龍四春，唐 濤，張趙龍，3，李 黎，蔣宗立

(1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)測(cè)量工程與形變監(jiān)測(cè)研究所，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué)能源學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

DInSAR集成GPS的礦山地表形變監(jiān)測(cè)研究

龍四春1，2，唐 濤1，張趙龍1，3，李 黎1，2，蔣宗立1，2

(1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)測(cè)量工程與形變監(jiān)測(cè)研究所，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué)能源學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

礦區(qū)滑坡、沉陷等地質(zhì)災(zāi)害頻繁，礦區(qū)地表監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)愈顯重要，利用雷達(dá)差分干涉測(cè)量與GPS集成可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)的三維形變監(jiān)測(cè)。本文以資興唐煤礦區(qū)為例，對(duì)礦區(qū)五景ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，獲取了垂直形變圖；在礦區(qū)選取了代表性的10個(gè)GPS形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取了ASAR數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間的平面點(diǎn)位形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)DInSAR與GPS測(cè)量數(shù)據(jù)集成與內(nèi)插，獲得地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維形變量，采用部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)形變結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

DInSAR；GPS；集成；三維；形變監(jiān)測(cè)

一、引 言

在國(guó)外，Carnec等用ERS雷達(dá)影像對(duì)法國(guó)Gardanne地區(qū)煤礦開(kāi)采引起的沉陷進(jìn)行了DInSAR監(jiān)測(cè)，并將地下開(kāi)采巷道位置圖與雷達(dá)差分干涉圖進(jìn)行疊加分析，粗略地得出開(kāi)采巷道位置中心與DInSAR差分干涉圖沉陷盆地中心位置基本一致[1]。1999年，Wright等利用ERS、SAR數(shù)據(jù)對(duì)植被覆蓋的Selby煤田導(dǎo)致的地表沉陷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，從大量影像中找到時(shí)間基線為35 d的干涉像對(duì)，提取到110 mm的地面沉陷[2]。澳大利亞Ge Linlin等用InSAR與GPS、水準(zhǔn)集成進(jìn)行煤礦開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)，提取了三維形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出在植被覆蓋地區(qū)L波段比C波段數(shù)據(jù)更有優(yōu)勢(shì)的結(jié)論[3]。2007年，Jung等用PSInSAR技術(shù)，使用25幅JERS-1影像研究了時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)6年的煤礦開(kāi)采后沉陷，得到了一個(gè)粗略的沉陷監(jiān)測(cè)結(jié)果[4]。此后，2011年，Nesrin Salepci[5]、Saygin Abdikan[6]，以及2012年，Wolfgang[7]等采用InSAR、GPS、水準(zhǔn)等數(shù)據(jù)集成進(jìn)行了礦山地表沉陷監(jiān)測(cè)，但由于植被覆蓋等因素的影響，尤其像我國(guó)南方的丘陵地區(qū)，認(rèn)為采用中低分辨率SAR很難得到可靠的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。

在國(guó)內(nèi)，2005年吳立新等用5幅ERS-1/2影像提取了開(kāi)灤礦區(qū)煤層開(kāi)采引起的地表沉陷，得到半年內(nèi)LOS方向的地表形變量，并將其分解為水平分量和垂直分量[8]。2007年獨(dú)知行[9]、董玉森[10]、王行風(fēng)[11]等在傳統(tǒng)礦山形變監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)了GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)礦山開(kāi)采沉陷，得到了較連續(xù)的地表連續(xù)形變結(jié)果，并結(jié)合開(kāi)采進(jìn)行了分析。2011年，JIANG Liming[12]用SBAS方法監(jiān)測(cè)了烏達(dá)煤礦由煤炭火災(zāi)引起的地表沉陷，成功監(jiān)測(cè)到整個(gè)雷達(dá)影像范圍內(nèi)擁有18個(gè)沉陷區(qū)域。2011年，盛耀彬等采用ALOS PALSAR影像，基于時(shí)序差分干涉對(duì)澳大利亞某礦區(qū)開(kāi)采導(dǎo)致的地表形變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果與開(kāi)采巷道位置、推進(jìn)進(jìn)度信息相疊加，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的一致性[13]。此后，2011年YIN Hongjie[14]，以及2012年FAN Hongdong[15]等用DInSAR與常規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)的集成開(kāi)展礦山沉陷監(jiān)測(cè)研究，企圖使InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)普及應(yīng)用到礦山地表開(kāi)采沉陷地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中。但是由于中低分辨率SAR本身帶寬、回波強(qiáng)度等的局限性，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)從微量緩慢形變到大尺度快速沉滑的三維形變監(jiān)測(cè)，在水平方向的移動(dòng)還需依靠GPS等外部數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

二、DInSAR及GPS測(cè)量集成

1.DInSAR沉陷監(jiān)測(cè)的原理

二軌法DInSAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的幾何原理如圖1所示。在圖1中，S1、S2為天線在兩個(gè)成像時(shí)刻的位置，H為天線在S1處的橢球高度，P為地面觀測(cè)點(diǎn)，h為監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于橢球體的高度，θ為天線在S1處的視角，B為基線長(zhǎng)度，α為基線與水平方向的夾角，r1、r2分別為S1、S2到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斜距。

圖1 DInSAR成像幾何原理圖

圖1中，S1、S2兩雷達(dá)天線從同一目標(biāo)表面單元接收到的相位差φ可表示為

從圖中的幾何關(guān)系，根據(jù)余弦定理有

皮亞杰把人的認(rèn)知發(fā)展分為了四個(gè)階段：感知運(yùn)動(dòng)階段、前運(yùn)算階段、具體運(yùn)算階段和形式運(yùn)算階段，對(duì)應(yīng)的年齡段分別為：0—2、2—7、7—11、11—成年。很明顯，初中生的認(rèn)知發(fā)展水平屬于形式運(yùn)算階段，在這一階段的學(xué)生，能夠根據(jù)邏輯推理、歸納或演繹的方式解決問(wèn)題，抽象概括化水平高，思維發(fā)展接近成人水平，此外一個(gè)特征便是青春期自我中心：青少年并不否認(rèn)他人有不同的感知和信念，并開(kāi)始關(guān)注他們自己的觀點(diǎn)、信念、態(tài)度。

根據(jù)式(1)和式(2)，圖1中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地形高度h可以表示為

如果在觀測(cè)期間地表發(fā)生了形變，假設(shè)地表沿視線方向發(fā)生的形變量為Δρ，則兩天線S1和S2對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量相位差可表示為

通過(guò)作差處理，便可以得出地表形變量。

2.DInSAR及GPS集成原理

DInSAR與GPS測(cè)量在很多方面存在異同，DInSAR在空間分辨率上極具優(yōu)勢(shì)，但時(shí)間分辨率稍顯不足；GPS在時(shí)間分辨率上具有很大優(yōu)勢(shì)，但空間分辨率存有缺陷。因此，DInSAR與GPS集成可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的優(yōu)劣互補(bǔ)，得到三維形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。集成原理如圖2所示。

圖2 DInSAR及GPS集成原理示意圖

如圖2所示，DInSAR與GPS集成是將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維信息分別進(jìn)行處理，利用DInSAR獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直形變量，用GPS測(cè)量獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x和y的形變量，進(jìn)而集成得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)的三維形變量。

三、DInSAR及GPS在唐煤礦區(qū)中的集成應(yīng)用

1.資興唐煤礦區(qū)的概況

資興唐煤公司位于湖南省資興市，大致位于112°40′E～113°30′E、24°40′N(xiāo)～26°10′N(xiāo)區(qū)域范圍內(nèi)。礦區(qū)內(nèi)地形比較復(fù)雜，最高峰為羅仙嶺，海拔946 m。井田構(gòu)造以斷裂為主，主導(dǎo)斷層是貫穿礦區(qū)的三都平野斷層，伴隨它的有抬轎垅斷層、白石江斷層，均具壓扭斷裂性質(zhì)。

為了對(duì)礦區(qū)進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，礦區(qū)內(nèi)共布設(shè)了25個(gè)GPS控制點(diǎn)、145個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)。

2.唐煤礦區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源

礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)采用五景入射角23°、C波段、VV極化的ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)。軌道號(hào)分別為13799、14300、14801、15803和18809。去除地形采用SRTM DEM。GPS采用靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，精度能達(dá)到毫米級(jí)。

3.DInSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析

在試驗(yàn)中，以2004年11月24日的影像為主影像，以2004年12月29日的影像為從影像進(jìn)行干涉處理。本試驗(yàn)將采用二軌法對(duì)ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體流程如圖3所示。

圖3 二軌DInSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

借助GAMMA軟件對(duì)五景ASAR影像進(jìn)行軌道修正、配準(zhǔn)等處理獲得SLC單視復(fù)數(shù)影像。為了減少數(shù)據(jù)處理所占用的內(nèi)存空間，根據(jù)礦區(qū)的大致位置，對(duì)SLC單視復(fù)數(shù)影像對(duì)進(jìn)行切割，如圖4所示。

圖4 切割前、后的影像

對(duì)切割后的五景SLC單視復(fù)影像以軌道號(hào)14300影像為主影像分別進(jìn)行配準(zhǔn)、干涉處理獲得相干圖(如圖5所示)。

圖5 相干圖生成

從圖5中4幅相干系數(shù)圖可以看出，14300_ 14801干涉像對(duì)的相干性最高，故選取14300.SLC、14801.SLC兩景單視復(fù)影像進(jìn)行二軌差分處理。

由于兩幅影像成像軌道、視角或時(shí)間的偏差，在距離和方位向都會(huì)存在一定的錯(cuò)位和扭曲。因此，影像配準(zhǔn)是影像進(jìn)行干涉、差分等步驟的關(guān)鍵，配準(zhǔn)精度的高低直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。但通常情況下，借用GAMMA軟件，影像配準(zhǔn)誤差小于0.2個(gè)像元，滿足監(jiān)測(cè)精度要求。

完成配準(zhǔn)后，主影像和重采樣后的輔影像共軛相乘，生成干涉圖，如圖6所示。

再對(duì)同地區(qū)SRTM DEM進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、地理編碼等步驟，得到模擬地形相位，如圖7所示。

圖7 模擬地形相位圖

將原始影像干涉處理得到的復(fù)數(shù)干涉圖與由外部SRTM DEM模擬得到的地形相位圖進(jìn)行差分處理，得到差分干涉相位圖，如圖8所示。

圖8 差分干涉相位圖

地形、時(shí)空基線失相關(guān)、熱噪聲、數(shù)據(jù)處理等噪聲的存在使得干涉圖信噪比降低，尤其對(duì)于有植被覆蓋的礦山地區(qū)，會(huì)導(dǎo)致相位解纏困難。干涉圖中各點(diǎn)的相位值只是落入真實(shí)相位主值[－π，π]區(qū)間內(nèi)，要得到反映形變信息的真實(shí)相位值必須進(jìn)行相位解纏；再進(jìn)行從相位到形變量的轉(zhuǎn)換與地理編碼，就可以得到礦區(qū)地表沉降圖，如圖9所示。

圖9 濾波后的差分干涉圖

4.DInSAR與GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果集成

基于采集的靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)，進(jìn)行基線解算及網(wǎng)平差處理，得到與InSAR部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2004年11—12月間平面位置在x和y方向的形變曲線，如圖10和圖11所示。

圖10 x方向位移

圖11 y方向位移

借助ArcGIS軟件，得到以上水平位移變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直形變量(見(jiàn)表1)。

表1 DInSAR與水平變形對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直沉降量

為了檢驗(yàn)DInSAR垂直方向監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性，利用唐煤礦區(qū)2004年11—12月的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 DInSAR垂直沉降量與其水準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較m

從表2可見(jiàn)，除監(jiān)測(cè)點(diǎn)H6對(duì)應(yīng)的DInSAR測(cè)量值與水準(zhǔn)測(cè)量值相差較大外，其余點(diǎn)具有很高的相關(guān)性。再將沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果與GPS水平監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行集成，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維形變監(jiān)測(cè)結(jié)果(如圖12所示)。

四、結(jié)束語(yǔ)

DInSAR技術(shù)觀測(cè)結(jié)果是整個(gè)區(qū)域面的變形信息，監(jiān)測(cè)精度與水準(zhǔn)測(cè)量相當(dāng)，GPS能毫米級(jí)地監(jiān)測(cè)水平位移，DInSAR集成GPS實(shí)現(xiàn)了DInSAR與GPS測(cè)量技術(shù)在垂直和水平方向監(jiān)測(cè)精度的優(yōu)劣互補(bǔ)，提高了礦山沉陷監(jiān)測(cè)工作的效率，使得監(jiān)測(cè)結(jié)果更加可靠。但存在個(gè)別點(diǎn)位的DInSAR監(jiān)測(cè)與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果相差2.6 cm，初步分析是由于礦區(qū)植被等的影響，雷達(dá)影像的相干性較差，導(dǎo)致相位解纏困難或失敗所造成。隨著DInSAR技術(shù)及GPS測(cè)量技術(shù)的日趨成熟，以及高分辨率多頻多模星載SAR的發(fā)射，DInSAR與GPS、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)集成的高精度大范圍三維形變監(jiān)測(cè)將逐步得到應(yīng)用。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維形變結(jié)果

[1] CARNEC C DELACOURT C.Three Years of Mining Subsidence Monitored by SAR Interferometry，near Gardanne，F(xiàn)rance[J].Journal of Applied Geophysics，2000，43(1)：43-54.

[2] WRIGHT P STOW R.Detecting Mining Subsidence from Space[J].International Journal of Remote Sensing，1999，20(6)：1183-1188.

[3] GE L，CHANG H C，RIZOS C.Mine Subsidence Monitoring Using Multi-source Satellite SAR Images[J]. PhotogrammetricEngineeringandRemoteSensing，2007，73(3)：259-266.

[4] JUNG H C，KIM S W，JUNG H S，et al.Satellite Observation of Coal Mining Subsidence by Persistent Scatterer Analysis[J].Engineering Geology，2007，92(1-2)：1-13.

[5] SALEPCI N.Long Term Monitoring of Mining Induced Subsidence in Thuringia，Germany by DInSAR[C]∥8th International Workshop on Advances in the Science and Applications of SAR Interferometry.[S.l.]：IEEE，2011.

[6] ABDIKAN S，HOOPER A.InSAR Time Series Analysis of Coal Mining Field in Zonguldak City，NW Turkey [C]∥8th International Workshop on Advances in the Science and Applications of SAR Interferometry.Tarkey：[s.n.]，2011.

[7] NIEMEIER W，LIU Donglie.Evaluation of InSAR Technology for Monitoring Surface Deformation due to Mining Activities in Mountainous Areas[C]∥Joint International Workshop on Mine Surveying in China.Beijing：[s.n.]，2012：340-346.

[8] 吳立新，高均海，葛大慶，等.工礦區(qū)地表沉陷Dln-SAR監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26(8)：778-782.

[9] 獨(dú)知行，陽(yáng)凡林，劉國(guó)林，等.GPS與InSAR數(shù)據(jù)融合在礦山開(kāi)采沉陷形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32(1)：55-57.

[10] 董玉森，GE L，CHANG H C等.基于差分雷達(dá)干涉測(cè)量的礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2007，32(10)：888-891.

[11] 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(kāi)采沉陷變形的初步研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2007，16(7)：77-80.

[12] JIANG L，LIN H，MA J，et al.Potential of Small-baseline SAR Interferometry for Monitoring Land Subsidence Related to Underground Coal Fires：Wuda(Northern China)Case Study[J].Remote Sensing of Environment，2011，115：257-268.

[13] 盛耀彬.基于時(shí)序SAR影像的地下資源開(kāi)采導(dǎo)致的地表形變監(jiān)測(cè)方法與應(yīng)用[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

[14] 尹宏杰，朱建軍，李志偉，等.基于SBAS的礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2011，40(1)：52-58.

[15] FAN Hongdong，DENG Kazhong.Generating Mining Subsidence by D-InSAR and Probability Integral Method [C]∥Joint international Workshop on Mine Surveying in China.Beijing：[s.n.]，2012：268-273.

On Mining Ground Deformation Monitoring Based on Integration of DInSAR and GPS

LONG Sichun，TANG Tao，ZHANG Zhaolong，LI Li，JIANG Zongli

P258；P228.4

B

0494-0911(2014)11-0006-05

2013-10-08；

2014-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(41404106；41004002)；大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLGED2014-5-3-E)；桂科能基金(1207115-21)；煤炭資源與環(huán)保湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(E21221)

龍四春(1975—)，男，湖南漣源人，博士后，副教授，主要研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)干涉測(cè)量與大地測(cè)量。

龍四春，唐濤，張趙龍，等.DInSAR集成GPS的礦山地表形變監(jiān)測(cè)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(11)：6-10.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0351