孫新輝，甘 淑

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

InSAR技術(shù)在某磷礦區(qū)地表形變檢測中的應(yīng)用

孫新輝，甘 淑*

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

隨著采礦事業(yè)的不斷開展，地面沉降問題日益突出。傳統(tǒng)的地表形變監(jiān)測方法雖然精度高，但是監(jiān)測周期長、成本高、范圍小。InSAR技術(shù)可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足，大范圍獲取數(shù)據(jù)，速度快，監(jiān)測連續(xù)性好。采用InSAR技術(shù)對某磷礦采礦區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，選取2015年年末兩景和2016年年初兩景數(shù)據(jù)來進(jìn)行干涉差分處理，結(jié)果表明，在4個(gè)月的時(shí)間里，地表總沉降量約為2 cm，平均月沉降量約5 mm，總沉降面積約936.89 m2。通過實(shí)例，介紹了研究區(qū)的沉降特征以及InSAR技術(shù)探測形變的具體流程，證明InSAR技術(shù)在探測地表形變方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

地面沉降； 合成孔徑雷達(dá)； 三通法

1 材料與方法

1.1 Sentinel- 1數(shù)據(jù)選取

Sentinel- 1衛(wèi)星是歐洲空間局為實(shí)施哥白尼對地觀測計(jì)劃項(xiàng)目于2014年4月發(fā)射的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，最高分辨率可達(dá)5 m，寬幅為250 km，采用C波段，全天候、全天時(shí)獲取地表散射信息。此衛(wèi)星經(jīng)過半年的試運(yùn)行后，于當(dāng)年10月正式投入工作，并免費(fèi)提供數(shù)據(jù)下載。經(jīng)調(diào)查，此顆衛(wèi)星覆蓋研究區(qū)域的歷史存檔數(shù)據(jù)有四景，數(shù)據(jù)接收模式為IW(寬幅模式)，數(shù)據(jù)等級為level- 1，此種接收模式以其相對較寬的成像跨幅和中等分辨率(5 m×20 m)而得到較多的運(yùn)用。四景數(shù)據(jù)分別為2015年11月21日、2015年12月15日、2016年2月25日和2016年3月8日的數(shù)據(jù)。用此四景時(shí)間序列約為1個(gè)月的歷史存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行三通法差分干涉處理，得出地表形變信息。

1.2 沉降監(jiān)測基本原理

D- InSAR技術(shù)通過兩副天線同時(shí)觀測(單軌模式)，或者兩次近平行的觀測(重復(fù)軌道模式)獲取地面同一分辨單元的復(fù)圖像對，由于目標(biāo)與兩天線存在幾何位置關(guān)系，因而在復(fù)影像上產(chǎn)生了相位差，此相位差進(jìn)而可以形成干涉條紋圖，干涉條紋圖中包含了斜距向上的點(diǎn)與兩天線位置之差的精確信息，這種差值包含大氣延遲、平地效應(yīng)、地形起伏、噪聲以及兩次成像過程中地表發(fā)生的微小形變，如果將其他因素去除掉，就可以得到地表形變信息。

地面分辨單元的干涉相位為

式中，ξi為相位延遲，λ為雷達(dá)波長。

出生于20世紀(jì)70年代末以來的獨(dú)生子女，面臨上有老下有小的局面， “4-2-1”模式將成為中國今后幾十年主流家庭模式。尤其是對于高齡老人，他們的子女難以承擔(dān)長期照料老人的責(zé)任。因此，僅僅依靠子女、家庭來解決普遍存在的、曠日持久的老人照料問題是心有余而力不足。

假設(shè)2次SAR成像的時(shí)間基線剛好合適，使得地面分辨單元的散射特性保持不變，即ξ1=ξ2，可得干涉相位φ為

式中Δρ為雷達(dá)波單程傳播距離差。

影響Δρ的因素主要由5部分組成，分別為φflat、φtopo、φdefo、φatm、φnoi，代入φ式中可得：

式中：φflat表示由參考橢球體引起的干涉相位；φtopo表示由地形起伏引起的干涉相位；φdefo表示兩次SAR成像期間因地表形變引起的干涉相位；φatm表示因大氣擾動引起的干涉相位；φnoi表示由各種噪聲導(dǎo)致的傳播距離差引起的干涉相位[4- 5]。

利用SAR成像的瞬時(shí)幾何關(guān)系，建立方程組，消掉其中4部分干涉相位，只留下地表形變引起的干涉相位，解算Δr，從而提取地表形變信息。

本研究采用常規(guī)的三通法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。三通法的主要優(yōu)點(diǎn)是無需地面信息，數(shù)據(jù)間的配準(zhǔn)較易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是相位解纏效果的好壞將影響最終結(jié)果[6]。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理平臺

本研究所用的軟件處理平臺是ENVI SARscape軟件。SARscape處理模塊是ENVI主界面下的拓展模塊，用來處理SAR數(shù)據(jù)。其主要功能包括：各類SAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，干涉處理，基線估計(jì)，Gamma濾波，下載DEM等。

2 試驗(yàn)區(qū)地表形變監(jiān)測實(shí)例

選用2015年11月21日和2015年12月15日的兩景數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，使其生成DEM，具體包括以下6個(gè)技術(shù)步驟。

2.1 基線估計(jì)

InSAR基線分為時(shí)間和空間基線。時(shí)間基線是指獲取2幅SAR圖像對之間的時(shí)間間隔。時(shí)間基線的存在產(chǎn)生時(shí)間去相干。時(shí)間基線越長，時(shí)間去相干越強(qiáng)?？臻g基線是指對同一地物目標(biāo)成像時(shí)2個(gè)衛(wèi)星之間的距離，可分解為垂直基線和水平基線。空間基線是干涉圖像對選取的首要依據(jù)，因?yàn)樗仁荢AR干涉測量成像的基礎(chǔ)，又是導(dǎo)致SAR圖像對去相干的一個(gè)重要因素。SARscape處理過程中，對兩景圖像進(jìn)行基線估計(jì)，生成2個(gè)曲線關(guān)系圖(圖1、2)，經(jīng)測算，正?；€值是85.733，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極限基線值6 450.484，時(shí)間基線是24 d，可以形成干涉。

圖1 形變精度與相干性關(guān)系

圖2 高程精度與相干性關(guān)系

2.2 干涉圖生成

干涉圖的生成有2種方法：一種是有外部輔助DEM，另一種是無DEM。本研究采用有外部DEM的方法，事先利用SARscape中的DEM自動下載模塊，將研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)下載下來，將兩景數(shù)據(jù)分別加入之后，再加入下載好的DEM，然后進(jìn)行干涉過程。用這種加入外部輔助DEM來生成干涉圖的好處是生成的干涉圖直接是去掉平地效應(yīng)的干涉圖，可以直接進(jìn)入下一步的自適應(yīng)濾波和相干性計(jì)算環(huán)節(jié)，而且這一步形成的干涉圖最終目的是為得到一個(gè)地形信息，即形成DEM，這樣得到的DEM精度較高，對下一步的差分環(huán)節(jié)很有用處，對差分結(jié)果的精度具有重要的作用。2015年11月21日與2015年12月15日兩景數(shù)據(jù)生成的干涉圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)干涉圖

這一步處理結(jié)果會生成主、從影像的強(qiáng)度圖:_pwr，干涉圖:_int，去平后的干涉圖:_dint，合成相位:_sint，以及斜距DEM:_srdem文件。

2.3 自適應(yīng)濾波及相干性計(jì)算

此種濾波方法屬于后置濾波，即在形成干涉圖之后對干涉圖進(jìn)行濾波。自適應(yīng)濾波也是一種頻域?yàn)V波方法，是將原始圖像進(jìn)行快速傅里葉變換，在其頻域內(nèi)根據(jù)斑點(diǎn)噪聲和信號的頻譜特性進(jìn)行濾波，是為了去除干涉圖像中的噪聲和大氣干擾，去掉由平地干涉引起的相位噪聲，減小由于數(shù)據(jù)采集過程中混淆產(chǎn)生的誤差，本研究所采用的軟件提供常用的4種濾波方法。相干性計(jì)算是為了計(jì)算干涉成果的相干系數(shù)，檢查并分析干涉結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4 相位解纏

要利用InSAR技術(shù)獲得任意點(diǎn)的高程或形變量，必須已知該點(diǎn)的絕對干涉相位。通常將由纏繞干涉相位得到絕對干涉相位的過程稱為相位解纏，此時(shí)的絕對干涉相位稱為解纏相位。理想情況下，通過求纏繞相位值的主值，再進(jìn)行簡單的積分就可以反演出任意點(diǎn)與某一解纏起算點(diǎn)間的相對解纏相位，再通過引入一外部控制點(diǎn)即可獲得各像點(diǎn)的絕對解纏相位，即絕對干涉相位，但是，地面起伏的復(fù)雜性和干涉影像對本身數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異使得相位解纏變得異常復(fù)雜，迄今仍沒有一個(gè)公認(rèn)的有效算法可以滿足各種情況下的解纏精度要求。

2.5 軌道精煉和重去平

這一步操作是將開始輸入的軌道參數(shù)進(jìn)行重新修正，對偏移的相位進(jìn)行一定的矯正，以及將結(jié)果再次進(jìn)行去平地效應(yīng)處理。

2.6 生成DEM

前5步處理的過程都是對相位信息進(jìn)行處理，生成DEM，即將相位信息轉(zhuǎn)換成高程信息，并進(jìn)行地理編碼，得到DEM文件。

針對研究區(qū)，將后兩景數(shù)據(jù)即2016年2月25日與2016年3月8日的數(shù)據(jù)重復(fù)執(zhí)行前5個(gè)步驟，結(jié)合前兩景數(shù)據(jù)生成的DEM，最后轉(zhuǎn)換成形變信息，生成形變圖。其實(shí)，InSAR處理是D- InSAR處理的一部分，前5步屬于InSAR處理流程，后2步屬于D- InSAR過程。前者為后者做好了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，利用InSAR數(shù)據(jù)處理得到的干涉結(jié)果進(jìn)行差分處理即為D- InSAR。

圖4所示即為用ENVI SARscape模塊做出的研究區(qū)地表形變圖，顏色的深淺程度表示變形的劇烈程度。將研究區(qū)影像進(jìn)行拉伸顯示，并與差分形變圖疊加起來，就能清晰地發(fā)現(xiàn)在主礦區(qū)正西方向有一片地面塌陷區(qū)域(圖5)。

圖4 研究區(qū)差分形變圖

圖5 形變區(qū)與礦區(qū)位置關(guān)系

3 小結(jié)與討論

本研究對比分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)的地下采礦區(qū)域有明顯的地面沉降現(xiàn)象，沉降區(qū)域呈蠶豆?fàn)?，南北方向展布，平均月沉降量約為5 mm，沉降量由外及里愈加嚴(yán)重。將干涉形變圖與遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)，利用ArcGIS測量距離的功能計(jì)算出下沉區(qū)域距礦區(qū)直線距離約1 000 m。另外通過對干涉圖進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)矢量化，提取邊界，增加字段，自動計(jì)算沉降區(qū)域的面積約為936.89 m2。進(jìn)一步就強(qiáng)度狀況進(jìn)行分析得出，在變形區(qū)域的西北部和西南部有2處沉降最嚴(yán)重，經(jīng)計(jì)算，斑塊面積分別約為50 m2(西北部)、60 m2(西南部)。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，西南部有一處抽水區(qū)，用來采礦時(shí)供水，西北部有一個(gè)蓄水區(qū)，由此初步推測，此兩處沉降嚴(yán)重可能與抽水和蓄水引起的地下水活動劇烈和巖層受到地下水侵蝕作用有關(guān)。在抽水區(qū)域附近有一處地表上升區(qū)域，具體原因還不能確定，初步推測為地下水抽取引起巖層上部載荷釋放而發(fā)生的回彈現(xiàn)象。

礦區(qū)的安全問題至關(guān)重要，因此做好礦區(qū)的地表沉降監(jiān)測工作是非常必要的。本研究結(jié)果表明，用InSAR技術(shù)可以有效地監(jiān)測地表形變信息，而且其在數(shù)據(jù)采集方面，以及時(shí)間、空間上的有利條件都勝于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，是一種新型的值得推廣的地表形變監(jiān)測技術(shù)。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

2016- 11- 01

國家自然科學(xué)基金(41261092，41561083)；云南省自然科學(xué)基金(2015FA016)

孫新輝(1990—)，女，河北張家口人，碩士研究生，研究方向?yàn)檫b感技術(shù)理論與方法，E- mail：sunxinhuiainiu@163.com。

甘 淑(1964-)，女，云南騰沖人，教授，博士，研究方向?yàn)檫b感技術(shù)理論與方法，E- mail: 1226608170@qq.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170352

P225

B

0528- 9017(2017)03- 0531- 03

文獻(xiàn)著錄格式：孫新輝，甘淑. InSAR技術(shù)在某磷礦區(qū)地表形變檢測中的應(yīng)用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(3)：531- 533，540.