D-InSAR技術對地表形變的監測與應用

褚芊芊 劉承旭

(1.臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

1 引言

目前，地表沉陷監測一般采用周期性精密水準測量、全站儀測量固定觀測基站的三維坐標、GPS測量高程等方法，沿特定的觀測路線布設一些離散觀測點，構建地表變形觀測網，然后對觀測數據進行解算，最終得到每一時間間隔內的沉降變化值。

合成孔徑雷達差分干涉測量方法作為合成孔徑雷達干涉測量方法的進一步發展，由于具有空間分辨率高、全天時、覆蓋面積大、成本低等優點，在礦區開采沉陷監測中得到了廣泛應用。

2 技術路線

對于不同波段符合研究需求的雷達影像分別進行干涉處理，對比其相干性以及現實要求等分別進行選擇，確定合適的圖像來源。借助Envi和SARscape軟件對已有的雷達影像進行差分干涉處理分析已有觀測線的下沉情況，進行量化分析，最終得出與已有觀測線相一致的下沉剖面。將圖像處理結果與實際數據進行對比，分析其精度及其可靠性。

3 InSAR技術

3.1 InSAR干涉測量技術基本原理

合成孔徑雷達干涉測量是利用衛星或飛機搭載的合成孔徑雷達系統，通過兩副天線同時觀測(單軌模式)，或兩次近平行的觀測(重復軌道模式)，獲取地面同一景觀的復影像對。根據復雷達圖像的相位差信息，通過成像處理，干涉數據處理和幾何轉換等來提取地面目標地形的三維信息。

3.2 礦區D-InSAR數據處理

此次使用的SAR數據為哨兵一號數據，分別為2017年12月22日以及2018年1月15日兩期數據。

本次研究使用的是雙軌法，雙軌法是利用礦區地表前后變化的兩景雷達復影像生成干涉圖，再利用現有的數字高程模型數據模擬干涉條紋圖，從干涉圖中去掉地形信息，可得到地形變化信息。操作步驟具體介紹如下：

輸入2017年12月22日的衛星影像作為主影像，2018年1月15日的衛星影像作為從影像，參考DEM模塊輸入事先獲取的礦區DEM文件，DEM采用美國地質調查局發布的SRTM DEM數據。輸入所有的數據后，形成干涉圖，如圖1所示。

圖1 彭莊煤礦D-InSAR干涉圖

干涉圖生成后進行濾波和相干性計算。濾波方法采用Goldstein自適應濾波法，這種濾波方法的濾波器是可變的，提高了干涉條紋的清晰度，減少了由空間基線或時間基線引起的失相干的噪聲。

相位解纏：相位的變化是以2π為周期的，所以只要相位變化超過了2π，相位就會重新開始和循環。相位解纏是對去平和濾波后的相位進行解纏處理，使之與線性變化的地形信息對應，解決2π模糊的問題。

下一步選擇用于軌道精煉的控制點，或選擇已有的控制點文件。控制點的選擇要求相干性高、相位變化穩定的點，避免選擇地形殘差條紋地區。

最后進行相位轉形變以及地理編碼操作，即將經過絕對校準和解纏的相位，結合合成相位，轉化為形變數據，之后進行地理編碼到制圖坐標系統，默認得到的是LOS方向的形變，并對圖像外的區域做掩膜處理。

圖2 相位轉形變的結果

如圖2所示，礦區內出現多處明顯的下沉，多個區域性下沉均呈現中間低四周高的近似漏斗狀下沉。為了驗證其精度，特以3303工作面地表觀測數據為參考，進行統計對比，對比如表1、圖3所示。

表1 D-InSAR沉降量與地面實測沉降量對比表格

地面實測數據32 -0.028342 94 -0.086782 33 -0.037682 95 -0.085872 -0.094262 34 -0.053923 -0.108223 96 -0.080874 35 -0.056743 97 -0.074516 36 -0.054243 98 -0.074617 37 -0.057283 99 -0.074514 38 -0.068791 100 -0.076724 39 -0.058585 101 -0.069613 -0.070321 40 -0.058589 102 -0.064694 41 -0.061414 103 -0.060823 42 -0.065782 104 -0.058742 43 -0.077258 -0.125841 105 -0.055672 44 -0.075881 105 -0.050722 45 -0.071389 107 -0.044487 -0.049768 46 -0.081236 108 -0.043489 47 -0.085632 109 -0.040691 48 -0.083673 110 -0.036245 49 -0.087621 111 -0.035487 50 -0.096381 112 -0.030484 -0.036824 51 -0.091581 113 -0.027671 52 -0.097829 114 -0.025811 53 -0.095812 115 -0.024782 54 -0.105872 -0.125267 116 -0.022232 -0.030714 55 -0.106692 117 -0.021813 56 -0.113257 118 -0.017124 57 -0.115623 119 -0.016273 58 -0.125783 120 -0.015782 -0.020639 59 -0.125234 121 -0.012792 60 -0.137832 122 -0.00956 61 -0.132234 123 -0.00367 -0.010324柵格序號D-InSAR沉降量地面實測數據柵格序號D-InSAR沉降量

由于SAR圖像時間與觀測時間并不完全一致，有一定的時間差，而且D-InSAR得到的是連續像元的下沉值，而地面觀測只能得到有限個離散點的下沉值，并不能完全對應。另外礦區有大量村莊和農田，地表植物對雷達波產生了一定的影像，導致有一些區域失相干現象比較嚴重，這不利于D-InSAR處理的精度。但是整體來說監測結果與地面實際觀測結果的形變趨勢基本一致，從礦區地表沉降分布情況以及沉降趨勢上看，監測結果與地面實測情況基本相符，說明D-InSAR礦區沉降監測結果總體可靠，其局部精度可以達到厘米級。

圖3 D-InSAR沉降量（離散點）與地面實測沉降量（折線）對比圖

4 結論

D-InSAR技術在進行大面積礦區地表沉降監測時有較高精度，D-InSAR監測結果反映的是一個平面的沉降情況，比水準測量的離散點更加直觀、更加形象，雖然精度還達不到精密水準測量的標準，但整體精度比較可靠，局部可以達到厘米級，可以部分代替傳統監測方法，實現新技術在礦區沉降監測的應用。

對于大范圍的監測區域，使用D-InSAR技術進行地表變形監測省時省力，而且成本低，相較于水準測量或GPS測量優勢巨大。

通過D-InSAR技術在彭莊礦區地表變形監測時的實踐應用，表明D-InSAR可以精確有效地對彭莊礦區采煤沉陷區范圍及其形變過程進行動態觀測。