戴　松

（安徽精益測(cè)繪有限公司，安徽淮南232000）

D-InSAR技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采沉陷中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

戴松*

（安徽精益測(cè)繪有限公司，安徽淮南232000）

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（D-InSAR）具有空間分辨率高、全天時(shí)、覆蓋面積大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在礦區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。首先對(duì)D-In SAR基本原理、數(shù)據(jù)處理方法（二軌法）的基本流程做出簡(jiǎn)要的分析，然后通過(guò)實(shí)例介紹了D-In SAR技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采沉陷中的應(yīng)用。分析了D-InSAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用中存在一定的誤差，提出了一些解決措施。就D-InSAR技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。得出以下結(jié)論：D-InSAR測(cè)量技術(shù)能夠清晰地反映礦區(qū)整個(gè)地表形變量。二是結(jié)合D-InSAR礦山開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)成果，對(duì)該技術(shù)的基本原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為加強(qiáng)與GIS的集成是礦山開(kāi)采沉陷研究的一個(gè)發(fā)展方向。

D-InSAR；礦區(qū)開(kāi)采沉陷；監(jiān)測(cè)

1　概述

地面沉陷已經(jīng)成為現(xiàn)今礦區(qū)開(kāi)采區(qū)最突出的環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)方法，主要是沿煤層走向和傾向方向上布設(shè)一系列離散點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)礦區(qū)工作面的變化，觀測(cè)結(jié)果只能反映測(cè)站點(diǎn)及附近很小范圍的變形量，難以得到沉陷區(qū)的整體形變結(jié)果。傳統(tǒng)方法在日益嚴(yán)重的大范圍地面沉降的情形下已經(jīng)變得難以勝任。而雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展正好提供了一種覆蓋面積大、空間分辨率高的地面沉降監(jiān)測(cè)方法，而DInSAR技術(shù)更是其中最為有效的。D-InSAR技術(shù)主要的特點(diǎn)是連續(xù)空間覆蓋、高度自動(dòng)化和高精度，對(duì)于監(jiān)測(cè)地表變形具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前，利用InSAR技術(shù)提取地表垂直形變量的精度已經(jīng)達(dá)到了厘米級(jí)甚至毫米級(jí)［1-2］。因此，研究合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面沉降的理論與應(yīng)用技術(shù)，預(yù)測(cè)其在未來(lái)的發(fā)展前景，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。

2　D-InSAR技術(shù)基本原理

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（D-InSAR）是在In-SAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它是以SAR雷達(dá)復(fù)數(shù)圖像的相位信息通過(guò)差分干涉處理來(lái)獲取地表形變信息的技術(shù)。要獲取地表形變量需要去除地形相位信息，按照構(gòu)成SAR影像對(duì)方法的不同，差分干涉測(cè)量去除地形相位信息獲取地表形變的方法可分為雙軌法、三軌法和四軌法等形式［3］。本文以“雙軌”法為例來(lái)說(shuō)明合成孔徑干涉雷達(dá)技術(shù)基本原理。該方法是將監(jiān)測(cè)區(qū)域地表變形前后的2景SAR影像分別作為主輔影像，對(duì)2景SAR影像進(jìn)行干涉處理，利用DEM獲得模擬地形相位條紋圖；然后通過(guò)相位解饞后得到解饞后的干涉圖，將解饞后的干涉圖與模擬地形相位條紋圖進(jìn)行差分處理，可得到礦區(qū)地表形變所形成變形圖，從而獲得地表形變量［4-6］。該方法流程見(jiàn)圖1。

圖1　兩軌方法在礦區(qū)監(jiān)測(cè)流程

3　礦區(qū)D-InSAR技術(shù)沉陷監(jiān)測(cè)實(shí)例

3.1實(shí)例礦區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)采用亳州市渦陽(yáng)縣東部一礦區(qū)作為研究區(qū)域。經(jīng)實(shí)地測(cè)量所知，該礦區(qū)為老采空區(qū)，下沉速率不大，月下沉量為厘米級(jí)。

3.2實(shí)例數(shù)據(jù)

本次D-InSAR礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)采用二軌差分干涉測(cè)量方法。SAR影像數(shù)據(jù)采用加拿大2007年發(fā)射的RADARSAT-2影像數(shù)據(jù)，影像采用C波段，HH極化方式，影像分辨率為3m，雷達(dá)運(yùn)行周期為24d。 RADARSAT-2數(shù)據(jù)影像外部DEM數(shù)據(jù)采用SRTM_ 60_06DEM，研究區(qū)SAR數(shù)據(jù)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　研究區(qū)SAR影像數(shù)據(jù)

3.3數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

選擇2景影像RS2_20131113_100804_HH_SLC，RS2_20131207_100803_HH_SLC作為原始數(shù)據(jù)對(duì)，獲取該礦區(qū)范圍一對(duì)影像數(shù)據(jù)周期內(nèi)（24d）的地表下沉量，利用ENVI中SARscape軟件D-InSAR Displacement Workflow工作流進(jìn)行二軌差分處理。形變區(qū)沉降分布圖（圖2），從圖2中可以看出，從11月13日到12 月7日共24d的時(shí)間里，該礦區(qū)大部分地區(qū)為沉降趨勢(shì)明顯，沉降分布與礦區(qū)分布大致相同，最大沉降量達(dá)到了1.6cm左右。

圖2　沉陷區(qū)形變場(chǎng)

由于沉降區(qū)（圖2中深色區(qū)域）大部分都有積水，實(shí)地水準(zhǔn)測(cè)量只能布置在沉降邊緣地帶和無(wú)水地帶，在該礦區(qū)布設(shè)了2條傾向線和1條走向線，觀測(cè)線附近的深色區(qū)域表示影像中失相干性比較嚴(yán)重的區(qū)域，對(duì)應(yīng)沉降分布場(chǎng)中的深色區(qū)域，即下沉量大的區(qū)域。周?chē)野咨珔^(qū)域表示相干性較高的區(qū)域，表示邊緣地區(qū)下沉量較小或非監(jiān)測(cè)范圍區(qū)。同期觀測(cè)走向線、傾向線上的共15個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，各水準(zhǔn)點(diǎn)沉降量與SAR影像數(shù)據(jù)中各水準(zhǔn)點(diǎn)附近的沉降量進(jìn)行比較（圖3）。

圖3　沉降數(shù)據(jù)對(duì)比圖

從圖3統(tǒng)計(jì)所得數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：D-In SAR監(jiān)測(cè)沉降值與水準(zhǔn)觀測(cè)值基本一致，D-In SAR監(jiān)測(cè)沉降值監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近最大下沉量達(dá)到了1.58cm，實(shí)地水準(zhǔn)觀測(cè)量為1.2cm，兩者誤差最大值不超過(guò)3.8mm。因此這說(shuō)明了合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)在地表微小形變中的應(yīng)用精度達(dá)到了理想的監(jiān)測(cè)效果，獲得的形變結(jié)果能很好地反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的沉降情況。

4　D-InSAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)及誤差分析

與傳統(tǒng)礦區(qū)開(kāi)采沉陷變形監(jiān)測(cè)方法相比，D-In SAR測(cè)量技術(shù)有顯著的優(yōu)勢(shì)，而且D-InSAR測(cè)量技術(shù)不受天氣和時(shí)間條件的限制，亦不必建立變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)［7］。這有利于克服傳統(tǒng)礦區(qū)工作面需要布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)和埋點(diǎn)存在困難區(qū)域的形變監(jiān)測(cè)。D-In-SAR測(cè)量技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)點(diǎn)、線信息局部觀測(cè)代表性差的缺陷，可以獲取整個(gè)礦區(qū)的地表沉陷值，從宏觀分析其形變情況，進(jìn)而可以為快速?zèng)Q策提供及時(shí)的信息支持［8］。另外，由于D-InSAR測(cè)量技術(shù)具有連續(xù)空間覆蓋能力、高度自動(dòng)化和高精度的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。這為監(jiān)測(cè)一定時(shí)期內(nèi)的礦區(qū)地表變形量，及時(shí)掌握礦區(qū)地表變形規(guī)律創(chuàng)造了條件。

從上述礦區(qū)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比中可以看出，雖然D-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表沉陷，但是還是存在一定的誤差，主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）實(shí)地觀測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)和D-InSAR監(jiān)測(cè)沉陷區(qū)形變場(chǎng)中的該點(diǎn)實(shí)際位置有一定的誤差。影像分辨率達(dá)不到厘米級(jí)是產(chǎn)生這個(gè)誤差的原因之一，因此如何提高影像分辨率，使其更好地與地面觀測(cè)相一致是今后研究的一個(gè)方向。

（2）由于該地區(qū)為老采空區(qū)，地表形變緩慢，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間基線較長(zhǎng)的影像數(shù)據(jù)，但為了保證SAR影像相干性較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中選擇的時(shí)間基線較短（24d），導(dǎo)致大部分檢測(cè)區(qū)形變量微小，不利于減小誤差。

（3）由于SAR影像受大氣干擾、礦區(qū)氣候、監(jiān)測(cè)區(qū)地表植被覆蓋等因素的干擾，造成一定程度上的誤差。如何消除這些因素對(duì)SAR影像數(shù)據(jù)的影像是今后實(shí)驗(yàn)中需要解決的問(wèn)題。

5　結(jié)語(yǔ)

D-InSAR測(cè)量技術(shù)，全天時(shí)、全天候、高度自動(dòng)化、高分辨率、長(zhǎng)期觀測(cè)礦區(qū)地表形變、能夠清晰地反映礦區(qū)整個(gè)地表形變量。但礦區(qū)開(kāi)采沉降是一種長(zhǎng)期持續(xù)工作，需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期有效的處理與分析，因此加強(qiáng)D-In SAR監(jiān)測(cè)技術(shù)與GIS集成是未來(lái)D-InSAR技術(shù)發(fā)展的有利方向。

地理信息系統(tǒng)（Geology and Information System，GIS）以地球信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采沉陷的空間分析、三維表達(dá)、監(jiān)測(cè)預(yù)警以及輔助決策，其空間分析具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和功能顯示能力［9-10］。D-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦區(qū)開(kāi)采沉陷區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測(cè)，這一新型測(cè)量方式技術(shù)優(yōu)勢(shì)有別于水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量等，但是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理方面有待提高。因此，將D-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)與GIS技術(shù)進(jìn)行集成，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)于進(jìn)行開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)和提高礦區(qū)開(kāi)采沉陷的精度具有重要意義。

［1］李小紅，劉元.D-InSAR技術(shù)在地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展前景［J］.北京測(cè)繪，2013（5）：70-73.

［2］吳立新，高均海，葛大慶，殷作如，鄧智毅，劉宏軍.基于D-In-SAR的煤礦區(qū)開(kāi)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（2）：22-25，37.

［3］王小兵.基于DInSAR技術(shù)的礦山開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀［J］.金屬礦山，2015（1）：65-71.

［4］魏長(zhǎng)婧，汪云甲，閆建偉.D-InSAR技術(shù)二軌法監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表沉陷的方法研究［J］.煤炭技術(shù)，2012（7）：121-122.

［5］何敏，陸曉燕，何秀鳳.利用D-InSAR二軌法監(jiān)測(cè)徐州大屯中心區(qū)地表形變［J］.地理空間信息，2011（5）：3-5，163.

［6］付春永，苗小利，馮西林.D-InSAR技術(shù)在礦區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（3）：113-117.

［7］張倍倍.合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)在地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.西部資源，2014（5）：149-150.

［8］許才軍，何平，溫?fù)P茂，劉洋.InSAR技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.測(cè)繪地理信息，2015（2）：1-9.

［9］丁安民，田八林，李克昭，張勤.礦區(qū)沉陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法綜述［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（2）：165-169.

［10］王劉宇，鄧喀中，湯志鵬，周少平.D-InSAR與GIS結(jié)合的高速公路變形監(jiān)測(cè)［J］.煤炭工程，2015（1）：121-123.

TD174

B

1004-5716（2016）07-0147-03

2016-03-23

2016-03-24

戴松（1963-），男（漢族），江蘇無(wú)錫人，工程師，現(xiàn)從事測(cè)繪技術(shù)管理工作。