雙軌D-InSAR 技術檢測礦區地面沉降的應用

楊乾坤

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏 銀川 750001）

地質災害中存在一種變化較慢且占地寬廣的災害，即為地面沉降。在地面沉降中，可以采用雙軌D-InSAR 技術對地面沉降進行檢測[1]。雙軌D-InSAR 技術發展至今，理論與數據處理技術已經相對成熟。雙軌D-InSAR 技術可準確檢測出地面沉降情況，減少資源浪費，對采礦事業的發展有著重要意義。

1 礦山開采區地面沉降采用雙軌D-InSAR技術實測驗證

礦山開采區地面出現的沉降現象與普通的地表形變有較大差異，礦區地面沉降具有時域非線性、沉降梯度大的特點。因此，需要選擇適合礦區地面沉降監測技術。本文將對雙軌D-InSAR 技術在礦區地表沉降檢測中的應用進行研究。

在礦區地表變化信息與三維信息的獲取上，采用雙軌D-InSAR 技術，以合成孔徑雷達數據提取的相位信息為信息源[2]。雙軌D-InSAR 干涉圖由于兩副天線與地面某一目標之間的距離不等而形成，根據兩次成像的相位差與地面目標的三維空間位置之間存在的幾何關系。在探測礦區地表形變時，干涉圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值[3]，可測定地面目標的三維坐標，從而提供大范圍的高精度數字高程模型。雙軌D-InSAR 的處理過程就是通過外部數字高程模型或其它干涉影像對獲取的相位進行差分處理，以便去除無用相位信息而獲取形變相位的一個過程。下圖為地表沉降信息提取流程。

2 基于雙軌D-InSAR技術的礦區地面沉降檢測方法

2.1 利用雙軌D-InSAR 技術精確定位地面控制點

礦區地形出現起伏情況下，不同高程點處干涉條紋顯現出的顏色有所差異，以像元值為依據將礦區地面變形情況進行等級劃分，能夠清晰看出礦區地面的沉降情況，所以得出結論為礦區地面沉降高程位置的干涉環的顏色會發生變化。地面控制點作為零形變點進行反向推算出沉陷區的形變量，控制點的選取為影像處理非常關鍵的一個步驟，控制點選取的質量直接影響到地表形變反演的精度，因此在選取過程中，應該避免控制點位于形變相位上。

2.2 模擬礦區地面沉降差分干涉相位

地面差分干涉相位值與雙軌D-InSAR 最大沉降量相同，相位模擬即對某個波段不同點號最大沉降量進行求導，將數據匯總得到差分干涉相位圖與相應數據。不同類型雷達干涉數據對地面沉降監測的能力因雙軌D-InSAR 檢測的最大沉降量而決定，考慮礦區實際沉降、入射角、波長，以及地面分辨率等因素，對礦區地面沉降的差分干涉相位進行模擬。

由于L和C波段SAR 干涉數據的波長、入射角和地面分辨率不同，因此相位入侵角度會發生一定的改變，對于同一礦區地面沉降而言，其在差分干涉圖距離向上，會均勻分布相應的相位元數以及相位方向，當轉換對應的視線方向上，便可識別出最大沉降量相位以及不同數據下沉降相位。

圖1 礦區地表沉降信息提取流程

圖2 兩種方法沉降量對比圖

2.3 分析地面沉降量數據

在礦區地面沉降檢測過程中，模擬數據的變化是監測的重點。根據最大沉降量相位以及不同數據下沉降相位，對地面沉降量數據進行分析。設計的波段點號雷達入射角度為45°、雷達入射波波長為130mm；規定的下沉盆地主要影響半徑為1530m，SAR 傳感器的地面分辨率為60%。查閱多方資料得到十個點號的十組數據，并對數據進行參數矯正后，匯總得出它們的最大沉降量。令最大沉降量與礦區地面沉降參量作對比，得出沉降相位值如表1 所示。

表1 最大沉降量與礦區地面沉降參量分析表

通過以上方法步驟，完成了基于雙軌D-InSAR 技術對礦區地面沉降量的檢測。

3 對比實驗

為研究基于雙軌D-InSAR 技術的礦區地面沉降檢測方法與傳統方法的區別，實驗選取地面沉降情況較嚴峻的某地作為實驗環境，礦區地屬盆地，地勢東北略高、西南稍低。實驗環境基本數據為：礦井范圍南北長3km～3.9km，東西寬3.5km～5.5km；地理坐標120°31'～120°35'E，37°31'～339°35'N。然后采用本文方法與傳統方法分別對礦區地面沉降量與時間進行趨勢匯總，在同樣時間內，兩種方法下沉降量與實際沉降量的關系如圖2 所示。

圖2 中，a 圖顯示的是傳統方法下礦區地面沉降量變化情況，b 圖為基于雙軌D-InSAR 技術的礦區地面沉降檢測方法沉降量變化圖。根據圖中變化趨勢圖能夠發現：在相同的60s 時間內，a 圖沉降量總體呈上升趨勢，b 圖雖然也為上升趨勢，但其上升坡度較小，相對圖a 在每秒鐘內沉降量上升較慢；在60s 時，a 圖沉降量為289mm，b 圖沉降量為196mm，在同樣的上升趨勢下，b 圖沉降量較a 圖小了93mm。a 圖中沉降量變化更貼近實際沉降量，b 圖中沉降量與實際沉降量偏差較大。得出基于雙軌D-InSAR 技術的礦區地面沉降檢測方法檢測出的沉降量更貼近實際沉降量，使檢測結果更精確。

4 結語

通過最大沉降量監測、相位模擬和礦區地面沉降數據分析，明確了L 波段與C 波段雷達干涉數據礦區地面沉降的監測能力。再由基于雙軌D-InSAR 技術的礦區地面沉降檢測方法與傳統方法作對比，得出基于雙軌D-InSAR 技術的礦區地面沉降檢測方法可以獲取更接近實際沉降量的值，應用雙軌D-InSAR 技術能夠得到更加精確的礦區地面沉降檢測結果。