D-InSAR技术在矿区开采沉陷中的应用及发展趋势

2016-09-18戴松

西部探矿工程 2016年7期

关键词：差分矿区变形

戴　松

（安徽精益测绘有限公司，安徽淮南232000）

D-InSAR技术在矿区开采沉陷中的应用及发展趋势

戴松*

（安徽精益测绘有限公司，安徽淮南232000）

合成孔径雷达差分干涉测量（D-InSAR）具有空间分辨率高、全天时、覆盖面积大、成本低等优点，在矿区开采沉陷监测中得到了广泛应用。首先对D-In SAR基本原理、数据处理方法（二轨法）的基本流程做出简要的分析，然后通过实例介绍了D-In SAR技术在矿区开采沉陷中的应用。分析了D-InSAR技术优势和应用中存在一定的误差，提出了一些解决措施。就D-InSAR技术的发展前景进行预测分析。得出以下结论：D-InSAR测量技术能够清晰地反映矿区整个地表形变量。二是结合D-InSAR矿山开采沉陷监测成果，对该技术的基本原理及应用现状进行了深入分析，认为加强与GIS的集成是矿山开采沉陷研究的一个发展方向。

D-InSAR；矿区开采沉陷；监测

1　概述

地面沉陷已经成为现今矿区开采区最突出的环境问题。传统矿区地表形变监测方法，主要是沿煤层走向和倾向方向上布设一系列离散点来监测矿区工作面的变化，观测结果只能反映测站点及附近很小范围的变形量，难以得到沉陷区的整体形变结果。传统方法在日益严重的大范围地面沉降的情形下已经变得难以胜任。而雷达干涉测量技术的发展正好提供了一种覆盖面积大、空间分辨率高的地面沉降监测方法，而DInSAR技术更是其中最为有效的。D-InSAR技术主要的特点是连续空间覆盖、高度自动化和高精度，对于监测地表变形具有很大的优势。目前，利用InSAR技术提取地表垂直形变量的精度已经达到了厘米级甚至毫米级［1-2］。因此，研究合成孔径雷达差分干涉测量监测矿区地面沉降的理论与应用技术，预测其在未来的发展前景，具有重要的应用价值和社会意义。

2　D-InSAR技术基本原理

合成孔径雷达干涉测量技术（D-InSAR）是在In-SAR技术的基础上发展而来的，它是以SAR雷达复数图像的相位信息通过差分干涉处理来获取地表形变信息的技术。要获取地表形变量需要去除地形相位信息，按照构成SAR影像对方法的不同，差分干涉测量去除地形相位信息获取地表形变的方法可分为双轨法、三轨法和四轨法等形式［3］。本文以“双轨”法为例来说明合成孔径干涉雷达技术基本原理。该方法是将监测区域地表变形前后的2景SAR影像分别作为主辅影像，对2景SAR影像进行干涉处理，利用DEM获得模拟地形相位条纹图；然后通过相位解馋后得到解馋后的干涉图，将解馋后的干涉图与模拟地形相位条纹图进行差分处理，可得到矿区地表形变所形成变形图，从而获得地表形变量［4-6］。该方法流程见图1。

图1　两轨方法在矿区监测流程

3　矿区D-InSAR技术沉陷监测实例

3.1实例矿区概况

本次实验采用亳州市涡阳县东部一矿区作为研究区域。经实地测量所知，该矿区为老采空区，下沉速率不大，月下沉量为厘米级。

3.2实例数据

本次D-InSAR矿区沉陷监测试验采用二轨差分干涉测量方法。SAR影像数据采用加拿大2007年发射的RADARSAT-2影像数据，影像采用C波段，HH极化方式，影像分辨率为3m，雷达运行周期为24d。 RADARSAT-2数据影像外部DEM数据采用SRTM_ 60_06DEM，研究区SAR数据具体参数见表1。

表1　研究区SAR影像数据

3.3数据处理结果及分析

选择2景影像RS2_20131113_100804_HH_SLC，RS2_20131207_100803_HH_SLC作为原始数据对，获取该矿区范围一对影像数据周期内（24d）的地表下沉量，利用ENVI中SARscape软件D-InSAR Displacement Workflow工作流进行二轨差分处理。形变区沉降分布图（图2），从图2中可以看出，从11月13日到12 月7日共24d的时间里，该矿区大部分地区为沉降趋势明显，沉降分布与矿区分布大致相同，最大沉降量达到了1.6cm左右。

图2　沉陷区形变场

由于沉降区（图2中深色区域）大部分都有积水，实地水准测量只能布置在沉降边缘地带和无水地带，在该矿区布设了2条倾向线和1条走向线，观测线附近的深色区域表示影像中失相干性比较严重的区域，对应沉降分布场中的深色区域，即下沉量大的区域。周围灰白色区域表示相干性较高的区域，表示边缘地区下沉量较小或非监测范围区。同期观测走向线、倾向线上的共15个水准点，各水准点沉降量与SAR影像数据中各水准点附近的沉降量进行比较（图3）。

图3　沉降数据对比图

从图3统计所得数据对比分析可知：D-In SAR监测沉降值与水准观测值基本一致，D-In SAR监测沉降值监测点附近最大下沉量达到了1.58cm，实地水准观测量为1.2cm，两者误差最大值不超过3.8mm。因此这说明了合成孔径雷达干涉测量技术在地表微小形变中的应用精度达到了理想的监测效果，获得的形变结果能很好地反映监测区域的沉降情况。

4　D-InSAR技术优势及误差分析

与传统矿区开采沉陷变形监测方法相比，D-In SAR测量技术有显著的优势，而且D-InSAR测量技术不受天气和时间条件的限制，亦不必建立变形监测网［7］。这有利于克服传统矿区工作面需要布设地表移动观测网和埋点存在困难区域的形变监测。D-In-SAR测量技术能够克服传统点、线信息局部观测代表性差的缺陷，可以获取整个矿区的地表沉陷值，从宏观分析其形变情况，进而可以为快速决策提供及时的信息支持［8］。另外，由于D-InSAR测量技术具有连续空间覆盖能力、高度自动化和高精度的特点，与传统监测方法相比具有显著的优势。这为监测一定时期内的矿区地表变形量，及时掌握矿区地表变形规律创造了条件。

从上述矿区实验分析结果对比中可以看出，虽然D-InSAR监测技术能够有效监测矿区地表沉陷，但是还是存在一定的误差，主要原因有以下几个方面：

（1）实地观测水准点和D-InSAR监测沉陷区形变场中的该点实际位置有一定的误差。影像分辨率达不到厘米级是产生这个误差的原因之一，因此如何提高影像分辨率，使其更好地与地面观测相一致是今后研究的一个方向。

（2）由于该地区为老采空区，地表形变缓慢，应当选择时间基线较长的影像数据，但为了保证SAR影像相干性较强，实验中选择的时间基线较短（24d），导致大部分检测区形变量微小，不利于减小误差。

（3）由于SAR影像受大气干扰、矿区气候、监测区地表植被覆盖等因素的干扰，造成一定程度上的误差。如何消除这些因素对SAR影像数据的影像是今后实验中需要解决的问题。

5　结语

D-InSAR测量技术，全天时、全天候、高度自动化、高分辨率、长期观测矿区地表形变、能够清晰地反映矿区整个地表形变量。但矿区开采沉降是一种长期持续工作，需要对监测数据进行长期有效的处理与分析，因此加强D-In SAR监测技术与GIS集成是未来D-InSAR技术发展的有利方向。

地理信息系统（Geology and Information System，GIS）以地球信息科学、计算机科学等学科为基础，能够实现对矿区开采沉陷的空间分析、三维表达、监测预警以及辅助决策，其空间分析具有强大的数据处理能力和功能显示能力［9-10］。D-InSAR监测技术能够实现对矿区开采沉陷区域的全覆盖监测，这一新型测量方式技术优势有别于水准测量、GPS测量等，但是在监测数据的分析与处理方面有待提高。因此，将D-InSAR监测技术与GIS技术进行集成，充分发挥各自优势，对于进行开采沉陷预计和提高矿区开采沉陷的精度具有重要意义。

［1］李小红，刘元.D-InSAR技术在地面沉降监测中的应用与发展前景［J］.北京测绘，2013（5）：70-73.

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［6］付春永，苗小利，冯西林.D-InSAR技术在矿区开采沉陷监测中的应用［J］.陕西科技大学学报：自然科学版，2011（3）：113-117.

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1004-5716（2016）07-0147-03