基于D-InSAR雷達檢測技術的礦區周邊地表沉降變形研究

章新益，劉 倩，董雙發，石海崗

（1.核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2. 東華理工大學，江西 南昌 330013）

1 工作區概況

工作區區域范圍為北緯38°50′～39°20′、東經115° 30′ ～117° 00′，面積4620km2。

2 D-InSAR處理

為實現礦區周邊地面沉降、地裂縫的數據提取，本次工作采用了Sentinel-1衛星數據，該衛星配備了先進的極地軌道C波段雷達成像系統，是SAR操作應用的延續。可全天候進行對地觀測，在實際應用中意義重大[1]。

2.1 D-InSAR測量基本原理

D-InSAR測量技術為精準測量出地表沉降量，須消除地形相位信息。常用的方法有二軌法、三軌法和四軌法。此次工作中采用二軌法進行數據處理，該方法需要外部DEM高程數據的引入才能獲得地表形變其原理如圖所示。

圖1 變形原理

表示在兩次觀測中，圖1根據二軌法測量原理

P點移動到ΔD的距離至P1，那么解纏后的相位信息可以包括：

其中

如果不考慮大氣延遲及觀測噪聲等相關信息，則公式②中，基線計算就可以完全消除平地相位信息，利用外部高精度的DEM可以消除地形相位，相位解纏后式中僅含有形變引起的相位變化量，假設視線方向向量的形變為D，兩邊進行微分得：

2.2 D-InSAR測量礦區周邊地表形變的基本方法

D-InSAR技術主要有以下三種基本方法：

甚短基線法是雷達影像組合成的干涉像對，此干涉像對之間的空間基線非常小，地面高程引起的相位變化信息量可合理有效的控制[2]。本方法類似為零基線距法。零基線距法是在理想狀況下，即空間基線等于0，同時不必考慮地形因素誤差的影響，在現實環境的情況中，原始的雷達數據源中，很難獲得空間基線等于0，因此該方法不適用于現實情況下的礦區周邊地表沉降形變監測。

二軌法是Massormet在1993年首次提出來的，該方法需要兩景雷達圖像和涵蓋實驗區域的DEM高程數據，這兩景數據分別是發生形變之前和形變之后的雷達圖像。

三軌跡方法需要三個場景雷達圖像以進行差分干擾處理。所選的兩個場景雷達圖像是在實驗區域的小變形之前獲得的，而第三場景雷達圖像是在小變形之后選擇的。通常將輕微變形之前的場景雷達圖像之一選擇為公共圖像，將SAR雷達圖像的另兩個場景用作次要圖像。輔助圖像的兩個場景雷達圖像與公共圖像配準，以生成兩組干擾對。本次數據處理中，采用二軌法進行數據處理，其工作流程如圖2所示。

圖2 IN-SAR流程圖

3 礦區周邊地面沉降的因素

引起礦區周邊地面沉降的自然因素主要是構造升級運動以及地震等，人為因素主要是井下水超采、礦產資源的開采以及局部荷載等。

工作區地處華北平原地下水嚴重超采區，地面沉降現象由來已久。工作區在50年代～60年代中期，局部地區已產生地面沉降，隨著人類活動的加劇，地面沉降呈持續發展的趨勢。

D-INSAR在礦區周邊地面沉降監測中有著巨大的前景與潛力，但是仍然存在著一定的局限性，其中失相關性便是一個嚴重的技術問題。

他會干涉數據的傳導時間，因此會在電磁波傳導延時效果，導致大氣濕度或者連續獲取數據發生了滑坡，形變導致最終失相關效果的干擾。

根據近期Sentinel-1A衛星雷達數據監測結果表明，礦區周邊地面沉降仍以每年厘米級別速度持續下沉。年沉降率大于30mm每年的區域已至沖積平原的扇緣，覆蓋了工作區大部分區域。

全區年沉降量大于300mm的面積達2905.95km2，大于600mm的面積為917.79km2，大于900毫米的面積242.59km2。

礦區周邊地面沉降程度由北西向東南逐漸嚴重，形成大營鎮—馬莊鎮、東段鄉—左各莊鎮和霸州市三個為中心的沉降區域，以東段鄉—左各莊鎮最為嚴重。

4 地裂縫

地裂縫是地表巖土在自然因素或人為因素作用下，產生開裂并在地面形成一定長度和寬度裂縫的現象。工作區地裂縫從成因上多為沉降型地裂縫。

全區解譯地裂縫9條，累計長度6.4km。分布于容城縣（2條）、文安縣（2條），徐水縣、安新縣、高碑店市、霸州市和固安縣各1條。霸州市王莊子鄉北西地裂縫最長，單條地裂縫可達3km左右。

5 其他不良地質現象

5.1 礦山開采遺留環境問題

工作區地處平原地區，礦山開采以砂石粘土礦為主，多為露天開采。

礦山開采遺留環境問題主要為砂石粘土坑和固體廢棄物，其中砂石粘土坑廢棄后，易積水，未經防護治理，具有一定安全隱患。全區解譯砂石粘土坑和固體廢棄物349處，面積共15.95km2。

5.2 土地沙化

近年來，由于地表徑流銳減，河道斷流，水位持續下降，砂質土壤中水分減少，土壤退化，植被枯萎，導致土地沙化趨勢嚴重。通過遙感解譯，全區共有土地沙化面積5.57km2，主要分布于霸州和永清兩縣，形態上一般沿現代河流呈帶狀分布。

6 結論

通過D-InSAR雷達檢測技術，能夠針對礦區周邊地面的沉降情況進行研究，D-InSAR技術可以利用兩景或以上影像對地面沉降進行監測，D-InSAR技術與傳統的監測技術相比，具有諸多優勢，如他能夠全天候不分時段的進行檢測，并且范圍不僅廣，精準度也非常高，且總體而言造價低。通過對地面情況的高精度的檢測，了解地面沉降現象，觀察地面沉降的變化性規律，為找尋沉降、塌陷的規律，作出預警、預測、評估等提供幫助。

因此D-InSAR技術必然是未來礦區周邊地面沉降檢測技術的發展趨勢。D-InSAR技術在處理數據時也具有這些不利因素，主要是時間去相關，相位展開和大氣傳播過程中電磁波延遲的影響。D-InSAR技術對數據有更高的要求，主要是由于分辨率的影響，但是這也是D-InSAR技術精度高的原因之一。

當使用低分辨率的雷達圖像時，D-InSAR技術無法監視單個目標的變形，這些也是D-InSAR技術的未來改進方法，亟待解決的問題。

隨著D-INSAR研究的不斷精進，再加上各種新的技術的輔助，如新衛星的發射、傳感器成像技術的改進以及軟件技術的發展，有理由相信D-INSAR技術將用于礦區周邊地面沉降與其他領域的用途更廣泛。