趙鴻燕，魏也納，戴立乾

(河南省國土資源科學(xué)研究院，河南 鄭州 450053)

多基線距DInSAR反演河南省永城煤礦區(qū)地表形變

趙鴻燕，魏也納，戴立乾

(河南省國土資源科學(xué)研究院，河南 鄭州 450053)

永城是河南省重要的煤炭生產(chǎn)基地，煤礦開采后形成的塌陷區(qū)中有70%以上是耕地，已嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活秩序以及生命財(cái)產(chǎn)安全，迫切需要采用快速高效的技術(shù)手段獲取塌陷區(qū)的信息來為相關(guān)部門提供決策依據(jù);研究中選用2004～2006年的6景ASAR數(shù)據(jù)，采用基于相干目標(biāo)的多基線距DInSAR技術(shù)對(duì)河南永城煤礦區(qū)的地表形變進(jìn)行反演;研究中采用的地表形變反演技術(shù)克服了傳統(tǒng)DInSAR技術(shù)失相干的問題，反演得出的地表形變的范圍和程度與調(diào)查結(jié)果相吻合，表明該項(xiàng)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性;最后分析反演誤差產(chǎn)生的原因并提出今后可采用L波段以及多平臺(tái)聯(lián)合監(jiān)測(cè)來提高煤礦區(qū)地表形變的精度。

DInSAR;河南省永城;煤礦區(qū);地表形變;相干目標(biāo)

0 引言

永城煤礦是河南省重要的煤炭生產(chǎn)基地，包括陳四樓、城郊、新橋、車集和葛店五個(gè)煤田，煤炭資源開采引起大范圍的地面塌陷，據(jù)有關(guān)資料和測(cè)算［1］，永城萬噸塌陷率高達(dá)0.457ha，全部井田開采完將形成515km2塌陷區(qū)，其中70%以上是耕地，地面多次反復(fù)沉陷使環(huán)境嚴(yán)重惡化，威脅到礦區(qū)居民財(cái)產(chǎn)和生命安全，地面塌陷成為永城煤礦區(qū)最突出的環(huán)境地質(zhì)問題，在此開展地表形變研究具有重要意義。

1 煤礦開采區(qū)沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)方法

煤炭資源地下開采使開采區(qū)的地形地貌發(fā)生了變化，也導(dǎo)致了土地利用和覆被的明顯變化，這些變化成為分析地表形變的重要依據(jù)。目前地表形變監(jiān)測(cè)主要技術(shù)方法有:(1)設(shè)觀測(cè)站定點(diǎn)、定時(shí)監(jiān)測(cè);(2)利用遙感影像上沉陷和塌陷區(qū)域光譜和紋理的變化確定;(3)通過INSAR技術(shù)、立體像對(duì)等獲取不同時(shí)間的DEM并根據(jù)DEM變化來確定。

1.1 GPS沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

GPS觀測(cè)站定位精度高，操作簡(jiǎn)便并可全天候作業(yè)，是一種傳統(tǒng)的地表形變的監(jiān)測(cè)方法［3-6］。河南省于2007年采用GPS技術(shù)進(jìn)行主要煤礦沉陷區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查，在永城煤礦沉陷區(qū)調(diào)查除布設(shè)四等 GPS控制網(wǎng)作為首級(jí)平面控制外，又做了一級(jí)導(dǎo)線作為加密控制網(wǎng)［2］。盡管利用GPS并結(jié)合電子測(cè)距等手段可以取得較高的精度，但存在外業(yè)工作量大、費(fèi)時(shí)、費(fèi)用高以及基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性、垂向精度較低等問題。

1.2 遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)地表形變

遙感影像能夠真實(shí)地反映地物的分布情況，現(xiàn)有研究中有利用 MSS、TM/ETM及 CBERS-2或ASTER數(shù)據(jù)來分析地面塌陷積水的動(dòng)態(tài)信息［7］以及利用立體像對(duì)獲取不同時(shí)期的DEM并根據(jù)DEM變化提取塌陷區(qū)范圍及塌陷程度［8］，高分辨率的IKONOS影像也可識(shí)別出塌陷坑、沉陷區(qū)和地裂縫［9］，煤礦區(qū)塌陷積水區(qū)中往往含有大量煤粉，導(dǎo)致水體與煤難以區(qū)分，有研究人員采用DN值法［10］、擬合歸一化［11］、NDVI［12］等方法進(jìn)行煤礦區(qū)水體與煤的區(qū)分。利用光學(xué)數(shù)據(jù)可監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)開采引起的地表變化，但數(shù)據(jù)獲取受天氣影響使其有一定局限性。

1.3 DInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)地表形變

DInSAR作為一種新的沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)，有常規(guī)監(jiān)測(cè)手段無法替代的優(yōu)勢(shì)。有研究人員對(duì)DInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)開采沉陷技術(shù)［13-14］進(jìn)行研究，也有學(xué)者對(duì)具體煤礦區(qū)進(jìn)行研究，如獲取山西潞安礦區(qū)地表沉陷區(qū)位置和分布范圍［15］，對(duì)陜北神木煤礦2004年的煤礦塌陷區(qū)自動(dòng)定位［16］，吳立新在對(duì)美國、德國、波蘭的研究實(shí)例分析，對(duì)我國采用這項(xiàng)技術(shù)擬解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述［17］。DInSAR技術(shù)具有全天候監(jiān)測(cè)，覆蓋范圍廣，地面沉降的精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至更高等優(yōu)勢(shì)，但監(jiān)測(cè)時(shí)需要盡量克服相干性的限制，減少處理過程中的誤差，突破相位解纏的障礙，還要考慮費(fèi)用、頻率等因素［18］。

通過分析，現(xiàn)有的地表形變主要監(jiān)測(cè)方法雖然取得一定的效果，但存在不同程度的局限性:GPS監(jiān)測(cè)存在外業(yè)工作量大、費(fèi)時(shí)、費(fèi)用高垂向精度較低等問題;光學(xué)數(shù)據(jù)受天氣影響在應(yīng)用上有一定局限性;DInSAR對(duì)于時(shí)間基線較長(zhǎng)的干涉像對(duì)，無論是干涉圖質(zhì)量還是相位解纏精度都難以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

2 永城煤礦區(qū)DInSAR監(jiān)測(cè)

2.1 采用技術(shù)方法

通過充分認(rèn)識(shí)現(xiàn)有煤礦監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的特點(diǎn)，結(jié)合永城煤礦區(qū)實(shí)際情況分析認(rèn)為:永城煤礦區(qū)現(xiàn)有GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)局限于某個(gè)開采面上，不能滿足煤礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)的要求;多光譜影像受天氣影響，對(duì)于形變并產(chǎn)生積水的地區(qū)容易識(shí)別，但對(duì)于緩慢形變的地區(qū)難以識(shí)別;因此煤礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)選擇采用DInSAR技術(shù)進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)DInSAR技術(shù)存在去相干(時(shí)間去相干和基線去相干)問題，但近來研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間序列的DInSAR在時(shí)間范圍內(nèi)仍存在相位和幅度變化穩(wěn)定的點(diǎn)，稱之為高相干點(diǎn)，利用這些穩(wěn)定點(diǎn)上的相位特征，實(shí)現(xiàn)大氣效應(yīng)貢獻(xiàn)的消除，能獲得地表形變信息，研究中采用基于高相干點(diǎn)的DInSAR技術(shù)，在保證足夠相干點(diǎn)的條件下，基線距增大，增加干涉圖數(shù)量，從而保證監(jiān)測(cè)的精度［19］，監(jiān)測(cè)技術(shù)流程見圖1。

2.2 地表形變反演

根據(jù)煤礦區(qū)實(shí)際情況，研究區(qū)選在地表形變比較嚴(yán)重的陳四樓和城郊礦區(qū)，采用 20040215-20060219 6景ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)，時(shí)間均為冬季，時(shí)間基線最大為735d，垂直基線最大為436m，研究區(qū)的水體較少，居民點(diǎn)和煤礦區(qū)分布比較密集，相干性在客觀條件上較好。為了保證地物相干性，在組合干涉像對(duì)時(shí)限定時(shí)間基線小于5年，垂直基線小于300m，組合成11個(gè)干涉像對(duì)(表1)。

圖1 地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)流程Fig.1 Monitoring process of surface deformation

表1 ASAR數(shù)據(jù)的干涉像對(duì)組合Table 1 Interference ASAR image pairs

地表形變序列提取采用中國遙感衛(wèi)星地面站自主研發(fā)的INSAR處理平臺(tái)-CAESAR-XINSAR軟件。首先對(duì)這些圖像精配準(zhǔn)，生成11幅復(fù)相干圖，獲取相干系數(shù)圖和相位圖。為恢復(fù)地表真實(shí)干涉相位，參考Delft大學(xué)提供有精確的ERS和ASAR的軌道參數(shù)生成平地相位?？紤]到永城煤礦區(qū)地勢(shì)平坦，海拔高程為31～36m，且垂直基線距較小，沒有去除地形相位，地形相位保存在差分干涉圖中［20］，通過高相干點(diǎn)提取、建立Delaunay三角網(wǎng)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，獲取高相干點(diǎn)的形變速率，通過定標(biāo)插值，獲取20040215～20060219之間的11個(gè)形變序列。為便于同研究資料對(duì)比，選取11個(gè)形變序列(圖2)進(jìn)行分析。

圖2 20040215～20060219地表形變速率Fig.2 Surface deformation rate from Feb.15，2004 to Feb.19，2006

據(jù)圖2，煤礦區(qū)2004～2006年間地表形變非常明顯，大部分高相干點(diǎn)的年均沉降速率在-100mm～60mm，在位于曹莊、秦莊、呂莊等地的高相干點(diǎn)的年均沉降速率達(dá)到-1000mm～-100mm。

利用EasyKrig軟件對(duì)20040215～20060219的沉降序列插值，反演出地表形變結(jié)果(圖3)。

圖3 20040215-20060219地表形變反演結(jié)果Fig.3 The inversion results of surface deformation from Feb.15，2004 to Feb.19，2006

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

在2007年永城煤礦區(qū)沉陷調(diào)查中，采用1977年1:5000地形圖與2006年GPS實(shí)測(cè)獲取的1:5000地形圖對(duì)比分析后得出永城調(diào)查區(qū)地面沉陷情況(圖4)。從圖4可以看出，調(diào)查區(qū)包括永城陳四樓煤礦與城郊煤礦一部分，在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)形成了三個(gè)沉降中心，曹莊、秦莊和莊徐莊，其中曹莊地面沉陷最為嚴(yán)重，達(dá)2m以上，其它兩個(gè)的沉降中心在 1.5～2m。陳四樓煤礦1997年11月正式投產(chǎn)，2001年以后煤炭產(chǎn)量才逐年遞增;城郊煤礦2003年10月正式投產(chǎn)。因此，盡管調(diào)查結(jié)果為1977～2006年沉陷結(jié)果，與2004～2006年地表形變反演結(jié)果與其仍具可比性。

通過圖4可以看出，反演結(jié)果與調(diào)查結(jié)果所顯示的沉降趨勢(shì)與沉降中心一致，反演得出的沉降值略大于實(shí)際調(diào)查結(jié)果。

圖4 調(diào)查調(diào)查結(jié)果與反演結(jié)果對(duì)比(調(diào)查結(jié)果據(jù)張洪升等，2007)Fig.4 Comparison between inversion results and survey result(survey result by Zhang hongsheng et al.，2007)

4 結(jié)論與討論

(1)采用基于高相干點(diǎn)的多基線距DInSAR地表形變反演獲取地表形變范圍與程度與現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果一致，該方法用于煤礦地表形變反演是可行有效的。

(2)僅用6景分辨率較低ASAR數(shù)據(jù)，去除噪聲和大氣相位影響存在不足;塌陷發(fā)生的突然、迅速也導(dǎo)致部分去相干;實(shí)際調(diào)查中監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布不均勻，這些原因使反演結(jié)果與調(diào)查結(jié)果存在一定誤差。

(3)今后煤礦區(qū)地表形變反演除采用高分辨率的SAR數(shù)據(jù)外，還可考慮利用L波段減小時(shí)間去相干的影響，利用多平臺(tái)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)來提高監(jiān)測(cè)精度。

致謝:地表形變反演由中國科學(xué)院中國遙感衛(wèi)星地面站吳宏安博士完成，筆者致以熱忱謝意。

［1］楊萬東，張輝.永城:“煤城”的黑白經(jīng)濟(jì)［Z］.http://www.sina.com.cn，2009.3.19.

［2］張洪升，袁軍民，高鵬翔.河南省主要煤礦沉陷區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查測(cè)繪技術(shù)總結(jié)［R］.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪隊(duì)，2007.

［3］熊福文，朱文耀.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)地形變特征的 GPS監(jiān)測(cè)和分析［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2007，50:1719-1730.

［4］姜衛(wèi)平，周曉慧，劉經(jīng)南，等.青藏高原地殼運(yùn)動(dòng)與應(yīng)變的 GPS監(jiān)測(cè)研究［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008，37:285-292.

［5］魏雄，王仁波，李躍忠，等.基于GPS/GPRS的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008:2456-2460.

［6］劉輝，尹建輝.變形觀測(cè)在地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用［J］.地礦測(cè)繪，2006，22(3):31-32.

［7］汪寶存，苗放，晏明星，等.基于遙感技術(shù)的開灤煤礦地面塌陷積水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［J］.國土資源遙感，2007(3):94-97.

［8］董彥芳，付碧宏，二宮芳樹.利用光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)撫順地區(qū)煤礦開采引起的地貌變化［J］.第四紀(jì)研究，2008，28:363-370.

［9］李成尊，聶洪峰，汪勁，等.礦山地質(zhì)災(zāi)害特征遙感研究［J］.國土資源遙感，2005，1(1):45-48.

［10］趙鴻燕，魏也納，戴立乾.SPOT5影像在煤塵污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)用［J］.礦山測(cè)量，2009(3):8-10.

［11］彭蘇萍，王磊，孟召平，等.遙感技術(shù)在煤礦區(qū)積水塌陷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以淮南礦區(qū)為例［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2002(4):374-378

［12］牛寶茹.利用快鳥衛(wèi)星圖像監(jiān)測(cè)煤礦占地中煤與水體的區(qū)分［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2008，10(3):40.

［13］李晶晶，郭增長(zhǎng).基于D-InSAR技術(shù)的煤礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測(cè)［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(4):306-309.

［14］閆麗，趙超英.合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)用于煤礦沉陷監(jiān)測(cè)研究［J］.煤炭技術(shù)，2009，28(10):117-118.

［15］王行風(fēng)，汪云甲，杜培軍.利用差分干涉測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)開采沉陷變形的初步研究［J］.中國礦業(yè)，2007，16(7):77-80.

［16］趙超卿，吳雅麗.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量用于煤礦塌陷定位研究［J］.煤炭技術(shù)，2009(5):135-136.

［17］吳立新，高均海，葛大慶，等.基于 D-InSAR的煤礦區(qū)開采沉陷遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)分析［J］.地理與地理信息科學(xué)，2004，20(2):22-25.

［18］張潔，胡光道.基于合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的地面沉降研究綜述［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2005，24(3):104-108.

［19］張紅，王超，吳濤，等.基于相干目標(biāo)的DInSAR方法研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:5-10.

［20］魏也納，張?zhí)炝x，趙鴻燕，等.河南省礦業(yè)開發(fā)與礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究報(bào)告［R］.河南省國土資源科學(xué)研究院，2009.

Surface deformation from 2004 to 2006 on Yongcheng Coal Mining Area by Multibaseline DInSAR in Henan Province

ZHAO Hong-yan，WEI Ye-na，DAI Li-qian
(Henan Academy of Land and Resources Sciences，Zhengzhou 450053，China)

Yongcheng is an important coal production base of Henan Province.More than 70%of the coal mining subsidence area is cultivated land.This kind of circumstance has threatened the local residents severely in local production，life and property，so it becomes an urgent problem to be solved to adopt fast and efficient technological means to obtain the information of subsidence area used to help the relevant departments to make decision;This paper selected six ASAR images between 2004 and 2006 to inverse the surface deformation of Yongcheng coal mining area in Henan province by Multibaseline DInSAR.The Inversion results are in accordance with survey results through comparison and analysis in the paper，and the study shows that inversion technology of Surface Deformation by Multibaseline DInSAR has a strong practical and generalization;Finally，it analyses the causes of errors and advise using L-band and multi-platform joint monitoring technique to improve the monitoring precision.

differential InSAR;Yongcheng Coal Mining in Henam Province area;durface deformation;CT(Coherent Target)

1003-8035(2010)04-0091-04

TP79;TD82

A

2010-06-18;

2010-08-26

河南省國土資源廳科技攻關(guān)項(xiàng)目“礦業(yè)開發(fā)與礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”((2006)26421)

趙鴻燕(1972—)，女，山西絳縣人，碩士，工程師，研究方向?yàn)?S技術(shù)應(yīng)用與研究。

E-mail:zhy981229@sohu.com