楊　帆，張　磊，張子文，趙增鵬

(遼寧工程技術(shù)大學測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

撫順煤田煤炭資源開發(fā)已有百余年歷史，撫順市經(jīng)濟的發(fā)展在很大程度上得益于煤炭資源的開采。但是目前來看，撫順的兩大露天開采區(qū)與地下采空區(qū)直接或間接的造成了城市內(nèi)一些地質(zhì)災害的發(fā)生，如地面沉陷、地裂縫、滑坡、礦震等地質(zhì)災害，2014年1月，撫順西露天礦礦坑南坡形成了一條約3100 m的地裂縫，并以每天8～10 cm的速度向北移動。這些地質(zhì)災害危及撫順市人民的生命安全，制約著撫順老工業(yè)基地的振興和發(fā)展。由于多種因素的制約，撫順市短期內(nèi)還不能完全避免地質(zhì)災害，只能通過制定地質(zhì)災害防災、減災措施，降低地質(zhì)災害發(fā)生的可能性，提高其安全性。

合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)(differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR)是近幾十年發(fā)展起來的空間大地測量技術(shù)，具有全天候、無接觸、大面積、高空間分辨率、高精度等優(yōu)勢。短基線集(small baseline subset，SBAS)技術(shù)是時間序列D-InSAR技術(shù)中一種常用的形變監(jiān)測分析方法，能夠克服時空失相干和大氣效應的影響，監(jiān)測長時間范圍內(nèi)地表形變，獲得研究區(qū)域的沉降規(guī)律和演化特征[1]。與永久散射體InSAR(PS-InSAR)技術(shù)相比，SBAS技術(shù)對影像數(shù)量的要求較低，可以提高影像的利用率，在地面沉降監(jiān)測方面得到了廣泛的應用。李永生等利用SBAS反演結(jié)果，了解了北京的地面沉降空間分布特征[2]；劉志敏等采用SBAS技術(shù)對長治礦區(qū)地表形變進行監(jiān)測，得到了研究區(qū)地面沉降的空間分布及時間序列的相對形變量[3]；邱志偉等基于短基線集技術(shù)反演出南京地區(qū)的地表形變場及累計形變量[4]；李珊珊等將SBAS技術(shù)應用到青藏高原季節(jié)性凍土的形變監(jiān)測[5]；張金芝等將SBAS技術(shù)應用到現(xiàn)代黃河三角洲的地面沉降監(jiān)測[6]；張永紅等改進SBAS中的時序形變模型并將其應用到太原市礦區(qū)的地面沉降監(jiān)測[7]。本文利用短基線集(SBAS)技術(shù)對覆蓋撫順市部分地區(qū)的12景COSMO-SkyMed高分辨率SAR數(shù)據(jù)進行了處理，獲得了該研究區(qū)域的地面沉降分布和沉降速率圖。

1　研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1　研究區(qū)概況

撫順市曾經(jīng)是我國最大的燃料生產(chǎn)基地，素有“煤都”之稱，并在煤炭開發(fā)的基礎(chǔ)上建立起來了相關(guān)行業(yè)，成為一座具有一定規(guī)模的綜合型工業(yè)城市。其中心地理坐標為東經(jīng)123°55′，北緯41°52′。撫順地區(qū)以渾河水系為主體，市區(qū)位于撫順西部渾河河谷沖積平原上，平均海拔65～99 m，呈東西走向，南北為山地，渾河由東至西將市區(qū)分割成南北兩部分。市區(qū)的南北寬約6～8 km，東西長約30 km，地勢從東向西逐漸降低。撫順礦區(qū)位于撫順市渾河南岸，長約18 km，寬約2 km，主要有西露天采場和東露天采場等，其中，西露天礦位于撫順煤田西部，礦坑東西長6.6 km，南北寬2.2 km，總面積為13.2 km2，開采垂直深度388 m。東露天礦位于撫順市區(qū)的南部，撫順煤田的東部，礦坑東西長5.7 km，南北寬1.9 km，面積9.2 km2。其中撫順東露天礦在2006—2009年3年的開發(fā)建設(shè)后，于2009年9月礦山進入正規(guī)化、集中化、合理化開采階段。

1.2　數(shù)據(jù)源

本試驗使用時間跨度為2014年4月至2015年3月、覆蓋研究區(qū)域的12景降軌COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)。該影像是由意大利航天局和國防部共同研發(fā)的衛(wèi)星星座獲取的，成像模式為HIMAGE條帶模式，分辨率為3 m×3 m。所用影像數(shù)據(jù)的基本參數(shù)情況見表1。為了提高運行速率，對研究區(qū)域加以裁剪，只對研究區(qū)域進行數(shù)據(jù)處理，影像覆蓋范圍及裁剪研究區(qū)域范圍如圖1所示，外層細線框為影像覆蓋范圍，內(nèi)層粗線框為研究區(qū)范圍。

DEM數(shù)據(jù)來自美國宇航局(NASA)官方網(wǎng)站，是美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量的覆蓋研究區(qū)域的SRTM數(shù)據(jù)。所使用的DEM數(shù)據(jù)版本號為4，分辨率為90 m×90 m，用以模擬地形相位，剔除干涉圖的地形相位成分[8]。

2　研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1　短基線集技術(shù)

短基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)的基本原理就是將單次DInSAR得到的形變結(jié)果作為觀測值，再基于最小二乘法則來獲取高精度的形變時間序列[9-10]。為了抑制由于時空基線過長所引起的時空失相關(guān)現(xiàn)象，短基線集技術(shù)從獲取的SAR影像中選擇時空基線均小于一定閾值的干涉影像對生成多視差分干涉圖，這些干涉影像對會根據(jù)基線情況分成若干個集合，每個小集合內(nèi)用最小二乘法進行解算，求得地表形變時間序列；小集合間利用奇異值分解法(SVD)將多個小基線集聯(lián)合起來進行求解，得到整個時間段的形變時間序列[11-12]。

表1　CSK影像參數(shù)

圖1　研究區(qū)域與影像覆蓋范圍

假設(shè)同一地域有N+1幅雷達影像，(t0,t1,…,tn代表影像的獲取時間)，并假設(shè)所有雷達影像均已配準到同一坐標系下，根據(jù)干涉條件組合，得到M幅干涉圖，其中M滿足

在進行去平地效應及DEM相位后，在(x,r)點由tB和tA兩個時刻的影像生成的解纏相位，可以得到

(1)

式中，j=1,2,…,M；Δddisp為形變相位差；Δz為DEM誤差；Δdatm為大氣引起的相位差。

將DEM誤差和大氣相位誤差去除后，可以將式(1)寫成如下形式

Bφ=δφ

(2)

式中，B為M×N矩陣；φ表示未知形變相位矢量。同時可以將式(2)的格式進行轉(zhuǎn)換，用兩個時間點之間的平均速率來代替其中的未知相位參數(shù)，得到

Bυ=δφ

(3)

式中，B表示M×N矩陣。如果SAR數(shù)據(jù)分割到幾個獨立SBAS，會造成矩陣B秩虧，導致式(3)有無窮解。然而，在SBAS處理流程中利用SVD方法，對矩陣B進行偽逆運算，就可以得到v的廣義逆解。

對式(3)進行SVD運算求出v之后，再對各時間段的速度進行時間域上的積分得到每個時間段上相位的形變值，然后將相位形變值乘以相位形變轉(zhuǎn)換系數(shù)(λ/4π)就可以得到整個監(jiān)測周期內(nèi)地表在雷達視線方向上的形變時間序列。

2.2　數(shù)據(jù)處理

本試驗使用SARscape雷達影像處理軟件，以ENVI5.3為數(shù)據(jù)處理平臺，對覆蓋研究區(qū)域的12景COSMO影像數(shù)據(jù)進行預處理。選取比較小的時間和空間基線閾值來抑制時空去相干的影響[13]，設(shè)置時間基線閾值為300 d、空間基線閾值為400 m，對12景SAR影像進行自由組合，共產(chǎn)生了26個干涉對。選取成像時間為2014年9月24日的影像為公共主影像，其中空間基線最大約為356 m，最小約12 m，時間間隔最大為272 d，最小為16 d。在干涉圖生成階段對干涉圖進行了方位向視數(shù)為2、距離向視數(shù)為2的多視處理，多視處理后所對應地面分辨率為5 m、利用輔助DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位，從干涉相位中去除地形相位，生成差分干涉圖，并使用Goldstein方法對差分干涉圖進行濾波[14]，采用3D解纏(Delaunay MCF)算法進行相位解纏[15-16]。處理流程如圖2所示。

3　結(jié)果與分析

3.1　試驗結(jié)果

通過對覆蓋研究區(qū)域的12景影像數(shù)據(jù)進行處理，得到了研究區(qū)域的沉降信息。圖3為獲得的研究區(qū)域的沉降速率場。從圖3可以看出，撫順市在2014年4月—2015年3月監(jiān)測的時間段內(nèi)整體存在沉降，大部分沉降速率在-25～-45 mm/a的范圍內(nèi)，沉降嚴重的區(qū)域為新?lián)釁^(qū)。撫順西露天礦南側(cè)和東露天礦干涉生成的相干點比較少，現(xiàn)將20140924與20141010兩景影像的干涉圖與沉降速率圖疊加，得到疊加效果圖(如圖4所示)，圖4中顯示位置為東露天礦，圓圈內(nèi)表示在16 d內(nèi)發(fā)生了大的形變的位置，正好與沉降速率圖中未得到沉降信息的地方重合，但是從邊緣干涉出的點可以看出有比較明顯的沉降，這便是造成失相干的原因。

圖2　SBAS技術(shù)處理流程

圖3　撫順市2014年4月—2015年3月年平均沉降速率分布

為了對研究區(qū)進行進一步精細化分析，將柵格格式的沉降速率圖轉(zhuǎn)化為矢量格式的沉降速率圖，并利用克里金插值算法[17]對其插值，得到面狀沉降信息分布圖(如圖5所示)。從圖5中可以看出，撫順西露天礦南側(cè)、東露天礦內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的沉降，對沉降最嚴重的區(qū)域進行分析，作A-A′剖面得到其剖面線(如圖6所示)，發(fā)現(xiàn)剖面線存在兩個比較明顯的極小值點，分別達到-169和-125 mm/a，形成兩個小沉降漏斗，隨著時間的推移，兩個沉降漏斗有可能合并成一個。此處沉降漏斗的形成與東露天礦采場的生產(chǎn)活動有關(guān)。

圖4　疊加效果(東露天礦)

圖5　研究區(qū)域面狀沉降信息分布圖

圖6　A-A′剖面線

3.2　精度分析

利用收集到的4個水準點的觀測值對SBAS監(jiān)測結(jié)果進行對比驗證，結(jié)果見表2。以水準點觀測值為形變值的真值，4個水準點的最大誤差為6.254 9 mm，最小為2.141 3 mm，誤差均小于10 mm?？梢哉J為SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測地表形變能達到亞厘米級的精度。產(chǎn)生誤差的主要原因是水準點與得到的PS點位置存在偏差，不能完全對應，采用了以水準點為中心，將一定范圍內(nèi)的PS點求取的平均值作為SBAS監(jiān)測值，與水準點進行對比的方法。

表2　水準點與SBAS監(jiān)測結(jié)果對比

4　結(jié)　語

本文采用短基線集技術(shù)對覆蓋撫順市的12景COSMO-SkyMed影像數(shù)據(jù)進行干涉處理，得到了撫順市在研究周期內(nèi)的地面沉降信息。撫順市整體存在沉降現(xiàn)狀，并且有2個沉降嚴重的區(qū)域，分別位于撫順西露天礦南側(cè)和東露天礦西北側(cè)，并且有擴大的趨勢，相關(guān)部門應對這兩個地點加強監(jiān)測，掌握其形變動態(tài)，及時采取防治措施。通過試驗結(jié)果進一步分析可知，SBAS-InSAR技術(shù)應用于地面沉降的監(jiān)測，精度可以達到亞厘米級，但是對于大量級的形變?nèi)菀自斐墒喔桑瑥亩貌坏奖O(jiān)測值。

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