王志華 姜輝 鮑捷

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，礦產(chǎn)資源過度開采導致的地面塌陷，甚至地質(zhì)災害問題日益凸顯，威脅著礦區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，也制約著礦業(yè)城市的可持續(xù)發(fā)展。地面沉降多是緩慢變化、不可逆的，利用小基線集（SBAS）時間序列形變分析方法能監(jiān)測長時間、大范圍的地表緩慢形變，得到所研究礦區(qū)的沉降發(fā)展趨勢和演化情況[1]。

本文主要用SBAS方法監(jiān)測緩慢微小的地面形變，研究礦區(qū)的地面沉降分布特征及形變時間演化規(guī)律，分析具體沉降情況，繪制形變量圖、累積沉降面積變化曲線等，以便科學指導礦區(qū)的生產(chǎn)生活。

1 SBAS技術(shù)概況

1.1 SBAS技術(shù)研究現(xiàn)狀

SBAS技術(shù)起源于2002年，國內(nèi)外學者做了大量試驗和研究，取得了突破性進展，但是國內(nèi)對SBAS技術(shù)的研究與應(yīng)用遠不及國際水平。隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的全面建設(shè)，SBAS技術(shù)在監(jiān)測地表形變中將有更大的發(fā)展空間，這要求我們必須對SBAS技術(shù)的理論及在沉降監(jiān)測中的應(yīng)用進行更加深入的研究[2]。

1.2 SBAS技術(shù)的基本原理和處理流程

SBAS技術(shù)是在傳統(tǒng)合成孔徑干涉雷達（InSAR）技術(shù)基礎(chǔ)上改進而來。SBAS影像集合由長基線組成的相互獨立的合成孔徑雷達（SAR）影像連接組成，一些小集合存在于已有的SAR影像數(shù)據(jù)集中，小集合間的SAR影像基線較大，小集合內(nèi)SAR影像基線較小。

所有SAR影像數(shù)據(jù)組合后，利用矩陣的奇異值分解（SVD）法將小基線集聯(lián)合起來求解，得到的形變圖在空間上更為連續(xù)，因為小基線集減小了地形對差分的影響，減弱了空間失相干性。利用SVD求最小范數(shù)意義上的最小二乘解，是SBAS的核心技術(shù)算法[3]。采用這種方法連接小基線提高了時間采樣率和空間分辨率，這是因為結(jié)合了穩(wěn)定散射體的干涉相位信息后，提高了形變監(jiān)測的可靠性[4]。SBAS處理流程如圖1所示。

圖1 SBAS處理流程圖

2 實驗研究

本文采用安徽省淮南市謝家集礦區(qū)的8景日本ALOS PALSAR衛(wèi)星升軌數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)，利用SBAS方法進行時間序列分析，獲取礦區(qū)的沉降序列圖。

謝家集礦區(qū)在東經(jīng) 116°54′～ 117°01′與北緯32°32′～32°39′之間。區(qū)域地層發(fā)育基本齊全，但大部分地區(qū)被第四系沖積層覆蓋。根據(jù)形態(tài)特征不同，區(qū)域地貌分為4個類型：中部低山丘陵區(qū)，南部濱湖平原區(qū)，城鎮(zhèn)境內(nèi)及周圍波狀平原區(qū)，河間平原區(qū)。丘陵占區(qū)域總面積的19.7%，自西北至東南綿亙于中部；天然湖泊在四周分布，鑲嵌其間的是塌陷區(qū)，水面占區(qū)域總面積的6%；平原洼地占區(qū)域總面積的74.3%。

2.1 實驗步驟

（1）生成連接圖：將數(shù)據(jù)集最小、最大空間基線設(shè)置為0和45（臨界基線的百分數(shù)），最小、最大時間基線設(shè)置為0和800（由于臨近兩景影像拍攝時間接近一年，故時間基線選取稍大一些）。

（2）定義研究區(qū)域：因研究區(qū)域原始SAR影像數(shù)據(jù)過大，需選取出重點研究區(qū)域進行干涉處理。選定的像素行列號范圍是西2400、東2750、北950、南1400，選好研究區(qū)域后，逐景影像比對發(fā)現(xiàn)所選正確。

（3）干涉工作流：根據(jù)第一步生成的SAR影像像對間的連接關(guān)系，對每對像對進行干涉工作流處理，處理過程有干涉圖生成及去平、自適應(yīng)濾波、相干性生成、相位解纏，生成系列解纏之后的相位圖。所有干涉圖都與超級主影像進行了配準，為軌道精煉、重去平及SBAS反演做準備。干涉工作流之前需設(shè)置參數(shù)，經(jīng)過多視處理確定方位向與距離向的最佳比為4∶3，此步驟用時大約3小時。處理完畢得到各個像對去平和濾波后的干涉圖、相干系數(shù)圖和解纏結(jié)果，依次查看，用連接圖編輯工具將相干性低的移除，得到最終連接圖。

（4）軌道精煉和重去平：估算和去除殘余的恒定相位和解纏后還存在的相位坡道。除需要生成的輔助文件和研究區(qū)DEM外，還要選擇地面控制點，先目測選取相干性強、亮度高的點20～30個，再提出相干性差的點，進行下一步操作。

（5）SBAS反演Step1：這是SBAS反演的核心步驟，第一次估計位移速率和殘余地形，對合成的干涉圖去平，重新做相位解纏和精煉，生成更優(yōu)化結(jié)果，用于下一步計算。Step1算出所有像對的形變和高程，形變包括日期、速度、加速度及其變化，高程包括校正值和新DEM。這一過程提供線性模型、無位移模型、二次方模型和三次方模型，其中線性模型最穩(wěn)定，其他模型需要密集的連接圖及高相干性才能得到準確結(jié)果。

（6）SBAS反演Step2：核心是計算時間序列上的位移，在Step1得到的形變速率基礎(chǔ)上，進行定制的大氣濾波，估算和去除大氣相位，得到時間序列上的最終位移結(jié)果。通過大氣高通和低通估計大氣影響，最后每個時間都從測量的位移中減去這些大氣部分。

（7）地理編碼：對前面得到的結(jié)果進行地理編碼，像元大小設(shè)置為25m，其他為默認參數(shù)。

2.2 實驗結(jié)果分析與討論

通過對2011年1月至2018年2月間8景ALOSPALSAR數(shù)據(jù)進行SBAS處理，得到研究礦區(qū)的累計沉降量，如圖2所示。

研究區(qū)域內(nèi)，十澗湖西路、堤壩整體處于下沉狀態(tài)，西張鐵路的西半段處于抬升狀態(tài)，東半段下沉嚴重。小井礦井、東方礦井及新二礦區(qū)處于不同程度的下降狀態(tài)。現(xiàn)研究十澗湖西路的沉降狀況，選取4個樣本點，樣本點的沉降時間序列圖如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，近4年十澗湖西路一直處于下沉狀態(tài)，最大沉降量達到400mm/year，隨著時間的增加沉降速率逐漸減小。

圖2 累計沉降圖

圖3 十澗湖西路沉降時間序列圖

3 結(jié)語

過度開采礦產(chǎn)資源導致礦區(qū)地面沉降的現(xiàn)象日益頻發(fā)。運用SBAS技術(shù)對礦區(qū)地面沉降進行監(jiān)測，能夠快速、準確地發(fā)現(xiàn)研究礦區(qū)的地面形變，為礦產(chǎn)資源的開采利用、地面沉降的預測及控制提供科學數(shù)據(jù)，為礦區(qū)的生產(chǎn)生活、交通道路和房屋建設(shè)提供合理指導。