基于D-I nSAR技術進行煤礦開采與環境災害監測的系統建設方案

王潤峰,趙英志

(1.河北省第二測繪院,河北石家莊 050031;2.河北省測繪局 ,河北石家莊 050030; 3.中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室,江蘇徐州 221008)

基于D-I nSAR技術進行煤礦開采與環境災害監測的系統建設方案

王潤峰1,2,3,趙英志1

(1.河北省第二測繪院,河北石家莊 050031;2.河北省測繪局 ,河北石家莊 050030; 3.中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室,江蘇徐州 221008)

星載雷達差分干涉測量技術(D-InSAR)是一種有效監測地面沉降的重要技術手段,煤礦開采、國土環境與災害的發展變化往往伴隨著地面的微小形變。通過煤礦沉降監測的試驗結果,總結出一種利用D-InSAR技術構建對于煤礦開采、沉降與環境災害監測的有效應用與分析系統方案。通過應用地理信息系統為煤礦的開采控制、次生災害預防、國土環境的變化監測提供有效的技術手段。

D-InSAR;國土環境與災害監測;地面沉降監測;GIS;煤礦開采;災害預防

一、引 言

國土環境與災害監測是關乎國計民生的大事。近年來我國自然災害、地區性環境污染、土地資源流失等狀況頻繁發生,如何有效地監測和控制國土環境與災害的發展變化、做好預防和減災的科學決策,是一個艱巨的課題。目前,隨著衛星遙感技術和地理信息系統應用的飛速發展,“天—空—地”一體化減災預防體系已經進入人們的視野。特別是在 5·12汶川大地震后的抗震救災、城市大面積沉降監測、國土資源大調查中,衛星遙感技術發揮了重要的作用。近年來,利用遙感技術在國土環境與災害監測(如煤礦開采與沉陷、次生地質災害的預防、土地利用動態監測)領域取得了一些較好的研究成果。特別是衛星合成孔徑雷達差分干涉測量技術(D-InSAR)的大量應用,使 D-InSAR技術成為監測地面沉降的一種重要技術手段[1]。煤礦的開采會引起地面沉降,從而又對地表建筑及人類生存環境產生重大的影響,面對復雜的地質條件和自然、社會環境,綜合使用衛星雷達遙感和 GIS技術可建立一個集生產控制、災害監測、預警、評估、應急救助等于一體的信息系統。通過研究,我們提出了一套基于 D-InSAR技術進行煤礦開采與環境災害監測的系統建設方案,為礦區及國家相關部門在加強災害監測、預警、評估、應急救助指揮體系方面提供了重要技術手段。

二、D-InSAR技術及地面沉降監測

星載雷達干涉測量技術 (Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是以衛星合成孔徑雷達數據提取的相位信息為信息源獲取地表的三維信息和變化信息的一項技術[2]。它通過衛星對同一地區進行重復觀測成像,以兩張 SAR圖像作為基本處理數據,通過計算兩次成像之間的相位變化,獲取干涉相位圖像,然后經過相位解纏,并從干涉相位圖中獲取地面高程數據。而差分干涉測量技術(D-InSAR)則利用同一地區的兩幅雷達干涉圖像,其中一幅是通過 SAR形變事件前的圖像獲取的干涉圖像,另一幅是通過 SAR形變事件后的圖像獲取的干涉圖像,通過這兩幅干涉圖作差分處理來獲取地表微量形變,從而達到監測地表細微變化的目的[2]。從差分干涉測量的原理和理論推導公式可以看出,進行地表變化檢測時,能獲得厘米級甚至毫米級的高精度三維形變[3]。

差分干涉測量的數據處理方法分三軌法、四軌法和外部DEM法等。在數據處理中一般采用三軌法或外部DEM法,其數據處理流程如圖 1所示。

圖1 D-InSAR數據處理流程圖

國內外的研究者在利用 D-InSAR技術進行地面沉降監測方面做了大量的研究工作,例如 Biegert等(1997年)在美國加利福尼亞州 Belridge和 Lost山油田的研究結果顯示:70天內沉降量達到 6 cm,這與該區每年 30 cm的地面沉降速率相吻合[4]。文獻[2]通過差分干涉測量處理,得到 1993—1995年、1995—1998年和 1998—2000年蘇州市地面沉降場測量值,地面水準測量數據的驗證分析表明:差分干涉測量值與水準測量值的相關度達 0.943,標準誤差均值為 0.170 6,雷達差分干涉測量精度可達 ±5 mm[5]。其他如大型建筑物變形、城市地下水開采、地震形變場等的研究都取得了成功。

三、某礦區的D-InSAR試驗及結果

煤礦開采會引起地面的微小形變,形變的發生往往伴隨著災害的隱患。2006—2008年,河北省測繪局在某礦區利用 D-InSAR技術對煤礦的開采活動和地表沉降情況進行了試驗研究。試驗通過使用 JERS-1 SAR(1992年 9月—1998年 9月)、ENV ISAT ASAR(2003年 6月—2008年 1月)、ALOS PALSAR(2006年 6月—2008年 1月)數據進行D-InSAR數據處理,并且于 2006年 4月—2007年 7月在試點礦進行了 15次地面水準監測工作,也搜集了礦區的歷史和近期開采進度數據。通過三者之間的交互驗證,試驗結果如圖 2～圖 4所示,地面沉降被清晰地顯示出來(圖 2)。

圖2 由JERS-1、ENV ISAT ASAR、ALOS數據得到的D-InSAR結果示例

圖3表示了D-InSAR(2006年11月—2007年1月)和地面水準觀測在表現沉降范圍、強度上是一致的,并且沉降的演化規律和煤礦的開采進度也是緊密相關的。因此,通過構建 GIS系統可對采礦區的沉降大小和范圍進行跟蹤 (如圖 4所示)來研究其形變規律。

圖3 地面水準測量與D-InSAR及開采進度的比較

圖 4 通過 GIS對沉降的大小和范圍進行動態演示

四、基于D-InSAR技術的系統建設方案

試驗表明,應用D-InSAR技術能夠有效地監測因地下采礦活動而引起的地表沉降變化情況。通過對煤礦開采進度與沉降產生的關系、災害的發生過程等的研究發現,結合星載雷達差分干涉技術—地面沉降—環境與災害監測—構建數字信息系統等可形成一種對煤礦開采、沉降與環境災害監測的有效應用分析系統。圖 5為建立監測系統模式而設計的結構流程圖。

圖 5 建立礦區開采、沉降與環境災害監測系統的模式結構流程圖

在系統中各模塊的設計可根據具體應用而設置,并應主要注重以下內容的研發:

1)選擇圖像處理功能強大、易于二次開發、接口擴展性好的 GIS軟件平臺。

2)在建立 CGCS2000國家大地坐標系統的同時應注意坐標轉換模塊的開發。應考慮到符合日常工作習慣、沿襲歷史數據、定位迅速準確、數據修改量小等特點。對于D-InSAR干涉結果與DOM影像圖、煤礦開采數據的匹配問題,必要時可布設少量固定的角反射器(可輔以 GPS測量)用于精確定位。

3)在礦區數據的錄入上建立統一的數據標準。如在行政區劃、煤礦名稱、井田范圍、煤礦區位置、巷道、采掘進度、礦區DOM或地形圖、采高和采深、居民區、必要的交通、水系等地理信息數據的分層和編碼上要有明確的格式。

4)使用專業的軟件進行衛星雷達差分干涉數據處理。處理的過程需要進行一個作業流程的設置或工作手冊的制定,目的是使作業過程流程化、制度化、規范化。沉降干涉圖在經過地理編碼后可分層疊加到系統中去,沉降的范圍、強度、類型的表現形式要清晰形象,并可通過疊加煤礦開采信息、地形數據去進行比較分析。

5)差分干涉處理是通過衛星遙感技術而獲得的一種對地觀測方式,其沉降結果受大氣、季節、地表建筑物、自然活動等因素的制約。為了更好地提高分析和判斷不同沉降情況的表達方式,需要設置經驗值及分析幫助系統。該模塊是在定期、定點、小范圍內進行一些地面監測和實地勘察工作的基礎上進行的。通過實地調查分析把數據導入到監測系統中去,從實際對比中不斷增加經驗值圖例,來不斷提高系統判斷的準確度。

6)監測系統的主要目的是對危害的發生提供預警能力。因此在進行預警參數的設置時應包括:根據沉降量設立沉降等級,通過沉降等級和不同沉降范圍確定地表預警等級;根據沉降范圍和采礦區井田邊界設立越界預警等級;根據地面異動監測確定可能由于盜采、盜挖引起的資源流失;根據煤礦的采高和采深及沉降量的分析設置對農田、建筑物、公路、鐵路、橋梁、水庫等公共設施的危險等級。

7)輸出監測圖和預警分析報告。其中監測圖的制作主要分動態演示系統和分幅、分類監測圖等表現形式。動態演示系統主要是根據不同時段內地表沉降的變化情況給決策者提供直觀的變化量信息;分幅監測圖則根據不同的專題和時段繪制目標區掛圖,掛圖的表示要素、注記、圖幅大小、比例尺、圖例等可根據監測區的范圍提前定制。預警分析報告根據監測結果和預警信息提出,來指導實地勘察的目標和方向并預測未來的沉降值。如通過沉降量和實際開采進度的關系模型確定是否有越界開采或非法開采等。

五、結束語

任何有效監測及預防手段的應用,離不開專業技術的發展,當前D-InSAR技術使用的數據源一般都是 ENV ISAT、ERS-1/2、JERS-1、ALOS、RADARSAT-1、TerraSAR等國外衛星數據,監測周期受重訪周期影響大。2009年 3月 30日,國家國防科技工業局在北京召開了我國環境與災害監測預報小衛星A、B星的在軌交付儀式[6],這標志著我國于 2002年開始的環境與災害監測預報小衛星星座計劃取得了良好的預期效果,該衛星星座計劃是向太空發射多顆光學小衛星和合成孔徑雷達小衛星,以建立一個專門用于環境與災害監測預報的小衛星星座,形成由災害信息運行系統和空間資源相結合的天地一體化災害管理體系。通過 7個多月的在軌測試,首批A、B星以優異性能和出色表現,初步形成了環境和災害監報星座雛形,也完成了多個區域的環境和災害監測任務(如西藏雪災的監控),同時對澳大利亞大火等多起國外災害的監測也作出了突出貢獻[6]。不僅如此,國際上待發衛星計劃眾多,這些衛星將為航天遙感監測技術提供廣闊的應用前景。

[1] 廖明生,林琿.雷達干涉測量:原理與信號處理基礎[M].北京:測繪出版社,2003.

[2] 王超,張紅,劉智.星載合成孔徑雷達干涉測量 [M].北京:科學出版社,2001.

[3] 李德仁,周月琴,馬洪超.衛星雷達干涉測量原理與應用[J].測繪科學,2000,25(1):9-12.

[4] B IEGERT E K,BERRY J L,OAKLEY S D.Oil Field Subsidence Monitoring Using Spaceborne Interfeormetric SAR[EB/OL].(2010-02-03)http:∥www.atlsci.com/ library/Oil-field-Subsidences-Monitoring-using-Spaceborne Interfemmetric_SAR.html,1997.

[5] 王超,張紅,劉智,等.蘇州地區地面沉降的星載合成孔徑雷達差分干涉測量監測 [J].自然科學進展, 2002,12(6):621-624.

[6] 國家航天局.環境與災害監測預報小衛星A、B星在軌交付[EB/OL].(2010-03-01)http:∥www.cnsa.gov. cn/n615708/n676979/n2231350/n2231352/168202.html/2009-03-30/2009-08-25.

A System for CoalM ining and Land Environment and D isaster M on itoring Based on D-InSAR

WANG Runfeng,ZHAO Yingzhi

0494-0911(2010)07-0030-03

P237

B

2010-05-05

王潤峰(1971—),男,河北欒城人,高級工程師,主要從事工程測量、地籍測量、攝影測量與遙感、國土環境與災害控制與治理工作。