时序D-InSAR技术在矿山变形测量中的应用

■李敬唐

（茂名市国土资源勘探测绘院广东茂名525000）

时序D-InSAR技术在矿山变形测量中的应用

■李敬唐

（茂名市国土资源勘探测绘院广东茂名525000）

本文讨论了基于时序D-InSAR技术应用于矿山变形测量中所具有的独特优势，通过简介时序D-InSAR技术基本原理，并结合工程实例，分析论证了相对于传统GPS测量和水准测量，时序D-InSAR测量技术只用几幅影像就可以监测上万平方公里的矿山地表形变，其监测精度可达到毫米级，时序D-InSAR技术有很大的成本优势，具有广阔的市场应用潜力。

雷达干涉测量差分干涉测量双轨法三轨法；

1 引言

常规矿山变形测量一般采用重复精密水准测量方法，这种方法需要野外作业，周期长、花费大。随着空间测量技术的发展，其逐渐被周期短、精度高、布网迅捷的GPS方法所替代，但GPS方法应用于大范围的矿山监测任务时无明显优势，且GPS在监测垂直位移分量方面精度相对较低。近年来，空间对地遥感技术特别是卫星雷达测量技术得到迅猛发展，其中卫星雷达干涉测量方法(Interferometry Synthetic?Aperture?Radar，缩写为InSAR)?进入到一个新高度，可利用卫星雷达差分干涉测量(Differential?Interferometry-Synthetic pertureRadar，缩写为D-InSAR)来探测地表的微小地形变化。D-InSAR测量技术可以在大面积范围内(100km×100km)监测地面的微小形变，具有不需要人员进入现场区域测量的特点，相对于GPS测量和水准测量手段而言，有很大的成本优势，具有广阔的市场应用潜力。其次，水准测量和GPS测量技术只能监测有限的、离散的控制点，而D-InSAR测量技术用几幅影像就可以监测上万平方公里的地表形变，其监测精度可达到毫米级。目前，其已在矿山变形测量中得到良好的应用。

2 基本原理

InSAR技术是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的一项技术，其基本思想是:利用两副天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像，获取同一区域的复雷达图像对，由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等，形成干涉图，干涉图中的相位值即为两次成像的相位差测量值，根据两次成像的相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系，利用飞行轨道的参数，即可测定地面目标的三维坐标，它可以用来提供大范围的高精度数字高程模型(DEM)，并用于探测地表形变。

卫星雷达差分干涉测量（D-InSAR），是利用同一地区不同时相的SAR影像，通过差分干涉，获取该地区地表形变信息的技术手段。差分干涉是利用雷达两次不同位置获取的同一监测区域的相位，差分干涉得到形变信息。已有研究提出了三种方法进行差分干涉，两轨法、三轨法和四轨法。两轨法是使用两幅雷达影像和对应地区的外部数字高程模型，首先由两幅雷达影像形成一个干涉对，生成既包含地表形变信息又包含地形因素的干涉图，然后根据外部数字高程模型反演地形相位并从干涉相位中予以去除，最后得到仅包含地形形变信息的干涉图。

3 时序D-InSAR技术在矿山变形测量中的应用实例

该工程位于广东省茂名市的某高岭土矿，该高岭土矿位于茂名市区NE38°方向，直距10.0km处。行政区域隶属茂名市茂南区山阁镇山阁村委会酒铺村管辖。矿区中心地理坐标：东经110°55′55″，北纬21°44′25″。矿区总面积0.1722km2。矿区有1公里矿区公路通往山阁镇，山阁镇至茂名市区10km，交通方便。矿区开采深度+37m-+19m。利用ENVISAT卫星获取的6景ASAR数据进行差分干涉测量处理。

3.1 时相及数据组合

根据SAR数据的时相和相对基线距，将JERS21SAR数据分成6组2次差分分组和3组3次差分分组，以形成几种时间间隔。

3.2 数据处理与提取干涉测量信息

经过对分组数据进行SAR强度分析、SAR像对相干性分析、DEM(SRTM)图像及与雷达图像的配准、干涉图像处理及基线距精校正、形成干涉图像，将解缠后的相位转换成沉降量，叠加到雷达强度图上，得到JERS213次差分干涉图4幅、2次差分干涉图5幅、ENVISAT两次差分干涉图1幅。

3.3 差分干涉处理结果

通过对22景数据的筛选，采用三次、二次过境差分法处理，获得自2010年2月27日～2014年12月5日矿山地面形变干涉图像，不仅新发现11个连续发生地表形变的沉陷区，同时精确监测到沉陷形变的时间变化和沉陷幅度(其精度达cm级)。据D-InSAR测量和遥感动态监测及外业验证结果表明，地表沉降主要分布于高岭土矿集中区，其沉降范围自2010～2014年经历了一个由小到大再趋于平稳的势态。其沉降速度也由2010年的每月1cm，逐渐加速到2012年的每月1.5cm。而后又趋缓并保持在每月1cm的速度，监测区较典型的沉降区位于酒铺村东一带。

3.4 结果分析

另据监测结果的时空分布表明，最大沉降速度与沉降范围的扩展与采矿活动的强度和气候有关，2010～2014年正值全民办矿、群采活动高峰，也是沉降范围最大的年份，而沉降速度大小直接与降水量有关，初步认为春夏干旱时期沉降速度慢，秋季降雨集中时段沉降速度明显加快。

4 结语

通过以上分析得知，时序D-InSAR技术已经能够很好的应用于矿山变形监测，在数据质量较好的情况下可达到mm级的监测精度，D-InSAR测量技术不仅克服了GPS“离散监测”的缺陷，而且能够依据存档数据掌握过去某一时刻的地面沉降情况，具有不同时段相互对比、分析，快速实现动态监测的优势，可直观揭示地面沉降的过去、现在，并准确预测其发展趋势，时序D-InSAR测量技术在矿山变形监测领域必定有着良好的应用前景。

[1]李平湘，杨??杰.雷达干涉测量-理与应用 [M].北京:测绘出版社，2006(44):107-108.

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P2[文献码]B

1000-405X（2016）-6-344-1