技術(shù)相結(jié)合，以獲取更加全面、精確、大量級(jí)的礦區(qū)地表沉降信息。