D-INSAR在礦區(qū)土地塌陷范圍的監(jiān)測(cè)應(yīng)用

肖宇寧

摘要：雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)（D-INSAR）是一種目前較為先進(jìn)的地表形變監(jiān)測(cè)方法。在監(jiān)測(cè)地表微小形變方面，D-INSAR與常規(guī)方法相比有著顯而易見的優(yōu)勢(shì)。它不僅能以厘米量級(jí)甚至更小尺度監(jiān)測(cè)地表形變，且能對(duì)大面積測(cè)區(qū)進(jìn)行快速的監(jiān)測(cè)，極大的推進(jìn)了地表形變遙感應(yīng)用領(lǐng)域的研究。本試驗(yàn)選取一礦區(qū)影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用D-INSAR技術(shù)對(duì)該影像進(jìn)行二軌法差分干涉處理，從而得到該礦區(qū)的主要形變區(qū)域，結(jié)果表明了該方法在山區(qū)礦山開采沉陷范圍監(jiān)測(cè)的可行性并提出幾點(diǎn)改進(jìn)方法。

Abstract： D-INSAR is a relatively advanced method of surface deformation monitoring. D-INSAR has obvious advantages over conventional methods in monitoring small surface deformations. It can not only monitor the surface deformation on the order of centimeters or even smaller scales， but also can quickly monitor large-area measurement areas， which greatly promotes the research on the application of surface deformation remote sensing. In this experiment， the image data of a mining area is selected， and the D-INSAR technology is used to perform two-track differential interference processing on the image to obtain the main deformation area of the mining area. The results show the feasibility of this method for monitoring the mining subsidence area in mountainous areas and several improvements are proposed.

關(guān)鍵詞：D-INSAR;土地塌陷;監(jiān)測(cè);礦區(qū)

Key words： D-INSAR;land subsidence;monitoring;mining area

中圖分類號(hào)：TD327 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）06-0261-02

0 ?引言

采礦引起地面沉降和塌陷是礦山開采地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的一種破壞災(zāi)害，也是我國(guó)最重要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一[1]，西部地區(qū)地形起伏較大，地貌復(fù)雜多變，屬于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。在地下采煤作用下，采空區(qū)地面塌陷會(huì)毀壞交通、水利設(shè)田以及各種建筑、工程、農(nóng)田，而且人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來負(fù)面影響。這種由地下開采引起的損害已不僅僅是個(gè)環(huán)境問題，而且影響到礦區(qū)城市的社會(huì)和諧與可持續(xù)發(fā)展[2]。

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)（Differential Interferometry SyntheticAperture Radar，D-INSAR）是由合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)發(fā)展而來的，是一種目前較為新穎的地表形變觀測(cè)方法[3]。在災(zāi)害檢測(cè)、滑坡觀測(cè)、地震形變等方面該技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量比較，D-INSAR技術(shù)在微小地表形變監(jiān)測(cè)上有著明顯優(yōu)勢(shì)。它監(jiān)測(cè)地表形變的精度能達(dá)到厘米級(jí)甚至亞厘米級(jí)，而且對(duì)大面積地表形變的監(jiān)測(cè)效率提高顯著。該技術(shù)不僅能從靜態(tài)層面提供宏觀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能在動(dòng)態(tài)層面提供定量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)遙感技術(shù)應(yīng)用到地表形變領(lǐng)域起到了很大的推動(dòng)作用。

1 ?D-INSAR微小變形測(cè)量原理

在地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，該技術(shù)的研究主要集中于星載INSAR系統(tǒng)，機(jī)載INSAR系統(tǒng)應(yīng)用較少，本文應(yīng)用的技術(shù)是基于衛(wèi)星系統(tǒng)。為研究方便，在本試驗(yàn)中，未考慮大氣的影響。

為分離出形變信息，具有顯著影響的參考趨勢(shì)面和地形因素必須從初始干涉相位中去除，也就是所謂的二次差分[4]。對(duì)于二次差分，目前的主要有三種研究方法：二軌法、三軌法以及四軌法[5]：

①二軌法：兩景雷達(dá)影像形成干涉像對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)合外部數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行差分的方法。

②三軌法：三景雷達(dá)影像形成一個(gè)為地形像對(duì)和一個(gè)地形-形變像對(duì)進(jìn)行差分的方法。

③四軌法：四景雷達(dá)影像形成兩個(gè)干涉像對(duì)（其中一個(gè)為數(shù)據(jù)高程模型）進(jìn)行差分的方法。

“二軌”法和“四軌”法原理類似的，“四軌”法利用兩景雷達(dá)影像通過干涉的方法生成的數(shù)字高程模型去除了地形的影響。“三軌”法去除地形影響則利用地形干涉像對(duì)以及地形-形變像對(duì)，從而不用利用新的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

“二軌”法和“四軌”法的原理如圖1所示， “三軌”法的原理如圖2所示。

2 ?“二軌”法干涉測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

“二軌”法是利用另外獲取的DEM數(shù)據(jù)來消除地形因素的影響，從而得到形變信息。“二軌”法主要有以幾個(gè)步驟：①干涉圖像對(duì)的配準(zhǔn)、濾波處理，生成干涉紋圖;②對(duì)DEM點(diǎn)進(jìn)行重采樣，利用軌道參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到可使用坐標(biāo)系統(tǒng)，從而得到DEM數(shù)據(jù)相位值;③通過DEM模擬的干涉紋圖去除干涉紋圖中的地形值;④將去除地形效應(yīng)的干涉紋圖轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系統(tǒng)。該方法的具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3 ?D-INSAR在礦區(qū)土地塌陷范圍的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

本次的實(shí)驗(yàn)礦區(qū)的范圍長(zhǎng)約為50千米，寬約為30千米，其范圍涵蓋了整個(gè)的試驗(yàn)礦區(qū)。文選取了TerraSAR-X衛(wèi)星于2011年11月至2012年1月之間所獲得的SAR影像進(jìn)行合成孔徑衛(wèi)星差分干涉測(cè)量以監(jiān)測(cè)該礦區(qū)土地塌陷范圍的研究。TerraSAR-X在距地514千米高的極地軌道上圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，可收集高質(zhì)量的X波段雷達(dá)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星的運(yùn)行不依賴氣象條件、云層覆蓋和照度，分辨率可達(dá)1米[6]。

本實(shí)驗(yàn)選取了四景雷達(dá)影像作為備選數(shù)據(jù)，其成像時(shí)間分別為2011年11月21日，2011年12月2日，2011年12月13日和2012年1月4日。通過時(shí)間基線，空間基線的綜合對(duì)比分析，最后選取2011年11月21日的成像影像作為主圖像，2012年1月4日的成像影像作為輔圖像進(jìn)行差分干涉測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的土地塌陷范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該影像為單視斜距復(fù)影像，是雷達(dá)信號(hào)聚焦形成的最基本的影像，該影像數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，其中就能提取出本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)——振幅及相位信息。該影像原始數(shù)據(jù)的幾何特征保持完好，但不包含坐標(biāo)信息。其成像模式為條帶成像模式（SM），分辨率約為2米。

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用二軌法差分干涉測(cè)量得到研究區(qū)域的形變范圍，形變結(jié)果如圖4、圖5所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，主要的試驗(yàn)形變區(qū)域分布都比較集中，主要分布于影像的中部偏東北區(qū)域。

4 ?結(jié)論及展望

試驗(yàn)的最后的形變的結(jié)果在上一節(jié)中已經(jīng)做了介紹，結(jié)果表明，應(yīng)用該方法可對(duì)礦區(qū)塌陷范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)也要意識(shí)到形變結(jié)果不僅僅是由于采礦活動(dòng)導(dǎo)致的土地的塌陷，也包含其他因素影響，如山體滑坡、塌方導(dǎo)致的地表的下沉。且由于雷達(dá)影像的獲取時(shí)間是2011年11月至2012年1月，在該時(shí)間區(qū)段內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)域有過大范圍的降雪，而降雪的沉積或者融化對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性也有相當(dāng)?shù)挠绊憽Ｔ摲矫娴挠绊懺诒疚闹胁蛔鼍唧w分析。

本實(shí)驗(yàn)只是對(duì)D-INSAR進(jìn)行初步的運(yùn)用于研究，要實(shí)現(xiàn)D-INSAR技術(shù)高精度監(jiān)測(cè)礦區(qū)的土地塌陷的范圍與塌陷強(qiáng)度，還應(yīng)在以下幾方面改進(jìn)：①對(duì)于類似礦區(qū)這種地形起伏較大的區(qū)域，數(shù)據(jù)處理過程中容易產(chǎn)生失相干現(xiàn)象。為避免該現(xiàn)象，源數(shù)據(jù)的相干性問題須解決，主要是復(fù)影像的時(shí)間、空間相干性。時(shí)間相干性就是必須保證觀測(cè)目標(biāo)在時(shí)間間隔內(nèi)的一致性，空間相干性就是臨界基線距必須在空間上滿足要求。②在進(jìn)行形變信息提取時(shí)，在條件允許的情況下應(yīng)借助于永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（PS-INSAR），即選取若干影像精配準(zhǔn)控制點(diǎn)（PS點(diǎn)）。PS點(diǎn)可通過在成像區(qū)域的合適位置安裝電磁信號(hào)發(fā)射器或角反射器獲得。③充分利用地理信息系統(tǒng)（GIS）將多源數(shù)據(jù)融合分析。根據(jù)使用目不同，多源數(shù)據(jù)分為地形、地貌、地質(zhì)、采礦以及常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。通過GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，分析塌陷區(qū)地表變形特點(diǎn)、變形趨勢(shì)及變形內(nèi)部聯(lián)系，也可預(yù)測(cè)塌陷區(qū)未來的動(dòng)態(tài)變化。

參考文獻(xiàn)：

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