基于DInSAR的徐州張雙樓煤礦地表形變監(jiān)測研究

陸燕燕，何 敏，何秀鳳

（河海大學(xué) 衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所，江蘇 南京 210098）

我國煤礦資源豐富，煤礦的開采和利用，在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)和社會效益的同時，也造成了大規(guī)模的地表沉降［1］。徐州作為我國重要的煤礦產(chǎn)地，近幾年由于煤炭資源的開采以及地下水的過度抽取，已造成不同程度的地表沉降。徐州張雙樓煤礦是徐州重要的煤礦產(chǎn)地之一，位于徐州市西北的沛縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為116°46′～116°53′E，34°46′～34°51′N，該礦井田面積約34km2，礦區(qū)地形平坦，地勢西高東低。1979年1月開工建設(shè)，1986年12月投入生產(chǎn)，礦井原設(shè)計年生產(chǎn)能力120萬t，到目前為止核定年生產(chǎn)能力為225萬t，是徐州礦務(wù)集團(tuán)的主力礦井之一。經(jīng)過30多年的開采，張雙樓煤礦區(qū)及其周圍發(fā)生了不同程度的地表形變、民房開裂、路表塌陷、礦區(qū)局部地震等地質(zhì)災(zāi)害問題，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳睿璧K當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，急需采取適當(dāng)?shù)姆椒▽堧p樓煤礦地面形變?yōu)暮M(jìn)行監(jiān)測、治理和修復(fù)。

傳統(tǒng)的礦區(qū)地表沉降監(jiān)測方法主要有水準(zhǔn)測量和GPS測量，這兩種方法都屬于基于點的監(jiān)測，其離散點監(jiān)測信息只能獲取空間離散點形變。對于礦區(qū)大面積微小形變監(jiān)測而言，需要布設(shè)數(shù)量龐大的監(jiān)測點，因而作業(yè)成本高，變形監(jiān)測工作量大，觀測周期長，觀測結(jié)果也只反映了測站點的形變量，難以得到大范圍內(nèi)的整體形變結(jié)果。相比較而言，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量（DInSAR）作為一種新型的空間對地觀測技術(shù)，具有高精度（毫米至厘米級）、高分辨率（數(shù)十米）［2］、低成本、全天候、全天時等獨(dú)特優(yōu)點，且能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域進(jìn)行大尺度連續(xù)覆蓋的面狀觀測，這使其在煤礦區(qū)地表形變的監(jiān)測中具有巨大的優(yōu)勢，無疑將成為一種未來煤礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測極具潛力的空間對地觀測技術(shù)。

本文采用DInSAR技術(shù)對徐州張雙樓煤礦地區(qū)的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，實驗數(shù)據(jù)為2011－01－16和2011－03－03獲得的兩景ALOS PALSAR影像。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用DInSAR中的兩軌法，其中忽略大氣效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，并采用SRTM DEM去除地形相位。

1 利用D－InSAR兩軌法監(jiān)測礦區(qū)的基本原理

DInSAR的監(jiān)測礦區(qū)基本原理是利用衛(wèi)星在形變前后對同一礦區(qū)分別成像，對兩景圖像進(jìn)行干涉處理，得到包含地形相位和形變相位的干涉圖，再利用已知的該地區(qū)的DEM，基于已有的成像參數(shù)模型模擬干涉紋圖，從而達(dá)到消除地形因素的效果［3］。DInSAR得到的相位可以用以下公式表示：式中：φflat為地球曲面引起的平地效應(yīng)相位，采用精密軌道數(shù)據(jù)可以去除；φtopo為地形起伏引起的地形相位，利用已知的DEM反演模擬地形相位消除；φatm為大氣延遲相位，φnosie為噪聲相位，這兩項可以通過濾波的方法給予削弱或去除；φdef為地表形變相位。圖1為兩軌法DInSAR的數(shù)據(jù)流程圖。

圖1 兩軌法DInSAR流程圖

在兩軌法DInSAR數(shù)據(jù)處理中，地形相位的去除對形變的結(jié)果影響較大，因此，獲得高精度的DEM至關(guān)重要。SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）DEM數(shù)據(jù)由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量，獲取北緯60°至南緯60°之間總面積超過1.19億km2的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面［4］。本文采用的SRTM3是SRTM DEM的產(chǎn)品之一，標(biāo)稱的絕對高程精度是±16m，相對高程精度是10m，標(biāo)稱的絕對平面精度是±20m，相對平面精度是15m［5－6］，目前中國地區(qū)獲得的SRTM3的分辨率是90m。

2 實驗結(jié)果及分析

本文選取了2011－03－03和2011－01－16獲取的兩景ALOS PALSAR的影像進(jìn)行差分干涉。為了更好地考察46d間張雙樓礦區(qū)采礦引起的地表變化，截取了張雙樓煤礦所在區(qū)域為研究對象，此區(qū)域包含七堡村、八堡村、陳莊、卓莊、南張莊及后周甲在內(nèi)的十多個村莊。圖2所示的矩形區(qū)域即為此次實驗所截取的區(qū)域，試驗區(qū)域面積約為6.089×8.238km2。表1為所選用的SAR影像的基本參數(shù)，46d的時間基線以及480m的垂直基線保證了圖像的良好相干性，從圖3中可以得出試驗區(qū)域80%以上的區(qū)域相干值大于0.5，符合差分干涉測量的要求。

圖2 實驗區(qū)域強(qiáng)度圖

圖3 相干系數(shù)圖

表1 SAR影像數(shù)據(jù)資料

本次實驗中忽略大氣延遲的影響，主要原因有：①由表1的SAR數(shù)據(jù)獲取時間，查閱這一時期徐州地區(qū)的氣象資料顯示選取的這兩景數(shù)據(jù)時間段內(nèi)，徐州地區(qū)氣候干燥、少降雨、空氣清新、大氣能見度高、天氣以晴好為主；②本文的研究區(qū)域較小，為6.089×8.238km2，在這么小的范圍內(nèi)大氣狀態(tài)一般不會發(fā)生較大的變化。

兩幅圖像經(jīng)過配準(zhǔn)、重采樣、干涉處理后得到的干涉相位圖如圖4所示。此時的干涉相位包括噪聲相位、參考面相位、地形相位、形變相位。假定本次試驗數(shù)據(jù)處理過程足夠精確，可忽略噪聲相位的影響；采用軌道數(shù)據(jù)和干涉條紋頻率相結(jié)合的方法估計基線，并根據(jù)成像幾何，反演并去除參考面相位。

圖4 未去除地形相位干涉圖

為了消除干涉相位中地形相位的影響，利用SRTM DEM來反演地形相位，通過兩軌差分法來消除［7］。本次實驗中忽略了DEM誤差引入的相位誤差，這是因為本文使用的干涉對的垂直基線為480m，SRTM DEM的相對高程誤差為10m，由高程模糊度可知，由DEM誤差引入的誤差相位達(dá)1/10個干涉條紋周期，即1.18cm。一般煤礦短時間內(nèi)沉降會達(dá)到幾十到上百厘米，再加上實驗區(qū)地勢平坦（見圖5），所以地形誤差不會影響礦區(qū)沉降監(jiān)測［8］。

圖5 研究區(qū)域SRTM DEM（單位：m）

經(jīng)過一系列精細(xì)的差分處理后得到形變圖（見圖6），從圖6中可以看出，從2011－01－16到2011－03－03共46d的時間跨度內(nèi)，實驗區(qū)有3處發(fā)生明顯的沉降，這3處區(qū)域分別位于七堡村、卓莊和后周甲村，此3處區(qū)域均位于張雙樓礦區(qū)內(nèi)，其分布與張雙樓礦井的分布一致。其中，七堡村地區(qū)干涉條紋明顯，沉降量較大，發(fā)生約420mm的形變量，形變面積約為0.49km2。其余兩處位于礦區(qū)附近的卓莊以及后周甲村附近，卓莊附近發(fā)生了約為95mm的沉降，沉降面積約為0.243km2，后周甲村發(fā)生約為92mm的沉降量，形變面積約為0.245km2。

圖6 形變圖（單位：m）

通過分析實驗沉降結(jié)果，查閱張雙樓礦區(qū)近幾年煤礦開采情況以及礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)資料，得出張雙樓礦區(qū)是采空區(qū)塌陷的易發(fā)區(qū)［9］。由此推斷張雙樓礦區(qū)發(fā)生沉降的主要原因是由于礦區(qū)長期的開采，形成了大量的采空區(qū)，由于采空區(qū)的頂板坍塌以及煤柱破壞造成地表沉降導(dǎo)致這3處的沉降。

3 結(jié)束語

本文以徐州張雙樓礦區(qū)為研究區(qū)域，利用DIn－SAR兩軌法監(jiān)測張雙樓煤礦及其附近地區(qū)的沉降情況，獲得了張雙樓礦區(qū)的地表形變結(jié)果。結(jié)果表明，2011－01－16到2011－03－03期 間，張 雙 樓 礦 區(qū) 共出現(xiàn)3處沉降漏斗區(qū)域，漏斗中心最大沉降量達(dá)到420mm，其附近的卓莊沉降量達(dá)到95mm，后周甲沉降量92mm，并且這3處沉降漏斗區(qū)域與礦區(qū)及其采空區(qū)分布一致。

由于本次實驗數(shù)據(jù)比較少，只能采用DInSAR方法來監(jiān)測礦區(qū)沉降變化，并未考慮時空去相關(guān)以及大氣非均勻性影響，使得地表形變的精度受到限制。隨著以后實驗數(shù)據(jù)的增多，將采用永久散射體的雷達(dá)差分測量方法（PS－InSAR）進(jìn)一步研究，從而得到高精度的地表形變。

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