章新益，劉 倩，董雙發(fā)，石海崗

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2. 東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

1 工作區(qū)概況

工作區(qū)區(qū)域范圍為北緯38°50′～39°20′、東經(jīng)115° 30′ ～117° 00′，面積4620km2。

2 D-InSAR處理

為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)周邊地面沉降、地裂縫的數(shù)據(jù)提取，本次工作采用了Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星配備了先進(jìn)的極地軌道C波段雷達(dá)成像系統(tǒng)，是SAR操作應(yīng)用的延續(xù)?？扇旌蜻M(jìn)行對(duì)地觀測，在實(shí)際應(yīng)用中意義重大[1]。

2.1 D-InSAR測量基本原理

D-InSAR測量技術(shù)為精準(zhǔn)測量出地表沉降量，須消除地形相位信息。常用的方法有二軌法、三軌法和四軌法。此次工作中采用二軌法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該方法需要外部DEM高程數(shù)據(jù)的引入才能獲得地表形變其原理如圖所示。

圖1 變形原理

表示在兩次觀測中，圖1根據(jù)二軌法測量原理

P點(diǎn)移動(dòng)到ΔD的距離至P1，那么解纏后的相位信息可以包括：

其中

如果不考慮大氣延遲及觀測噪聲等相關(guān)信息，則公式②中，基線計(jì)算就可以完全消除平地相位信息，利用外部高精度的DEM可以消除地形相位，相位解纏后式中僅含有形變引起的相位變化量，假設(shè)視線方向向量的形變?yōu)镈，兩邊進(jìn)行微分得：

2.2 D-InSAR測量礦區(qū)周邊地表形變的基本方法

D-InSAR技術(shù)主要有以下三種基本方法：

甚短基線法是雷達(dá)影像組合成的干涉像對(duì)，此干涉像對(duì)之間的空間基線非常小，地面高程引起的相位變化信息量可合理有效的控制[2]。本方法類似為零基線距法。零基線距法是在理想狀況下，即空間基線等于0，同時(shí)不必考慮地形因素誤差的影響，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的情況中，原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)源中，很難獲得空間基線等于0，因此該方法不適用于現(xiàn)實(shí)情況下的礦區(qū)周邊地表沉降形變監(jiān)測。

二軌法是Massormet在1993年首次提出來的，該方法需要兩景雷達(dá)圖像和涵蓋實(shí)驗(yàn)區(qū)域的DEM高程數(shù)據(jù)，這兩景數(shù)據(jù)分別是發(fā)生形變之前和形變之后的雷達(dá)圖像。

三軌跡方法需要三個(gè)場景雷達(dá)圖像以進(jìn)行差分干擾處理。所選的兩個(gè)場景雷達(dá)圖像是在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的小變形之前獲得的，而第三場景雷達(dá)圖像是在小變形之后選擇的。通常將輕微變形之前的場景雷達(dá)圖像之一選擇為公共圖像，將SAR雷達(dá)圖像的另兩個(gè)場景用作次要圖像。輔助圖像的兩個(gè)場景雷達(dá)圖像與公共圖像配準(zhǔn)，以生成兩組干擾對(duì)。本次數(shù)據(jù)處理中，采用二軌法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其工作流程如圖2所示。

圖2 IN-SAR流程圖

3 礦區(qū)周邊地面沉降的因素

引起礦區(qū)周邊地面沉降的自然因素主要是構(gòu)造升級(jí)運(yùn)動(dòng)以及地震等，人為因素主要是井下水超采、礦產(chǎn)資源的開采以及局部荷載等。

工作區(qū)地處華北平原地下水嚴(yán)重超采區(qū)，地面沉降現(xiàn)象由來已久。工作區(qū)在50年代～60年代中期，局部地區(qū)已產(chǎn)生地面沉降，隨著人類活動(dòng)的加劇，地面沉降呈持續(xù)發(fā)展的趨勢。

D-INSAR在礦區(qū)周邊地面沉降監(jiān)測中有著巨大的前景與潛力，但是仍然存在著一定的局限性，其中失相關(guān)性便是一個(gè)嚴(yán)重的技術(shù)問題。

他會(huì)干涉數(shù)據(jù)的傳導(dǎo)時(shí)間，因此會(huì)在電磁波傳導(dǎo)延時(shí)效果，導(dǎo)致大氣濕度或者連續(xù)獲取數(shù)據(jù)發(fā)生了滑坡，形變導(dǎo)致最終失相關(guān)效果的干擾。

根據(jù)近期Sentinel-1A衛(wèi)星雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果表明，礦區(qū)周邊地面沉降仍以每年厘米級(jí)別速度持續(xù)下沉。年沉降率大于30mm每年的區(qū)域已至沖積平原的扇緣，覆蓋了工作區(qū)大部分區(qū)域。

全區(qū)年沉降量大于300mm的面積達(dá)2905.95km2，大于600mm的面積為917.79km2，大于900毫米的面積242.59km2。

礦區(qū)周邊地面沉降程度由北西向東南逐漸嚴(yán)重，形成大營鎮(zhèn)—馬莊鎮(zhèn)、東段鄉(xiāng)—左各莊鎮(zhèn)和霸州市三個(gè)為中心的沉降區(qū)域，以東段鄉(xiāng)—左各莊鎮(zhèn)最為嚴(yán)重。

4 地裂縫

地裂縫是地表巖土在自然因素或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂并在地面形成一定長度和寬度裂縫的現(xiàn)象。工作區(qū)地裂縫從成因上多為沉降型地裂縫。

全區(qū)解譯地裂縫9條，累計(jì)長度6.4km。分布于容城縣（2條）、文安縣（2條），徐水縣、安新縣、高碑店市、霸州市和固安縣各1條。霸州市王莊子鄉(xiāng)北西地裂縫最長，單條地裂縫可達(dá)3km左右。

5 其他不良地質(zhì)現(xiàn)象

5.1 礦山開采遺留環(huán)境問題

工作區(qū)地處平原地區(qū)，礦山開采以砂石粘土礦為主，多為露天開采。

礦山開采遺留環(huán)境問題主要為砂石粘土坑和固體廢棄物，其中砂石粘土坑廢棄后，易積水，未經(jīng)防護(hù)治理，具有一定安全隱患。全區(qū)解譯砂石粘土坑和固體廢棄物349處，面積共15.95km2。

5.2 土地沙化

近年來，由于地表徑流銳減，河道斷流，水位持續(xù)下降，砂質(zhì)土壤中水分減少，土壤退化，植被枯萎，導(dǎo)致土地沙化趨勢嚴(yán)重。通過遙感解譯，全區(qū)共有土地沙化面積5.57km2，主要分布于霸州和永清兩縣，形態(tài)上一般沿現(xiàn)代河流呈帶狀分布。

6 結(jié)論

通過D-InSAR雷達(dá)檢測技術(shù)，能夠針對(duì)礦區(qū)周邊地面的沉降情況進(jìn)行研究，D-InSAR技術(shù)可以利用兩景或以上影像對(duì)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，D-InSAR技術(shù)與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，具有諸多優(yōu)勢，如他能夠全天候不分時(shí)段的進(jìn)行檢測，并且范圍不僅廣，精準(zhǔn)度也非常高，且總體而言造價(jià)低。通過對(duì)地面情況的高精度的檢測，了解地面沉降現(xiàn)象，觀察地面沉降的變化性規(guī)律，為找尋沉降、塌陷的規(guī)律，作出預(yù)警、預(yù)測、評(píng)估等提供幫助。

因此D-InSAR技術(shù)必然是未來礦區(qū)周邊地面沉降檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。D-InSAR技術(shù)在處理數(shù)據(jù)時(shí)也具有這些不利因素，主要是時(shí)間去相關(guān)，相位展開和大氣傳播過程中電磁波延遲的影響。D-InSAR技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)有更高的要求，主要是由于分辨率的影響，但是這也是D-InSAR技術(shù)精度高的原因之一。

當(dāng)使用低分辨率的雷達(dá)圖像時(shí)，D-InSAR技術(shù)無法監(jiān)視單個(gè)目標(biāo)的變形，這些也是D-InSAR技術(shù)的未來改進(jìn)方法，亟待解決的問題。

隨著D-INSAR研究的不斷精進(jìn)，再加上各種新的技術(shù)的輔助，如新衛(wèi)星的發(fā)射、傳感器成像技術(shù)的改進(jìn)以及軟件技術(shù)的發(fā)展，有理由相信D-INSAR技術(shù)將用于礦區(qū)周邊地面沉降與其他領(lǐng)域的用途更廣泛。