基于D—INSAR技術在雙鴨山礦區地面沉降監測試驗研究

李君

摘 要：該文采用常規雷達差分干涉測量技術（D-InSAR），對德國的TerraSAR數據（RAW）進行處理，監測黑龍江省雙鴨山礦區煤礦地面沉降，獲取監測礦區內地面沉降發生的位置及范圍，結合實驗分析差分干涉測量技術（D-InSAR）在地表形變監測的應用前景。

關鍵詞：雷達干涉測量 ?D-InSAR ?地面沉降監測

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔徑雷達SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年發展起來的一種空間對地觀測技術[1]，與傳統的方法相比SAR具有全天時、全天候，穿透力強，分辨率高等諸多優點。目前已經被廣泛用于獲取地面起伏的信息，利用SAR獲取的信息通過干涉測量技術InSAR[2]和差分干涉測量技術D-InSAR則可以進一步獲取地面高程模型和地面高度的變化[3-4]，因此，這一技術的應用前景受到普遍重視。在垂直變形監測中SAR技術的優點是顯而易見的，但是該技術還從未應用到黑龍江的煤礦礦區做地面沉降監測，為此該文將該技術應用雙鴨山煤礦礦區，是黑龍江省環境監測領域技術手段革新的一次大膽嘗試。

該文試驗區為雙鴨山，雙鴨山市位于黑龍江省東北部，地理坐標：東經130°56'00〃～131°38'49〃，北緯46°21'00〃～46°46'00〃。工業以煤炭生產為主，是黑龍江省主要的煤炭生產地之一，全市共有煤礦233座，建材及非金屬礦87座。是一座以煤炭采掘和加工為主的新興工業城市，素有“煤城”之譽，是黑龍江省儲量最大的煤城。地下煤炭資源開采后易形成采空區， 造成開采區地表下沉，對地表居民區、建筑物、交通設施造成危害。因此，煤礦開采區十分重視地表沉降和塌陷的監測。

1 D-InSAR技術的基本原理

D-InSAR技術可以分為二軌法和三軌法，前者是利用事先獲取的DEM模擬干涉紋圖，然后從整體干涉圖中減去這部分信息就得到地面變化信息;后者利用三幅影像生成兩幅干涉圖，其中一幅干涉圖是地表變化前產生的，主要獲取地形息，另外一幅干涉圖是由兩個跨越形變的SAR影像生成，包含了形變信息。這樣通過去除地形信息就可以得到形變信息[5]二軌法為例，其基本原理。如圖1所示，假設地面點目標兩次成像期間位置發生了變化，從P點運動到了P點。

如果地面點未發生變化，S1和S2關于目標P點的相位差可以表示為：

（1）

但是P點有所變化，如圖中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此實際的干涉相位φ 為：

（3）

為了提取沉降信息，需要去除平地效應，然后根據數字高程模型、軌道數據和雷達系統參數模擬地形相位并將其去除，進而得到殘余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意圖只是二軌法差分的理想狀況，實際數據處理過程中還需考慮其他因素引起的相位噪聲，這里不再贅述。

2 數據處理

2.1 數據準備

本次所采用的TerraSAR數據為自2013年10月至2013年11月的共計3景，具體參數見表1。

2.2 數據處理結果

數據處理得到該區域2013年10-11月的開采形變結果。圖2顯示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三個干涉組合的相位解纏圖，圖中圈出了在相位解纏圖中發現的煤礦開采形變區，這些開采形變區同雙鴨山礦區涉及的各個煤礦的月開采計劃位置較一致，從圖中可以發現在這些煤礦開采形變區內，形變呈持續發展狀態，開采形變位置較一致。另外從本次的相位解纏圖中可以明顯地看出，20131003-20131014干涉對干涉質量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉質量最差，三個干涉對分別相隔11 d、22 d和33 d，可見在該地區時間去相干現象比較明顯，建議后續數據獲取時間間隔不超過33 d。

為了進一步顯示煤礦開采區的形變信息，將干涉對20131003-20131014進行了局部放大顯示，見圖3，從圖3中可以較明顯地看出煤礦開采所導致的地表形變。

3 試驗結果數據分析

將數據處理結果進一步提取了特征行變點的形變時間序列，見圖4，可見在一個月的時間內，開采形變可達10 cm以上。值得注意的是，本試驗監測結果僅是針對相干區域進行了形變值的提取，而大量級的形變會導致影像干涉失相干，也就是說，實際形變情況遠遠大于本試驗監測結果。故D-InSAR技術應用于雙鴨山礦區地面沉降監測是可行的，而且具有非常好的前景。

4 結語

地面沉降和地面塌陷都是以地面形變為特征的地質災害，它們對人民生活和經濟建設的造成重大威脅。D-InSAR技術則能以毫米級的精度大面積、快速、經濟得獲取地表形變信息，其在緩變型地質災害監測領域的巨大應用潛力得到了越來越多的關注。合成孔徑雷達干涉測量技術在雙鴨山礦區地面形變監測的成功應用，將會推進該技術在其他煤城的普及應用，為我省四大煤城的建設和發展提供可靠的技術支持。

參考文獻

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

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

摘 要：該文采用常規雷達差分干涉測量技術（D-InSAR），對德國的TerraSAR數據（RAW）進行處理，監測黑龍江省雙鴨山礦區煤礦地面沉降，獲取監測礦區內地面沉降發生的位置及范圍，結合實驗分析差分干涉測量技術（D-InSAR）在地表形變監測的應用前景。

關鍵詞：雷達干涉測量 ?D-InSAR ?地面沉降監測

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔徑雷達SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年發展起來的一種空間對地觀測技術[1]，與傳統的方法相比SAR具有全天時、全天候，穿透力強，分辨率高等諸多優點。目前已經被廣泛用于獲取地面起伏的信息，利用SAR獲取的信息通過干涉測量技術InSAR[2]和差分干涉測量技術D-InSAR則可以進一步獲取地面高程模型和地面高度的變化[3-4]，因此，這一技術的應用前景受到普遍重視。在垂直變形監測中SAR技術的優點是顯而易見的，但是該技術還從未應用到黑龍江的煤礦礦區做地面沉降監測，為此該文將該技術應用雙鴨山煤礦礦區，是黑龍江省環境監測領域技術手段革新的一次大膽嘗試。

該文試驗區為雙鴨山，雙鴨山市位于黑龍江省東北部，地理坐標：東經130°56'00〃～131°38'49〃，北緯46°21'00〃～46°46'00〃。工業以煤炭生產為主，是黑龍江省主要的煤炭生產地之一，全市共有煤礦233座，建材及非金屬礦87座。是一座以煤炭采掘和加工為主的新興工業城市，素有“煤城”之譽，是黑龍江省儲量最大的煤城。地下煤炭資源開采后易形成采空區， 造成開采區地表下沉，對地表居民區、建筑物、交通設施造成危害。因此，煤礦開采區十分重視地表沉降和塌陷的監測。

1 D-InSAR技術的基本原理

D-InSAR技術可以分為二軌法和三軌法，前者是利用事先獲取的DEM模擬干涉紋圖，然后從整體干涉圖中減去這部分信息就得到地面變化信息;后者利用三幅影像生成兩幅干涉圖，其中一幅干涉圖是地表變化前產生的，主要獲取地形息，另外一幅干涉圖是由兩個跨越形變的SAR影像生成，包含了形變信息。這樣通過去除地形信息就可以得到形變信息[5]二軌法為例，其基本原理。如圖1所示，假設地面點目標兩次成像期間位置發生了變化，從P點運動到了P點。

如果地面點未發生變化，S1和S2關于目標P點的相位差可以表示為：

（1）

但是P點有所變化，如圖中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此實際的干涉相位φ 為：

（3）

為了提取沉降信息，需要去除平地效應，然后根據數字高程模型、軌道數據和雷達系統參數模擬地形相位并將其去除，進而得到殘余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意圖只是二軌法差分的理想狀況，實際數據處理過程中還需考慮其他因素引起的相位噪聲，這里不再贅述。

2 數據處理

2.1 數據準備

本次所采用的TerraSAR數據為自2013年10月至2013年11月的共計3景，具體參數見表1。

2.2 數據處理結果

數據處理得到該區域2013年10-11月的開采形變結果。圖2顯示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三個干涉組合的相位解纏圖，圖中圈出了在相位解纏圖中發現的煤礦開采形變區，這些開采形變區同雙鴨山礦區涉及的各個煤礦的月開采計劃位置較一致，從圖中可以發現在這些煤礦開采形變區內，形變呈持續發展狀態，開采形變位置較一致。另外從本次的相位解纏圖中可以明顯地看出，20131003-20131014干涉對干涉質量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉質量最差，三個干涉對分別相隔11 d、22 d和33 d，可見在該地區時間去相干現象比較明顯，建議后續數據獲取時間間隔不超過33 d。

為了進一步顯示煤礦開采區的形變信息，將干涉對20131003-20131014進行了局部放大顯示，見圖3，從圖3中可以較明顯地看出煤礦開采所導致的地表形變。

3 試驗結果數據分析

將數據處理結果進一步提取了特征行變點的形變時間序列，見圖4，可見在一個月的時間內，開采形變可達10 cm以上。值得注意的是，本試驗監測結果僅是針對相干區域進行了形變值的提取，而大量級的形變會導致影像干涉失相干，也就是說，實際形變情況遠遠大于本試驗監測結果。故D-InSAR技術應用于雙鴨山礦區地面沉降監測是可行的，而且具有非常好的前景。

4 結語

地面沉降和地面塌陷都是以地面形變為特征的地質災害，它們對人民生活和經濟建設的造成重大威脅。D-InSAR技術則能以毫米級的精度大面積、快速、經濟得獲取地表形變信息，其在緩變型地質災害監測領域的巨大應用潛力得到了越來越多的關注。合成孔徑雷達干涉測量技術在雙鴨山礦區地面形變監測的成功應用，將會推進該技術在其他煤城的普及應用，為我省四大煤城的建設和發展提供可靠的技術支持。

參考文獻

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

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

摘 要：該文采用常規雷達差分干涉測量技術（D-InSAR），對德國的TerraSAR數據（RAW）進行處理，監測黑龍江省雙鴨山礦區煤礦地面沉降，獲取監測礦區內地面沉降發生的位置及范圍，結合實驗分析差分干涉測量技術（D-InSAR）在地表形變監測的應用前景。

關鍵詞：雷達干涉測量 ?D-InSAR ?地面沉降監測

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔徑雷達SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年發展起來的一種空間對地觀測技術[1]，與傳統的方法相比SAR具有全天時、全天候，穿透力強，分辨率高等諸多優點。目前已經被廣泛用于獲取地面起伏的信息，利用SAR獲取的信息通過干涉測量技術InSAR[2]和差分干涉測量技術D-InSAR則可以進一步獲取地面高程模型和地面高度的變化[3-4]，因此，這一技術的應用前景受到普遍重視。在垂直變形監測中SAR技術的優點是顯而易見的，但是該技術還從未應用到黑龍江的煤礦礦區做地面沉降監測，為此該文將該技術應用雙鴨山煤礦礦區，是黑龍江省環境監測領域技術手段革新的一次大膽嘗試。

該文試驗區為雙鴨山，雙鴨山市位于黑龍江省東北部，地理坐標：東經130°56'00〃～131°38'49〃，北緯46°21'00〃～46°46'00〃。工業以煤炭生產為主，是黑龍江省主要的煤炭生產地之一，全市共有煤礦233座，建材及非金屬礦87座。是一座以煤炭采掘和加工為主的新興工業城市，素有“煤城”之譽，是黑龍江省儲量最大的煤城。地下煤炭資源開采后易形成采空區， 造成開采區地表下沉，對地表居民區、建筑物、交通設施造成危害。因此，煤礦開采區十分重視地表沉降和塌陷的監測。

1 D-InSAR技術的基本原理

D-InSAR技術可以分為二軌法和三軌法，前者是利用事先獲取的DEM模擬干涉紋圖，然后從整體干涉圖中減去這部分信息就得到地面變化信息;后者利用三幅影像生成兩幅干涉圖，其中一幅干涉圖是地表變化前產生的，主要獲取地形息，另外一幅干涉圖是由兩個跨越形變的SAR影像生成，包含了形變信息。這樣通過去除地形信息就可以得到形變信息[5]二軌法為例，其基本原理。如圖1所示，假設地面點目標兩次成像期間位置發生了變化，從P點運動到了P點。

如果地面點未發生變化，S1和S2關于目標P點的相位差可以表示為：

（1）

但是P點有所變化，如圖中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此實際的干涉相位φ 為：

（3）

為了提取沉降信息，需要去除平地效應，然后根據數字高程模型、軌道數據和雷達系統參數模擬地形相位并將其去除，進而得到殘余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意圖只是二軌法差分的理想狀況，實際數據處理過程中還需考慮其他因素引起的相位噪聲，這里不再贅述。

2 數據處理

2.1 數據準備

本次所采用的TerraSAR數據為自2013年10月至2013年11月的共計3景，具體參數見表1。

2.2 數據處理結果

數據處理得到該區域2013年10-11月的開采形變結果。圖2顯示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三個干涉組合的相位解纏圖，圖中圈出了在相位解纏圖中發現的煤礦開采形變區，這些開采形變區同雙鴨山礦區涉及的各個煤礦的月開采計劃位置較一致，從圖中可以發現在這些煤礦開采形變區內，形變呈持續發展狀態，開采形變位置較一致。另外從本次的相位解纏圖中可以明顯地看出，20131003-20131014干涉對干涉質量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉質量最差，三個干涉對分別相隔11 d、22 d和33 d，可見在該地區時間去相干現象比較明顯，建議后續數據獲取時間間隔不超過33 d。

為了進一步顯示煤礦開采區的形變信息，將干涉對20131003-20131014進行了局部放大顯示，見圖3，從圖3中可以較明顯地看出煤礦開采所導致的地表形變。

3 試驗結果數據分析

將數據處理結果進一步提取了特征行變點的形變時間序列，見圖4，可見在一個月的時間內，開采形變可達10 cm以上。值得注意的是，本試驗監測結果僅是針對相干區域進行了形變值的提取，而大量級的形變會導致影像干涉失相干，也就是說，實際形變情況遠遠大于本試驗監測結果。故D-InSAR技術應用于雙鴨山礦區地面沉降監測是可行的，而且具有非常好的前景。

4 結語

地面沉降和地面塌陷都是以地面形變為特征的地質災害，它們對人民生活和經濟建設的造成重大威脅。D-InSAR技術則能以毫米級的精度大面積、快速、經濟得獲取地表形變信息，其在緩變型地質災害監測領域的巨大應用潛力得到了越來越多的關注。合成孔徑雷達干涉測量技術在雙鴨山礦區地面形變監測的成功應用，將會推進該技術在其他煤城的普及應用，為我省四大煤城的建設和發展提供可靠的技術支持。

參考文獻

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

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