王小兵

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

DInSAR技術(shù)近年來空間對地觀測技術(shù)的成果之一，是對InSAR技術(shù)的進一步發(fā)展，是一種以合成孔徑雷達的復(fù)數(shù)影像的相位信息來獲取地表變形信息的技術(shù)，地表垂直變形信息的提取精度已達到了毫米級，相對于傳統(tǒng)水準測量、全站儀三角高程測量、三維激光掃描技術(shù)、GPS差分測量等方法而言，優(yōu)勢較為明顯［1-4］。為此，為了進一步促進基于DInSAR的礦山開采沉降監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對近年來該領(lǐng)域的研究成果進行適當總結(jié)與分析。

1 DInSAR開采沉陷監(jiān)測原理

采用DInSAR技術(shù)監(jiān)測開采沉陷的基本原理是利用2景分別為成像前后的圖像進行干涉處理，獲得包含礦區(qū)地形、形變相位的干涉圖，結(jié)合礦區(qū)數(shù)字高程模型(Digital Evaluation Model，DEM)［2］得到模擬干涉條紋圖，從而實現(xiàn)去除地形因素的目的［6-7］。DInSAR相位組成可表示為

式中，Φtopo為地形相位，由礦區(qū)地形起伏因素引起，可通過區(qū)內(nèi)DEM反演模擬的方式消除該相位;Φflat為由地球曲率引起的平地效應(yīng)相位，可采用精密軌道數(shù)據(jù)來去除;Φdef為礦區(qū)地表形變相位;Φatm為大氣延遲相位，可采用直接校正法或相位累計法消除［8］;Φnoise為噪聲相位，可采用相關(guān)濾波算法進行削弱或去除。

DInSAR監(jiān)測開采沉陷的最終目的是獲取地表移動變形信息，其中比較重要的步驟是去除地形效應(yīng)相位信息。目前，根據(jù)不同的地形效應(yīng)相位去除方法，可將獲取地表移動變形信息的方法分為以下幾類:

(1)兩軌方法。該方法是通過監(jiān)測區(qū)域地表變形前后的2景SAR影像，首先對該2景SAR影響進行干涉處理，結(jié)合DEM獲得模擬地形相位條紋圖;然后在該地形相位條紋圖中將DEM對應(yīng)的地形相位進行差分處理，可得到礦區(qū)地表變形所形成的差分相位信息。該方法流程見圖1。

圖1 兩軌方法流程Fig.1 Flow of two railsmethod

(2)三軌方法。該方法采用3景SAR影像產(chǎn)生2個干涉圖像對:①地形干涉圖像對，用以獲得地表變形之前的地形信息量;②地形-形變干涉圖像對，通過處理該圖像對可獲得地形變形后的信息量［9］。該方法流程見圖2。

圖2 三軌方法流程Fig.2 Flow of three railsm ethod

(3)四軌方法。該方法采用4景SAR影像生成2個干涉圖像對，流程與二軌方法類似，但區(qū)別在于，四軌方法通過采用干涉的方法消除地形效應(yīng)的影像所需的DEM。

DInSAR采用多時相的復(fù)雷達影像的相關(guān)信息快速、準確提取地表的變形量信息，精度較高，相對于傳統(tǒng)精密水準測量、GSP差分測量而言，優(yōu)勢較為明顯，見表1［10］。

表1 DInSA與精密水準測量、GPS差分測量比較Table1 Comparison of DInSAR and Precise leveling method and GPS differential surveying m ethod

2 In-SAR數(shù)據(jù)選擇方法

2.1 最大可探測沉降量

DInSAR盡管在礦山開采沉陷監(jiān)測方面優(yōu)勢較為明顯，但并非所有的礦山開采沉陷均可采用該技術(shù)進行監(jiān)測，這時因為，單位像元內(nèi)可探測到的地標最大變形梯度作為一個條紋周期，若探測區(qū)域內(nèi)的地表變形量超過了該變形梯度，那么該類變形便無法探測到。DInSAR技術(shù)的最大可探測沉降量的計算公式為

式中，S為最大可探測沉降量，cm;W為沉降漏斗的半徑，m;g為SAR傳感器地面分辨率，m;λ為SAR傳感器波長，cm。

一般來說，礦山開采沉陷量一般較大，也就是說S越大越好。由式(2)可知，提高最大可探測沉降量的方法主要有:①選用波長較大的SAR影像數(shù)據(jù);②提高SAR影像的分辨率。

若假設(shè)某礦區(qū)開采沉陷漏斗半徑(W)為150 m，在已知其余參數(shù)的情況下，根據(jù)式(2)可計算出SAR傳感器在視線方向的最大可探測沉降量，結(jié)果見表2［11］。

表2 各SAR傳感器的最大可探測沉降量Table2 Themaximum detectab le settlement of sensors of SAR

2.2 衛(wèi)星重訪周期

利用重復(fù)軌道獲取同一地區(qū)的2景影像進行開采沉陷監(jiān)測時，該2景影像成像的時間間隔即為時間基線。由于時間基線一般較長(幾天、幾十天等)，在該階段內(nèi)，礦山地表可能因開采作業(yè)發(fā)送了較大的沉降，此外，外界因素如空氣濕度、植備生長條件、植被覆蓋情況等發(fā)生了較大變化，均會嚴重干擾干涉相位，從而使得獲取的干涉圖的質(zhì)量大打折扣，也不同程度上增加了影像數(shù)據(jù)處理的難度。因此，在礦山開采沉陷監(jiān)測過程中，應(yīng)盡可能選用成像時間間隔較短的影像，從而避免出現(xiàn)失相干現(xiàn)象。此外，若監(jiān)測區(qū)域地表形變較小，若要實現(xiàn)對該區(qū)持續(xù)監(jiān)測，則可選擇成像時間間隔較長的影像。幾類星載SAR傳感器的重訪周期等相關(guān)參數(shù)見表3［11］。

表3 幾類星載SAR傳感器參數(shù)Table3 Parameters of the sensors of spaceborne SAR

2.3 影像分辨率

DInSAR影像分辨率是方位向分辨率和距離向分辨率的統(tǒng)稱。方位向即沿飛行平臺前進的方向，垂直于飛行方向或指向地面的方向即為距離向［12-13］。一般來說，提高SAR影像分辨率的措施有:①選用分辨率較高的SAR影像數(shù)據(jù)進行開采沉陷監(jiān)測;②對于已選用的SAR影像數(shù)據(jù)采用全分辨率干涉內(nèi)插方法或者距離向內(nèi)插方法進行處理，全分辨率干涉方法是通過直接采用單視復(fù)影像(Single Look Complex，SLC)［10］數(shù)據(jù)進行干涉處理;距離向內(nèi)插方法即將SLC影像像元盡可能分割得更小。

3 應(yīng)用進展

3.1 二軌方法

3.1.1 差分處理方法

二軌方法作為DInSAR數(shù)據(jù)差分處理的一種方法，按照處理流程可分為先差分處理后相位解纏何先相位解纏后差分處理等2種方法，如圖3所示。

圖3 二軌方法差分處理方法Fig.3 Tow rails differential processingmethod

盡管圖3中2種差分處理方法差別較小，但在礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測中精度有所差別。對此，魏長婧等［8］等以位于錢營孜煤礦為例，基于ALOS PALSAR的L波段的2景SAR影像數(shù)據(jù)，分別采用上述2中差分方法對該礦的開采沉陷進行了研究，結(jié)果表明，先相位解纏后差分處理所獲得礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測精度達到毫米級，而先差分處理后相位解纏所獲得的礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測精度僅為厘米級，從而說明前者更加適合于礦區(qū)開采沉陷高精度監(jiān)測。姚頑強等［14］采用先相位解纏后差分處理的二軌方法思路對彬長礦區(qū)開采沉陷進行了分析，取得了較好的效果。

3.1.2 DInSAR影像數(shù)據(jù)選擇

采用DInSAR影像進行礦區(qū)地表沉陷研究的基本前提是，對同一區(qū)域不同時間內(nèi)獲取的2景影像必須具有高度的相關(guān)性，否則會影響后續(xù)干涉圖中的干涉條紋的清晰度，乃至對相位解纏效果闡述影響，為此，DInSAR影像數(shù)據(jù)的選擇對于確保地表沉陷的監(jiān)測精度至關(guān)重要。對此，王行風等［15］認為對于DIn-SAR影像處理的選擇，除了應(yīng)滿足影像干涉的相關(guān)條件之外，還應(yīng)充分礦區(qū)沉陷的特點、環(huán)境條件等因素，具體來說有:

(1)礦區(qū)氣候、地表植被覆蓋。一般來說，礦區(qū)氣候深潤、植被茂密會在不同程度上降低SAR影像間的相干性。農(nóng)田區(qū)的相位變化相關(guān)性較低，并且受季節(jié)影像較大;居民點的相位變化的相關(guān)性則較高，基本不受季節(jié)變化的影響。那么，盡可能選擇氣候干燥、地表植被稀疏的DInSAR影像數(shù)據(jù)進行研究，此外，若成像季節(jié)為冬季，應(yīng)極可能選擇地面無積雪的DInSAR影像數(shù)據(jù)。

(2)垂直基線。地形信息和地表形變信息的獲取，對于垂直基線的選擇有所區(qū)別。采用DInSAR技術(shù)提取地面DEM時，垂直基線應(yīng)為200～500m;在地表變形測量時，則要求垂直基線盡可能段，即小于100 m，以最大限度消除地形相位的影響。

(3)時間基線。以煤礦為例，由于資源開采所導致的沉陷具有很大的不確定性，即對于局部地區(qū)、某個時間段內(nèi)而言地表變形緩慢，而在另一時間段內(nèi)，該地區(qū)地表可能出現(xiàn)較大的沉陷。為此，對于沉陷較大的地區(qū)，可選用時間基線較短的DInSAR影響數(shù)據(jù);對于地表變形緩慢的地區(qū)，則盡可能選擇時間基線較長的DInSAR影像數(shù)據(jù)，但是，時間基線過長，則會導致SAR影像間失相干。一般來說，對于礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測的DInSAR影像成像時間間隔以小于60 d為宜［15］。

3.1.3 DEM精度

采用DInSAR數(shù)據(jù)進行礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測時，低精度的DEM的殘余相位誤差極易在干涉圖中表現(xiàn)出大量噪聲，在礦區(qū)地形復(fù)雜的情況下，采用低精度的DEM模擬礦區(qū)地形相位時，地形參與相位則會更為明顯，特別是對于基線較長的短波DInSAR影像對而言，容易出現(xiàn)相位解纏失敗的現(xiàn)象。對此，丁亞杰等［16］分別采用TERRA衛(wèi)星的ASTER數(shù)據(jù)生成的EDM，即:GDEM(Global Digital Elevation Model)、SRTM數(shù)據(jù)生成的DEM來進行開采沉陷監(jiān)測研究，結(jié)果表明:①基于SRTM的開采沉陷圖對于細節(jié)信息保持良好，有利于刻畫地表形變信息;②基于GDEM的開采沉陷圖可以較為完成的保留條紋邊緣信息，但無法保持條紋細節(jié)信息，隨著地表持續(xù)下沉，能夠獲得更為豐富的地表沉降信息;③該2類數(shù)據(jù)總體上各有優(yōu)勢，單獨引用開采沉陷監(jiān)測，效果均一般，將兩者進行相互融合進行開采沉陷監(jiān)測是未來重要的發(fā)展方向。為了進一步比較由傳統(tǒng)方法和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲得DEM對DInSAR監(jiān)測效果的影響，趙偉潁等［17］等分別采用由礦區(qū)地形圖、三維激光掃描儀、Terra-SAR影像以及STRM3影像獲取的DEM來探討DEM精度對于DInSAR開采沉陷監(jiān)測精度的影響，結(jié)果表明:①對于礦區(qū)內(nèi)的微小變形，由TerraSAR影像獲得的DEM的DInSAR監(jiān)測效果不理想;②由SRTM3數(shù)據(jù)得到的DEM的分辨率較低，DInSAR監(jiān)測到的變形值均分布于地形較復(fù)雜的區(qū)域內(nèi)，此外，由于紋理細節(jié)保持能力較差，導致在溝壑分布的區(qū)域內(nèi)的開采沉陷難以有效監(jiān)測;③由礦區(qū)地形圖、三維激光掃描儀獲得DEM具有較高的分辨率，對于區(qū)內(nèi)溝壑信息的保持效果較好，基于該類DEM的In-SAR能夠監(jiān)測到區(qū)內(nèi)微小的形變信息。

3.2 監(jiān)測方法集成

3.2.1 DInSAR與GPS集成

GPS作為一種具有全天候、高效率、高精度的檢測方法，已成為礦山地表沉陷監(jiān)測的主要方法之一，該方法在地表變形監(jiān)測時，主要方法有:①動態(tài)測量法，適用于對變形較快的地表沉降區(qū)域進行監(jiān)測，常用模糊度函數(shù)法或OTF法解算整周模糊度;②靜態(tài)測量法，該方法適用于地形變形緩慢的地區(qū)，常用靜態(tài)基線解算法，如FARA法求解整周模糊度［18］。但是:①GPS對于礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測的水平方向精度與常規(guī)方法(如精密水準測量)相當，但高程方向的分量精度低于常規(guī)方法;②GPS靜態(tài)變形監(jiān)測的精度受到監(jiān)測范圍的影響較大，范圍較小則精度較為理想;范圍較大時，由于監(jiān)測點分布稀疏，監(jiān)測精度則大打折扣，但在大范圍內(nèi)布設(shè)大量監(jiān)測點，經(jīng)濟上缺乏可行性。DInSAR技術(shù)盡管能夠有效監(jiān)測地表的變形情況，但衛(wèi)星對于同一地區(qū)的重復(fù)觀測存在一定的時間間隔，即重訪周期。而開采沉陷基本無規(guī)律可循，具有非線性變形特征，在衛(wèi)星重訪周期內(nèi)，由于缺乏影像數(shù)據(jù)，大量非線性變形數(shù)據(jù)無法獲得，將大大降低開采沉陷最終監(jiān)測結(jié)果精度。此外，對于礦區(qū)內(nèi)的特征信息點(如建筑物)的沉降值，利用DInSAR技術(shù)則很難獲取。

綜合上述分析可知，DInSAR與GPS具有一定程度的互補性。為此，Gudmundsson等對 DInSAR與GIS的集成方法進行了研究［19-21］，其應(yīng)用效果明顯優(yōu)于單一采用DInSAR技術(shù)或GPS。近年來，模擬退火算法［21］、解析優(yōu)化算法［22］相繼被用于解算GPS-DIn-SAR集成模型的最優(yōu)解，但存在諸如算法耗時較長、無法考慮DInSAR的大氣延遲誤差等缺陷。對于解析優(yōu)化算法的改進，Hu［23］等提出一種基于方差分量估計的觀測值定權(quán)方法，取得了較好的效果，但該方法所需要的DInSAR觀測數(shù)據(jù)較多，無疑增加了監(jiān)測成本。對此，羅海濱等［24］對解析優(yōu)化算法中的定權(quán)方法進行了改進，提出了新型定權(quán)方法，該方法以GPS觀測數(shù)據(jù)為基準，通過對GPS數(shù)據(jù)內(nèi)插精度以及DInSAR數(shù)據(jù)觀測精度進行評價，從而實現(xiàn)對兩者的定權(quán)，試驗結(jié)果表明:即便在少量GPS觀測點的情形下，采用改進后的定權(quán)方法的解析優(yōu)化算法解算GPS-DInSAR集成模型能夠得到較為理想的解。

一般來說，礦區(qū)開采沉陷大體經(jīng)歷開始、活躍以及衰退等3個階段，在開始階段，礦區(qū)地表點的下沉速度可由0快速增大到1.67 mm/d從而進入活躍階段，下沉速度由1.67 mm/d持續(xù)增大直到最大，然后變小，當下沉速度小于1.67 mm/d時，此時地表點下沉則進入了衰退階段 。通過在2次下沉變化的拐點處進行GPS監(jiān)測，對于DInSAR數(shù)據(jù)進行精度修正，提高DInSAR開采沉陷的監(jiān)測精度則大有裨益。但如此從操作的關(guān)鍵在于，如何精確獲得礦區(qū)地表點下沉變化的拐點(即:劇增點和劇減點)的時刻，避免盲目進行GPS加密監(jiān)測，降低監(jiān)測成果。對此，閻躍觀［25］等以澳大利亞West Cliff礦區(qū)為研究對象，在深入研究開采沉陷規(guī)律的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于D-InSAR和GPS聯(lián)合觀測的工作面的推進距離模型，從而合理解算出GPS加密時間，實現(xiàn)了在提高DInSAR開采沉陷監(jiān)測精度的的同時降低監(jiān)測成本的目的。

3.2.2 DInSAR與GIS集成

地理信息系統(tǒng)(Geology and Information Sysmtem，GIS)以地球信息科學、計算機科學等學科為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦區(qū)開采沉陷的空間分析、三維表達、監(jiān)測預(yù)警以及輔助決策，具有強大的數(shù)據(jù)處理、與顯示功能［26-31］。InSAR作為一類有別于諸如水準測量、GPS測量的新型測量方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦區(qū)開采沉陷區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測，但是其對數(shù)據(jù)的處理與分析方面有所欠缺。為此，將DInSAR與GIS進行集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，對于提高礦區(qū)開采沉陷的精度以及進行開采沉陷預(yù)計具有重要意義。黃寶偉等［32］將DInSAR技術(shù)與GIS相結(jié)合，以葛亭煤礦為例，進行了區(qū)內(nèi)沉降監(jiān)測研究，其思路如圖4所示。

圖4 研究思路Fig.4 Research though

該研究的特點有:①實現(xiàn)了在GIS中ENVISAT ASAR影像數(shù)據(jù)、開采平面圖、正射影像圖等礦區(qū)不同類型數(shù)據(jù)的有機融合，利用GIS的空間分析功能，對該類數(shù)據(jù)進行疊加分析;②對GIS空間分析結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)多元化現(xiàn)實，即能夠根據(jù)需要實現(xiàn)區(qū)內(nèi)任意剖面、多維的可視化展示，對于區(qū)內(nèi)的開采沉陷范圍、沉降值的預(yù)計于實際情況基本吻合。但不足之處在于:①就研究成果而言，開采沉陷的精度受到高相位梯度的影響，即沉降較大的區(qū)域，高相位梯度較大，導致監(jiān)測結(jié)果與實際情況存在一定的誤差;②就研究思路而言，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)與GIS的有機結(jié)合，這樣的“結(jié)合”僅僅體現(xiàn)在研究思路上，并未實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)特別是DInSAR數(shù)據(jù)與GIS空間分析功能的深度融合。

4 結(jié)語

結(jié)合近年來DInSAR礦山開采沉陷監(jiān)測成果，對該技術(shù)的基本原理、數(shù)據(jù)選擇方法以及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了深入分析，認為多源數(shù)據(jù)融合以及加強與GIS的集成程度是礦山開采沉陷DInSAR監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的方向。

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