楊光欣，朱煜峰，張龍剛

(1.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715517)

煤炭是世界上儲量最大、分布最廣的常規(guī)能源，也是重要的戰(zhàn)略資源，在我國能源中占據(jù)重要地位。在采煤過程中，地下會形成巨大的采空區(qū)，造成地表沉降甚至塌陷，采煤塌陷造成良田荒蕪，耕地面積銳減，礦區(qū)水資源和環(huán)境受到污染和破壞，不可避免地帶來一些社會問題[1]，因此有必要對礦區(qū)地表進(jìn)行監(jiān)測與分析。

水準(zhǔn)測量與GPS測量是傳統(tǒng)的形變監(jiān)測手段，其點位監(jiān)測精度高，但也具有監(jiān)測范圍小、受天氣影響大、作業(yè)效率低等缺點，很難對研究區(qū)域進(jìn)行整體、全局性的監(jiān)測。近年來，隨著合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星的逐漸成熟，合成孔徑雷達(dá)干涉測量(InSAR)技術(shù)得到了越來越多的青睞，其具有全天時、全天候的監(jiān)測能力，監(jiān)測精度較高，成圖速度快，能快速提供大范圍、長時間序列的形變監(jiān)測成果，在各類地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。干涉圖疊加(Stacking-InSAR)技術(shù)作為InSAR技術(shù)中重要的時間序列監(jiān)測手段，可以提供礦區(qū)地表長時間的形變監(jiān)測。本文應(yīng)用Stacking-InSAR技術(shù)對11景Sentinel-1影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得了監(jiān)測區(qū)域的沉降速率與累積沉降值，為現(xiàn)場的后續(xù)勘察提供技術(shù)支持。

1 實驗區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 實驗區(qū)概況

實驗區(qū)域位于黃隴侏羅紀(jì)煤田黃陵礦區(qū)南部，地處陜西省延安市黃陵縣腰坪鄉(xiāng)，屬于陜北黃土高原南部的低中山丘陵地帶，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，山巒起伏，屬侵蝕構(gòu)造地形，表現(xiàn)為壯年期侵蝕、堆積的山間河谷地貌特征。本區(qū)屬暖溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，年平均氣溫9.3 ℃，最高氣溫34.4 ℃，最低氣溫-19 ℃，1月平均氣溫-5 ℃，7月平均氣溫22.5 ℃。無霜期184 d，冰凍期為當(dāng)年11月～次年3月，最大凍土深度650 mm。風(fēng)向多為西北風(fēng)，最大風(fēng)速25 m/s，曹河和南川河川道內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向多為西南風(fēng)[2]。

實驗區(qū)域包含建新礦井與建莊礦井，建新礦井于2008年3月開工建設(shè)，2011年9月底主要生產(chǎn)系統(tǒng)基本建成。2012年通過竣工驗收，礦井正式投入生產(chǎn)，生產(chǎn)能力為1.50 Mt/a。2014年核定該礦井生產(chǎn)能力為4.00 Mt/a，并獲得批準(zhǔn)。建莊礦井與建新礦井相鄰，設(shè)計生產(chǎn)能力2.4 Mt/a，設(shè)計服務(wù)年限60 a。井田位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域(來源于谷歌地形圖)

1.2 實驗數(shù)據(jù)

本文采用歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，其重訪周期短、空間基線穩(wěn)定、數(shù)據(jù)量大且下載免費，可以滿足大區(qū)域地表沉降監(jiān)測的需求。由于其微波波段采用波長為5.6 cm的C波段，穿透植被能力不強，在植被茂盛區(qū)域會造成嚴(yán)重的失相干現(xiàn)象，因此本文僅采用冬季影像。最終選用覆蓋研究區(qū)域的11景升軌SAR影像，時間跨度從2019年11月14日～2020年3月13日，空間分辨率為5 m×20 m(方位向×距離向),觀測模式為干涉寬幅(IW)，極化方式為單一豎直極化(VV)，具體參數(shù)如表1所示。同時使用歐空局官網(wǎng)提供的POD精密軌道數(shù)據(jù)對軌道信息進(jìn)行修正，以去除軌道誤差造成的基線誤差。外部參考DEM為30 m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)。

表1 Sentinel-1A數(shù)據(jù)影像信息

2 實驗方法與流程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用瑞士GAMMA公司的GAMMA軟件對SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成小基線集干涉對。首先找到覆蓋研究區(qū)域的burst單元，提取并生成TOPS模式的單視復(fù)數(shù)(SLC)數(shù)據(jù)，并利用精密軌道數(shù)據(jù)對軌道信息進(jìn)行修正。通過計算每景影像的時間基線、空間基線，并經(jīng)過多次實驗驗證，選擇2020-01-01的影像作為參考主影像，對其進(jìn)行4:1(距離向:方位向)多視生成SAR強度圖像，進(jìn)行地理編碼并生成雷達(dá)坐標(biāo)系下的DEM。再將其余影像一一配準(zhǔn)到參考主影像上。由于影像配準(zhǔn)質(zhì)量會隨著時間增長而逐漸降低，即時間失相干現(xiàn)象，為后續(xù)處理帶來干擾，本文在配準(zhǔn)時引入已配準(zhǔn)的輔助影像，即將相鄰兩景影像提前配準(zhǔn)，用于頻譜差異校正部分，對配準(zhǔn)時產(chǎn)生的時間失相干現(xiàn)象很有幫助。

查看配準(zhǔn)生成的干涉圖，發(fā)現(xiàn)大量沉降集中分布在SAR影像右側(cè)，肉眼可見的沉降多達(dá)十余處。為了清楚地反映研究區(qū)域地表沉降情況并減小處理工作量，將配準(zhǔn)去斜后的RSLC數(shù)據(jù)再次以行列號進(jìn)行裁剪，并進(jìn)行4:1多視，多視后的小范圍影像為1 750行像元×1 800列像元。

2.2 基于Stacking-InSAR技術(shù)的地表沉降監(jiān)測方法

Stacking-InSAR技術(shù)基于多主影像，通過設(shè)置時空基線閾值，得到多個干涉對組合，再經(jīng)過解纏將相位權(quán)疊加，來獲取地表形變結(jié)果。該方法能夠有效地減弱時空失相干的影響，從而使得到的形變圖在時間和空間上更為連續(xù)，具有能夠時序性監(jiān)測大形變尺度的優(yōu)勢，有助于礦區(qū)沉降監(jiān)測[3]。具體包括以下步驟：

(1)計算SAR影像數(shù)據(jù)的時間、空間基線，選擇合適的時空基線閾值生成干涉對[4]。由于本文所選11景影像間時間間隔較短，均為12 d，且Sentinel衛(wèi)星空間基線較短，因此設(shè)置時間基線閾值為40 d，空間基線不設(shè)閾值，全部組合，共生成27對干涉對組合。時空基線分布圖如圖2所示。

圖2 時空基線分布圖

(2)按照生成的干涉對對文件再次進(jìn)行批量配準(zhǔn)，并進(jìn)行自適應(yīng)濾波，可在不損失空間分辨率的情況下降低相位噪聲，以減少殘差數(shù)目。

(3)根據(jù)生成的相干性文件，選取相干性最差的一組干涉對，取相干性穩(wěn)定點作為參考點進(jìn)行最小費用流法(MCF)相位解纏，解纏相干系數(shù)閾值為0.2，查看解纏質(zhì)量，刪除2對質(zhì)量差的解纏干涉對，最終選取25對干涉對。

(4)進(jìn)行基線精化，用精密基線再次進(jìn)行差分干涉，并去除相位殘余趨勢和大氣相位延遲的影響，使用干涉圖疊加(Stacking)的方法對不同InSAR生成的多幅獨立干涉圖進(jìn)行平均處理，得到平均形變速率。

(5)利用地理編碼，將沉降結(jié)果從雷達(dá)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到地圖坐標(biāo)系下，獲得研究區(qū)垂直方向形變結(jié)果。

3 結(jié)論與分析

圖3為以首景影像(20191114)為基準(zhǔn)，未經(jīng)地理編碼的時間序列累積形變結(jié)果，可以看出在監(jiān)測時間內(nèi)，研究區(qū)域地表產(chǎn)生了極為明顯的形變，地面沉降面積以肉眼可見的速度快速增加，形狀均成漏斗狀，這是煤礦地表沉降的典型表現(xiàn)。

圖3 研究區(qū)域時間序列形變圖

圖4為Stacking-InSAR技術(shù)處理方法得到的研究區(qū)域垂直方向形變量，可以看到形成了A、B、C、D、E、F共6個較明顯的沉降漏斗。其中沉降漏斗B、D和F在這段時間內(nèi)沉降量和沉降面積較小，可能處在非開采活躍期，沉降較緩慢；沉降漏斗A、C和E在這段時間內(nèi)沉降面積較大，其中漏斗A在研究時間段內(nèi)最大沉降值1 283.47 mm，沉降面積達(dá)3.81 km2，正處于建新煤礦4201工作面開采活躍期，因此沉降較為顯著。

圖4 研究區(qū)域形變圖

下面以沉降面積最大的漏斗A為例，對其進(jìn)行走向和傾向的剖面分析。如圖4所示，漏斗A呈葫蘆形，西南側(cè)沉降較小，最大沉降742.35 mm，經(jīng)短暫回落后繼續(xù)呈沉降漏斗態(tài)勢，最大沉降達(dá)1 283.47 mm，東北側(cè)有小范圍抬升，最大抬升處1 089.58 mm。根據(jù)張興文[5]等對建新煤礦4201工作面的研究可知，4201工作面呈西南—東北方向布置，走向長220 m，傾向長2 100 m，因此構(gòu)建工作面傾向為 M′M方向，走向N′N與之垂直。又由于漏斗A沿M′M方向沉降面積越來越大，由此可推斷出該工作面沿傾向M′M方向進(jìn)行開采。

為了驗證實驗結(jié)果精度，收集到漏斗A區(qū)域(4201工作面)2019年11月15日～2020年3月11日的水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，該水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)沿著4201工作面傾向M′M分布著55個點，如圖5(c)中α所示，走向N′N分布著11個點，如圖5(c)中β所示。對比水準(zhǔn)監(jiān)測與Stacking技術(shù)在走向與傾向的沉降監(jiān)測結(jié)果，并繪制折線圖進(jìn)行分析，如圖6～圖7所示。

圖5 基于谷歌地圖顯示的形變監(jiān)測結(jié)果

圖6 A區(qū)域水準(zhǔn)觀測值與Stacking技術(shù)監(jiān)測值對比圖(傾向)

圖7 A區(qū)域水準(zhǔn)觀測值與Stacking技術(shù)監(jiān)測值對比圖(走向)

由兩幅對比圖可看出，水準(zhǔn)監(jiān)測曲線較為連續(xù)，而Stacking技術(shù)觀測曲線波動明顯，但整體趨勢與水準(zhǔn)測量一致。InSAR技術(shù)觀測產(chǎn)生的是“面”結(jié)果，而水準(zhǔn)測量是“點”的觀測結(jié)果，“面”上提取的像素沉降值無法與水準(zhǔn)點一一對應(yīng)。從表2中Stacking技術(shù)監(jiān)測值與水準(zhǔn)觀測值的統(tǒng)計分析結(jié)果可以看出，二者均值相差131.82 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差相差80.53 mm，說明Stacking技術(shù)監(jiān)測結(jié)果與實際測量還存在著一定差異。一方面是點位提取造成的誤差，另一方面由于形變量較大，相位混疊導(dǎo)致解纏失敗，在今后的研究中會繼續(xù)加以改進(jìn)。

表2 A區(qū)域水準(zhǔn)觀測值與Stacking技術(shù)監(jiān)測值統(tǒng)計分析

4 礦區(qū)開采沉陷InSAR監(jiān)測面臨的主要問題

本文基于Stacking-InSAR技術(shù)，對黃陵礦區(qū)南部區(qū)域2019-11～2020-03進(jìn)行了重點分析，獲得了該區(qū)域沉降監(jiān)測結(jié)果，并與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，驗證了InSAR技術(shù)在礦區(qū)沉降監(jiān)測中的可行性，通過對實驗流程及結(jié)果的分析，還有以下幾個方面需要繼續(xù)改進(jìn)。

4.1 數(shù)據(jù)適用性

礦區(qū)一般位于較為偏遠(yuǎn)的山區(qū)，地形錯綜復(fù)雜，由于SAR衛(wèi)星采用的是側(cè)視成像的工作模式，在地形起伏區(qū)域會產(chǎn)生疊掩、陰影、透視收縮等一系列幾何畸變，若研究區(qū)域存在幾何畸變，則很難收集到有效的雷達(dá)回波信號[6]。同時山區(qū)植被茂盛，Sentinel-1的C波段微波很難穿透植被，在干涉圖上表現(xiàn)為失相干現(xiàn)象，給InSAR研究帶來困難。面對上述問題，應(yīng)靈活選擇合適的SAR數(shù)據(jù)源，如聯(lián)合升、降軌數(shù)據(jù)，以彌補幾何畸變帶來的干擾[7]；其次，充分利用SAR數(shù)據(jù)源，使用不同波段的SAR影像對研究區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，方便交叉驗證。

4.2 觀測有效性

在選擇不同SAR數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為了使處理結(jié)果達(dá)到精度要求，從內(nèi)外兩方面進(jìn)行精度評估。內(nèi)符合評估可從形變量、形變年速率中誤差、不同處理方法交叉驗證等方面著手；外符合評估首選與GPS、水準(zhǔn)等地表監(jiān)測結(jié)果比較，還可結(jié)合光學(xué)影像和野外實地調(diào)查等方法進(jìn)行觀測有效性評定[8]。

4.3 大尺度形變區(qū)域的監(jiān)測

在針對礦區(qū)大尺度形變區(qū)域的監(jiān)測中，應(yīng)結(jié)合監(jiān)測目的和監(jiān)測對象特點，充分利用現(xiàn)有SAR數(shù)據(jù)源，綜合運用各類InSAR方法進(jìn)行監(jiān)測，確保米級、分米級、厘米級、毫米級各個尺度連續(xù)覆蓋。在InSAR形變監(jiān)測獲取的有限形變下，可結(jié)合開采沉陷估計理論，運用數(shù)學(xué)模型反演出礦區(qū)實際形變場。

4.4 相干性保持

良好的相干性是得到有效觀測結(jié)果的首要前提，在保持相干性方面可從以下幾點入手：在時間選擇上盡量避免植被覆蓋率較高的季節(jié)，以免雷達(dá)微波無法穿透植被到達(dá)地面；選擇雷達(dá)波長較大的SAR數(shù)據(jù)；首選同極化SAR數(shù)據(jù)，次選交叉極化SAR數(shù)據(jù)[9]；在實際處理過程中可采用縮短重訪周期，使用已配準(zhǔn)影像進(jìn)行輔助等方法。

5 展 望

本文從煤礦地表形變監(jiān)測的角度出發(fā)，對Stacking-InSAR的流程及結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析與說明，針對礦區(qū)大變形，有效識別出形變區(qū)域及沉降值，為礦區(qū)地表沉降監(jiān)測提供了參考。

InSAR技術(shù)目前日趨成熟，但仍有一些問題亟待解決，可以說機遇與挑戰(zhàn)并存。針對難點問題，雖有部分解決方法，但由于一些外部數(shù)據(jù)獲取困難，所需專業(yè)知識多元廣泛，并未普及開來。但隨著InSAR相關(guān)理論和技術(shù)體系的日趨完善，InSAR工作群體的日益龐大，以及未來SAR衛(wèi)星的研制開發(fā)，相信InSAR技術(shù)一定能夠成為未來形變監(jiān)測不可或缺的力量。