李君

摘 要：該文采用常規(guī)雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)（D-InSAR），對德國的TerraSAR數(shù)據(jù)（RAW）進(jìn)行處理，監(jiān)測黑龍江省雙鴨山礦區(qū)煤礦地面沉降，獲取監(jiān)測礦區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)生的位置及范圍，結(jié)合實驗分析差分干涉測量技術(shù)（D-InSAR）在地表形變監(jiān)測的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)干涉測量 ?D-InSAR ?地面沉降監(jiān)測

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔徑雷達(dá)SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年發(fā)展起來的一種空間對地觀測技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)的方法相比SAR具有全天時、全天候，穿透力強，分辨率高等諸多優(yōu)點。目前已經(jīng)被廣泛用于獲取地面起伏的信息，利用SAR獲取的信息通過干涉測量技術(shù)InSAR[2]和差分干涉測量技術(shù)D-InSAR則可以進(jìn)一步獲取地面高程模型和地面高度的變化[3-4]，因此，這一技術(shù)的應(yīng)用前景受到普遍重視。在垂直變形監(jiān)測中SAR技術(shù)的優(yōu)點是顯而易見的，但是該技術(shù)還從未應(yīng)用到黑龍江的煤礦礦區(qū)做地面沉降監(jiān)測，為此該文將該技術(shù)應(yīng)用雙鴨山煤礦礦區(qū)，是黑龍江省環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)手段革新的一次大膽嘗試。

該文試驗區(qū)為雙鴨山，雙鴨山市位于黑龍江省東北部，地理坐標(biāo)：東經(jīng)130°56'00〃～131°38'49〃，北緯46°21'00〃～46°46'00〃。工業(yè)以煤炭生產(chǎn)為主，是黑龍江省主要的煤炭生產(chǎn)地之一，全市共有煤礦233座，建材及非金屬礦87座。是一座以煤炭采掘和加工為主的新興工業(yè)城市，素有“煤城”之譽，是黑龍江省儲量最大的煤城。地下煤炭資源開采后易形成采空區(qū)， 造成開采區(qū)地表下沉，對地表居民區(qū)、建筑物、交通設(shè)施造成危害。因此，煤礦開采區(qū)十分重視地表沉降和塌陷的監(jiān)測。

1 D-InSAR技術(shù)的基本原理

D-InSAR技術(shù)可以分為二軌法和三軌法，前者是利用事先獲取的DEM模擬干涉紋圖，然后從整體干涉圖中減去這部分信息就得到地面變化信息;后者利用三幅影像生成兩幅干涉圖，其中一幅干涉圖是地表變化前產(chǎn)生的，主要獲取地形息，另外一幅干涉圖是由兩個跨越形變的SAR影像生成，包含了形變信息。這樣通過去除地形信息就可以得到形變信息[5]二軌法為例，其基本原理。如圖1所示，假設(shè)地面點目標(biāo)兩次成像期間位置發(fā)生了變化，從P點運動到了P點。

如果地面點未發(fā)生變化，S1和S2關(guān)于目標(biāo)P點的相位差可以表示為：

（1）

但是P點有所變化，如圖中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此實際的干涉相位φ 為：

（3）

為了提取沉降信息，需要去除平地效應(yīng)，然后根據(jù)數(shù)字高程模型、軌道數(shù)據(jù)和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)模擬地形相位并將其去除，進(jìn)而得到殘余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意圖只是二軌法差分的理想狀況，實際數(shù)據(jù)處理過程中還需考慮其他因素引起的相位噪聲，這里不再贅述。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次所采用的TerraSAR數(shù)據(jù)為自2013年10月至2013年11月的共計3景，具體參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

數(shù)據(jù)處理得到該區(qū)域2013年10-11月的開采形變結(jié)果。圖2顯示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三個干涉組合的相位解纏圖，圖中圈出了在相位解纏圖中發(fā)現(xiàn)的煤礦開采形變區(qū)，這些開采形變區(qū)同雙鴨山礦區(qū)涉及的各個煤礦的月開采計劃位置較一致，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在這些煤礦開采形變區(qū)內(nèi)，形變呈持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，開采形變位置較一致。另外從本次的相位解纏圖中可以明顯地看出，20131003-20131014干涉對干涉質(zhì)量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉質(zhì)量最差，三個干涉對分別相隔11 d、22 d和33 d，可見在該地區(qū)時間去相干現(xiàn)象比較明顯，建議后續(xù)數(shù)據(jù)獲取時間間隔不超過33 d。

為了進(jìn)一步顯示煤礦開采區(qū)的形變信息，將干涉對20131003-20131014進(jìn)行了局部放大顯示，見圖3，從圖3中可以較明顯地看出煤礦開采所導(dǎo)致的地表形變。

3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

將數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步提取了特征行變點的形變時間序列，見圖4，可見在一個月的時間內(nèi)，開采形變可達(dá)10 cm以上。值得注意的是，本試驗監(jiān)測結(jié)果僅是針對相干區(qū)域進(jìn)行了形變值的提取，而大量級的形變會導(dǎo)致影像干涉失相干，也就是說，實際形變情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本試驗監(jiān)測結(jié)果。故D-InSAR技術(shù)應(yīng)用于雙鴨山礦區(qū)地面沉降監(jiān)測是可行的，而且具有非常好的前景。

4 結(jié)語

地面沉降和地面塌陷都是以地面形變?yōu)樘卣鞯牡刭|(zhì)災(zāi)害，它們對人民生活和經(jīng)濟建設(shè)的造成重大威脅。D-InSAR技術(shù)則能以毫米級的精度大面積、快速、經(jīng)濟得獲取地表形變信息，其在緩變型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力得到了越來越多的關(guān)注。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)在雙鴨山礦區(qū)地面形變監(jiān)測的成功應(yīng)用，將會推進(jìn)該技術(shù)在其他煤城的普及應(yīng)用，為我省四大煤城的建設(shè)和發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

[5] 廖明生，林暉.雷達(dá)干涉測量——原理與信號處理基礎(chǔ)[M].北京，測繪出版社，2003.

摘 要：該文采用常規(guī)雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)（D-InSAR），對德國的TerraSAR數(shù)據(jù)（RAW）進(jìn)行處理，監(jiān)測黑龍江省雙鴨山礦區(qū)煤礦地面沉降，獲取監(jiān)測礦區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)生的位置及范圍，結(jié)合實驗分析差分干涉測量技術(shù)（D-InSAR）在地表形變監(jiān)測的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)干涉測量 ?D-InSAR ?地面沉降監(jiān)測

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔徑雷達(dá)SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年發(fā)展起來的一種空間對地觀測技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)的方法相比SAR具有全天時、全天候，穿透力強，分辨率高等諸多優(yōu)點。目前已經(jīng)被廣泛用于獲取地面起伏的信息，利用SAR獲取的信息通過干涉測量技術(shù)InSAR[2]和差分干涉測量技術(shù)D-InSAR則可以進(jìn)一步獲取地面高程模型和地面高度的變化[3-4]，因此，這一技術(shù)的應(yīng)用前景受到普遍重視。在垂直變形監(jiān)測中SAR技術(shù)的優(yōu)點是顯而易見的，但是該技術(shù)還從未應(yīng)用到黑龍江的煤礦礦區(qū)做地面沉降監(jiān)測，為此該文將該技術(shù)應(yīng)用雙鴨山煤礦礦區(qū)，是黑龍江省環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)手段革新的一次大膽嘗試。

該文試驗區(qū)為雙鴨山，雙鴨山市位于黑龍江省東北部，地理坐標(biāo)：東經(jīng)130°56'00〃～131°38'49〃，北緯46°21'00〃～46°46'00〃。工業(yè)以煤炭生產(chǎn)為主，是黑龍江省主要的煤炭生產(chǎn)地之一，全市共有煤礦233座，建材及非金屬礦87座。是一座以煤炭采掘和加工為主的新興工業(yè)城市，素有“煤城”之譽，是黑龍江省儲量最大的煤城。地下煤炭資源開采后易形成采空區(qū)， 造成開采區(qū)地表下沉，對地表居民區(qū)、建筑物、交通設(shè)施造成危害。因此，煤礦開采區(qū)十分重視地表沉降和塌陷的監(jiān)測。

1 D-InSAR技術(shù)的基本原理

D-InSAR技術(shù)可以分為二軌法和三軌法，前者是利用事先獲取的DEM模擬干涉紋圖，然后從整體干涉圖中減去這部分信息就得到地面變化信息;后者利用三幅影像生成兩幅干涉圖，其中一幅干涉圖是地表變化前產(chǎn)生的，主要獲取地形息，另外一幅干涉圖是由兩個跨越形變的SAR影像生成，包含了形變信息。這樣通過去除地形信息就可以得到形變信息[5]二軌法為例，其基本原理。如圖1所示，假設(shè)地面點目標(biāo)兩次成像期間位置發(fā)生了變化，從P點運動到了P點。

如果地面點未發(fā)生變化，S1和S2關(guān)于目標(biāo)P點的相位差可以表示為：

（1）

但是P點有所變化，如圖中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此實際的干涉相位φ 為：

（3）

為了提取沉降信息，需要去除平地效應(yīng)，然后根據(jù)數(shù)字高程模型、軌道數(shù)據(jù)和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)模擬地形相位并將其去除，進(jìn)而得到殘余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意圖只是二軌法差分的理想狀況，實際數(shù)據(jù)處理過程中還需考慮其他因素引起的相位噪聲，這里不再贅述。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次所采用的TerraSAR數(shù)據(jù)為自2013年10月至2013年11月的共計3景，具體參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

數(shù)據(jù)處理得到該區(qū)域2013年10-11月的開采形變結(jié)果。圖2顯示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三個干涉組合的相位解纏圖，圖中圈出了在相位解纏圖中發(fā)現(xiàn)的煤礦開采形變區(qū)，這些開采形變區(qū)同雙鴨山礦區(qū)涉及的各個煤礦的月開采計劃位置較一致，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在這些煤礦開采形變區(qū)內(nèi)，形變呈持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，開采形變位置較一致。另外從本次的相位解纏圖中可以明顯地看出，20131003-20131014干涉對干涉質(zhì)量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉質(zhì)量最差，三個干涉對分別相隔11 d、22 d和33 d，可見在該地區(qū)時間去相干現(xiàn)象比較明顯，建議后續(xù)數(shù)據(jù)獲取時間間隔不超過33 d。

為了進(jìn)一步顯示煤礦開采區(qū)的形變信息，將干涉對20131003-20131014進(jìn)行了局部放大顯示，見圖3，從圖3中可以較明顯地看出煤礦開采所導(dǎo)致的地表形變。

3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

將數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步提取了特征行變點的形變時間序列，見圖4，可見在一個月的時間內(nèi)，開采形變可達(dá)10 cm以上。值得注意的是，本試驗監(jiān)測結(jié)果僅是針對相干區(qū)域進(jìn)行了形變值的提取，而大量級的形變會導(dǎo)致影像干涉失相干，也就是說，實際形變情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本試驗監(jiān)測結(jié)果。故D-InSAR技術(shù)應(yīng)用于雙鴨山礦區(qū)地面沉降監(jiān)測是可行的，而且具有非常好的前景。

4 結(jié)語

地面沉降和地面塌陷都是以地面形變?yōu)樘卣鞯牡刭|(zhì)災(zāi)害，它們對人民生活和經(jīng)濟建設(shè)的造成重大威脅。D-InSAR技術(shù)則能以毫米級的精度大面積、快速、經(jīng)濟得獲取地表形變信息，其在緩變型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力得到了越來越多的關(guān)注。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)在雙鴨山礦區(qū)地面形變監(jiān)測的成功應(yīng)用，將會推進(jìn)該技術(shù)在其他煤城的普及應(yīng)用，為我省四大煤城的建設(shè)和發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

[5] 廖明生，林暉.雷達(dá)干涉測量——原理與信號處理基礎(chǔ)[M].北京，測繪出版社，2003.

摘 要：該文采用常規(guī)雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)（D-InSAR），對德國的TerraSAR數(shù)據(jù)（RAW）進(jìn)行處理，監(jiān)測黑龍江省雙鴨山礦區(qū)煤礦地面沉降，獲取監(jiān)測礦區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)生的位置及范圍，結(jié)合實驗分析差分干涉測量技術(shù)（D-InSAR）在地表形變監(jiān)測的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)干涉測量 ?D-InSAR ?地面沉降監(jiān)測

中圖分類號：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔徑雷達(dá)SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年發(fā)展起來的一種空間對地觀測技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)的方法相比SAR具有全天時、全天候，穿透力強，分辨率高等諸多優(yōu)點。目前已經(jīng)被廣泛用于獲取地面起伏的信息，利用SAR獲取的信息通過干涉測量技術(shù)InSAR[2]和差分干涉測量技術(shù)D-InSAR則可以進(jìn)一步獲取地面高程模型和地面高度的變化[3-4]，因此，這一技術(shù)的應(yīng)用前景受到普遍重視。在垂直變形監(jiān)測中SAR技術(shù)的優(yōu)點是顯而易見的，但是該技術(shù)還從未應(yīng)用到黑龍江的煤礦礦區(qū)做地面沉降監(jiān)測，為此該文將該技術(shù)應(yīng)用雙鴨山煤礦礦區(qū)，是黑龍江省環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)手段革新的一次大膽嘗試。

該文試驗區(qū)為雙鴨山，雙鴨山市位于黑龍江省東北部，地理坐標(biāo)：東經(jīng)130°56'00〃～131°38'49〃，北緯46°21'00〃～46°46'00〃。工業(yè)以煤炭生產(chǎn)為主，是黑龍江省主要的煤炭生產(chǎn)地之一，全市共有煤礦233座，建材及非金屬礦87座。是一座以煤炭采掘和加工為主的新興工業(yè)城市，素有“煤城”之譽，是黑龍江省儲量最大的煤城。地下煤炭資源開采后易形成采空區(qū)， 造成開采區(qū)地表下沉，對地表居民區(qū)、建筑物、交通設(shè)施造成危害。因此，煤礦開采區(qū)十分重視地表沉降和塌陷的監(jiān)測。

1 D-InSAR技術(shù)的基本原理

D-InSAR技術(shù)可以分為二軌法和三軌法，前者是利用事先獲取的DEM模擬干涉紋圖，然后從整體干涉圖中減去這部分信息就得到地面變化信息;后者利用三幅影像生成兩幅干涉圖，其中一幅干涉圖是地表變化前產(chǎn)生的，主要獲取地形息，另外一幅干涉圖是由兩個跨越形變的SAR影像生成，包含了形變信息。這樣通過去除地形信息就可以得到形變信息[5]二軌法為例，其基本原理。如圖1所示，假設(shè)地面點目標(biāo)兩次成像期間位置發(fā)生了變化，從P點運動到了P點。

如果地面點未發(fā)生變化，S1和S2關(guān)于目標(biāo)P點的相位差可以表示為：

（1）

但是P點有所變化，如圖中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此實際的干涉相位φ 為：

（3）

為了提取沉降信息，需要去除平地效應(yīng)，然后根據(jù)數(shù)字高程模型、軌道數(shù)據(jù)和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)模擬地形相位并將其去除，進(jìn)而得到殘余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意圖只是二軌法差分的理想狀況，實際數(shù)據(jù)處理過程中還需考慮其他因素引起的相位噪聲，這里不再贅述。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次所采用的TerraSAR數(shù)據(jù)為自2013年10月至2013年11月的共計3景，具體參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

數(shù)據(jù)處理得到該區(qū)域2013年10-11月的開采形變結(jié)果。圖2顯示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三個干涉組合的相位解纏圖，圖中圈出了在相位解纏圖中發(fā)現(xiàn)的煤礦開采形變區(qū)，這些開采形變區(qū)同雙鴨山礦區(qū)涉及的各個煤礦的月開采計劃位置較一致，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在這些煤礦開采形變區(qū)內(nèi)，形變呈持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，開采形變位置較一致。另外從本次的相位解纏圖中可以明顯地看出，20131003-20131014干涉對干涉質(zhì)量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉質(zhì)量最差，三個干涉對分別相隔11 d、22 d和33 d，可見在該地區(qū)時間去相干現(xiàn)象比較明顯，建議后續(xù)數(shù)據(jù)獲取時間間隔不超過33 d。

為了進(jìn)一步顯示煤礦開采區(qū)的形變信息，將干涉對20131003-20131014進(jìn)行了局部放大顯示，見圖3，從圖3中可以較明顯地看出煤礦開采所導(dǎo)致的地表形變。

3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

將數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步提取了特征行變點的形變時間序列，見圖4，可見在一個月的時間內(nèi)，開采形變可達(dá)10 cm以上。值得注意的是，本試驗監(jiān)測結(jié)果僅是針對相干區(qū)域進(jìn)行了形變值的提取，而大量級的形變會導(dǎo)致影像干涉失相干，也就是說，實際形變情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本試驗監(jiān)測結(jié)果。故D-InSAR技術(shù)應(yīng)用于雙鴨山礦區(qū)地面沉降監(jiān)測是可行的，而且具有非常好的前景。

4 結(jié)語

地面沉降和地面塌陷都是以地面形變?yōu)樘卣鞯牡刭|(zhì)災(zāi)害，它們對人民生活和經(jīng)濟建設(shè)的造成重大威脅。D-InSAR技術(shù)則能以毫米級的精度大面積、快速、經(jīng)濟得獲取地表形變信息，其在緩變型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力得到了越來越多的關(guān)注。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)在雙鴨山礦區(qū)地面形變監(jiān)測的成功應(yīng)用，將會推進(jìn)該技術(shù)在其他煤城的普及應(yīng)用，為我省四大煤城的建設(shè)和發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

[5] 廖明生，林暉.雷達(dá)干涉測量——原理與信號處理基礎(chǔ)[M].北京，測繪出版社，2003.