汪民主，李紅彥

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

因開采而引起的地面沉陷問(wèn)題，對(duì)人們生產(chǎn)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及周圍環(huán)境造成了影響，對(duì)開采引起的地表沉陷的監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段有精密水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量和GPS觀測(cè)技術(shù)等，具有精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在工作量大、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、空間分辨率低等缺點(diǎn)。隨著SAR技術(shù)的提出與發(fā)展，礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)手段得到快速發(fā)展，利用InSAR技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)地表沉陷已進(jìn)入新的階段，其中，D-InSAR技術(shù)因其快捷方便、低成本、高精度、對(duì)微小變形的高敏感度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各礦區(qū)的沉陷監(jiān)測(cè)。本文利用某礦區(qū)某礦的InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際處理、應(yīng)用與分析，并與傳統(tǒng)礦區(qū)監(jiān)測(cè)方法實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，驗(yàn)證InSAR技術(shù)的可靠性與可行性。

1 二軌法D-InSAR形變測(cè)量基本原理

InSAR干涉相位包括地形信息和地表形變信息以及其他相位信息，表示如下：

φif=φf(shuō)lat+φtop+φdef+φorb+φatm+φnoi

(1)

式中，φf(shuō)lat為平地效應(yīng)相位；φtop為地形相位；φdef為地表形變相位；φorb為軌道誤差引起的相位；φatm為大氣延遲相位；φnoi為噪聲相位。

D-InSAR就是采用一系列措施來(lái)消除其他相位，只留下由地表形變引起的相位。以二軌法為例介紹D-InSAR形變監(jiān)測(cè)原理，如圖1所示。

圖1 二軌法形變監(jiān)測(cè)示意圖

若忽略軌道誤差、大氣擾動(dòng)和噪聲影響，由式(1)可知，從干涉相位中去除平地效應(yīng)相位和地形相位，就可得到地表形變引起的相位，由此進(jìn)一步得到地表形變。

點(diǎn)P1在參考橢球面上，該處相位只包含平地效應(yīng)相位，地面點(diǎn)P2則包含平地效應(yīng)相位和地形相位。

(2)

(3)

(4)

兩幅SAR影像觀測(cè)期間形變?yōu)椋?/p>

(5)

利用誤差傳播定律對(duì)式(5)的h求偏導(dǎo)，可得：

(6)

由式(6)可知，DEM的精度對(duì)地表形變的誤差起到了至關(guān)重要的作用。SRTM在2018年2月11日～22日完成了飛行使命，得到了覆蓋地球80%以上的陸地面積的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，制成了DEM數(shù)據(jù)，SRTM3 DEM數(shù)據(jù)在我國(guó)的分辨率為90 m，平原地區(qū)絕對(duì)高程精度優(yōu)于5 m,為二軌法差分干涉測(cè)量提供了有力的保證。

2 D-InSAR監(jiān)測(cè)礦區(qū)沉陷的實(shí)例應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇

某礦位于河北省邯鄲市西南部，西北距某集團(tuán)有限公司6 km，東南距磁縣縣城約15 km，行政區(qū)劃隸屬邯鄲市某礦區(qū)及磁縣管轄。某礦井田傾斜寬約為2.5 km，走向長(zhǎng)約為8 km，面積約為20 km2，交通條件十分便利。在本文采用的SAR影像監(jiān)測(cè)期間，該礦僅有152下31S工作面處于開采之中，且監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)開采區(qū)位于工作面的北部。

選擇覆蓋該礦區(qū)的兩景SAR影像數(shù)據(jù)，將2018年1月9日和2月2日的RADARSAT影像形成干涉對(duì)，外加SRTM3 DEM數(shù)據(jù)：N36E114.hgt，監(jiān)測(cè)某礦在24天內(nèi)的地面沉降信息。

2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

目前，針對(duì)SAR數(shù)據(jù)的處理開發(fā)出了很多軟件，例如加拿大Atlantis公司的EARTH VIEW INSAR軟件、荷蘭Delft科技大學(xué)開發(fā)的Doris、美國(guó)的JPL和Caltech開發(fā)的ROI_PAC等。本文選用GAMMA軟件完成差分干涉處理工作，該軟件是由瑞士GAMMA遙感公司開發(fā)的，可以在Linux系統(tǒng)和Win系統(tǒng)下安裝，也可開放源代碼，操作簡(jiǎn)單、易學(xué)。該軟件可分成組件式的SAR處理器、干涉SAR處理器、差分干涉和地理編碼、土地利用工具和干涉點(diǎn)目標(biāo)分析這五個(gè)部分，可處理ERS-1/2 、TerraSAR-X、SIR-C 、JERS、PALSAR、RADARSAT、ENVISAT ASAR等 SAR數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用二軌法進(jìn)行差分干涉處理，基本流程圖如圖2所示，利用地表形變前后的SAR影像對(duì)產(chǎn)生的的干涉條紋圖和DEM模擬的地形相位，從干涉圖中去除地形相位獲得地面沉降信息，如圖3所示。通過(guò)ENVI和Golden Surfer軟件，從獲取的地面沉降圖中提取出地形信息，繪制沉降等值線圖，如圖4所示。利用開采沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的礦區(qū)下沉曲線，如圖5所示。對(duì)比兩圖，可以發(fā)現(xiàn)SAR影像監(jiān)測(cè)得到的等值線與MSPS軟件預(yù)計(jì)的等值線趨勢(shì)、形狀大致吻合，35 mm等值線吻合度最高，15 mm等值線吻合度最低，但還存在部分差異，一些差分干涉圖反應(yīng)的沉陷信息在預(yù)測(cè)等值線圖中沒有反應(yīng)，比如圖4，等值線右側(cè)有部分突出，已采工作面及周邊工作面開采、監(jiān)測(cè)精度、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度等都對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，而預(yù)計(jì)軟件是在各方面條件均理想化的情況下得到預(yù)計(jì)結(jié)果，導(dǎo)致出現(xiàn)不吻合的地方。

圖2 二軌法差分干涉測(cè)量流程圖

圖3 沉降圖

某礦在152下31S工作面上方附近設(shè)立了地表移動(dòng)觀測(cè)站，將觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理得到的沉降值與SAR影像監(jiān)測(cè)相應(yīng)觀測(cè)站點(diǎn)的沉降量進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出了兩種方法的誤差值，兩組數(shù)據(jù)如表1所示。其中，測(cè)站T0、T17至T26位于下沉邊界以外，理論上不存在下沉，而影像監(jiān)測(cè)到下沉值，可能因?yàn)镾AR數(shù)據(jù)處理過(guò)程中存在影像間偏差、配準(zhǔn)誤差、軌道參數(shù)誤差、操作誤差等，此時(shí)要對(duì)這些測(cè)站的監(jiān)測(cè)沉降值進(jìn)行補(bǔ)償。確定補(bǔ)償值方法有：(1)利用沉降圖取邊界外相干系數(shù)為0.8以上點(diǎn)的沉降值，求取平均值；(2)根據(jù)Surfer軟件得到的監(jiān)測(cè)等值線圖確定邊界外補(bǔ)償值。本文采用第一種方法，取補(bǔ)償值為14 mm。為了有更加形象、直觀的認(rèn)識(shí)，將地面監(jiān)測(cè)沉降量與影像監(jiān)測(cè)形變量進(jìn)行分析成圖，如圖6所示。從圖中可知，兩者的最小誤差為0 mm，最大誤差為30 mm，18個(gè)點(diǎn)誤差在10 mm以內(nèi)，11個(gè)點(diǎn)誤差在10 mm及以上，平均誤差為8.97 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.68 mm。

圖4 與礦圖疊加的等值線圖

圖5 預(yù)測(cè)下沉曲線

表1 D-InSAR監(jiān)測(cè)沉降值與地面實(shí)測(cè)沉降值對(duì)比表

圖6 地面監(jiān)測(cè)與D-InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)D-InSAR方法得到的沉降信息與地面觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，兩種方法處理結(jié)果基本相符合，但也存在一定的差值，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)象元點(diǎn)選取有偏差、數(shù)據(jù)內(nèi)插不準(zhǔn)確、軌道參數(shù)變化、大氣影響等。

3 結(jié) 論

InSAR技術(shù)具有常規(guī)監(jiān)測(cè)方法和GPS技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在某礦區(qū)某礦的應(yīng)用效果與實(shí)際情況相符，監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性，但影像失相干、衛(wèi)星軌道誤差、大氣效應(yīng)等都會(huì)影響D-InSAR技術(shù)最終處理結(jié)果，該技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新?？傮w來(lái)說(shuō)，D-InSAR技術(shù)能夠有效地監(jiān)測(cè)礦區(qū)因開采沉陷引起的沉陷盆地，且D-InSAR技術(shù)可以得到整個(gè)區(qū)域的沉陷信息、不用布設(shè)觀測(cè)站、更加方便快捷，節(jié)省了大量人力物力，這說(shuō)明SAR影像監(jiān)測(cè)地面沉降具有一定的可行性和良好的應(yīng)用前景。