SBAS技术在矿区地面沉降监测中的应用

2018-08-04王志华姜辉鲍捷

资源导刊(信息化测绘) 2018年7期

王志华姜辉鲍捷

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016）

近年来，矿产资源过度开采导致的地面塌陷，甚至地质灾害问题日益凸显，威胁着矿区人民的生命财产安全，也制约着矿业城市的可持续发展。地面沉降多是缓慢变化、不可逆的，利用小基线集（SBAS）时间序列形变分析方法能监测长时间、大范围的地表缓慢形变，得到所研究矿区的沉降发展趋势和演化情况[1]。

本文主要用SBAS方法监测缓慢微小的地面形变，研究矿区的地面沉降分布特征及形变时间演化规律，分析具体沉降情况，绘制形变量图、累积沉降面积变化曲线等，以便科学指导矿区的生产生活。

1 SBAS技术概况

1.1 SBAS技术研究现状

SBAS技术起源于2002年，国内外学者做了大量试验和研究，取得了突破性进展，但是国内对SBAS技术的研究与应用远不及国际水平。随着我国北斗卫星系统的全面建设，SBAS技术在监测地表形变中将有更大的发展空间，这要求我们必须对SBAS技术的理论及在沉降监测中的应用进行更加深入的研究[2]。

1.2 SBAS技术的基本原理和处理流程

SBAS技术是在传统合成孔径干涉雷达（InSAR）技术基础上改进而来。SBAS影像集合由长基线组成的相互独立的合成孔径雷达（SAR）影像连接组成，一些小集合存在于已有的SAR影像数据集中，小集合间的SAR影像基线较大，小集合内SAR影像基线较小。

所有SAR影像数据组合后，利用矩阵的奇异值分解（SVD）法将小基线集联合起来求解，得到的形变图在空间上更为连续，因为小基线集减小了地形对差分的影响，减弱了空间失相干性。利用SVD求最小范数意义上的最小二乘解，是SBAS的核心技术算法[3]。采用这种方法连接小基线提高了时间采样率和空间分辨率，这是因为结合了稳定散射体的干涉相位信息后，提高了形变监测的可靠性[4]。SBAS处理流程如图1所示。

图1 SBAS处理流程图

2 实验研究

本文采用安徽省淮南市谢家集矿区的8景日本ALOS PALSAR卫星升轨数据及DEM数据，利用SBAS方法进行时间序列分析，获取矿区的沉降序列图。

谢家集矿区在东经 116°54´～ 117°01´与北纬32°32´～32°39´之间。区域地层发育基本齐全，但大部分地区被第四系冲积层覆盖。根据形态特征不同，区域地貌分为4个类型：中部低山丘陵区，南部滨湖平原区，城镇境内及周围波状平原区，河间平原区。丘陵占区域总面积的19.7%，自西北至东南绵亘于中部；天然湖泊在四周分布，镶嵌其间的是塌陷区，水面占区域总面积的6%；平原洼地占区域总面积的74.3%。

2.1 实验步骤

（1）生成连接图：将数据集最小、最大空间基线设置为0和45（临界基线的百分数），最小、最大时间基线设置为0和800（由于临近两景影像拍摄时间接近一年，故时间基线选取稍大一些）。

（2）定义研究区域：因研究区域原始SAR影像数据过大，需选取出重点研究区域进行干涉处理。选定的像素行列号范围是西2400、东2750、北950、南1400，选好研究区域后，逐景影像比对发现所选正确。

（3）干涉工作流：根据第一步生成的SAR影像像对间的连接关系，对每对像对进行干涉工作流处理，处理过程有干涉图生成及去平、自适应滤波、相干性生成、相位解缠，生成系列解缠之后的相位图。所有干涉图都与超级主影像进行了配准，为轨道精炼、重去平及SBAS反演做准备。干涉工作流之前需设置参数，经过多视处理确定方位向与距离向的最佳比为4∶3，此步骤用时大约3小时。处理完毕得到各个像对去平和滤波后的干涉图、相干系数图和解缠结果，依次查看，用连接图编辑工具将相干性低的移除，得到最终连接图。

（4）轨道精炼和重去平：估算和去除残余的恒定相位和解缠后还存在的相位坡道。除需要生成的辅助文件和研究区DEM外，还要选择地面控制点，先目测选取相干性强、亮度高的点20～30个，再提出相干性差的点，进行下一步操作。

（5）SBAS反演Step1：这是SBAS反演的核心步骤，第一次估计位移速率和残余地形，对合成的干涉图去平，重新做相位解缠和精炼，生成更优化结果，用于下一步计算。Step1算出所有像对的形变和高程，形变包括日期、速度、加速度及其变化，高程包括校正值和新DEM。这一过程提供线性模型、无位移模型、二次方模型和三次方模型，其中线性模型最稳定，其他模型需要密集的连接图及高相干性才能得到准确结果。

（6）SBAS反演Step2：核心是计算时间序列上的位移，在Step1得到的形变速率基础上，进行定制的大气滤波，估算和去除大气相位，得到时间序列上的最终位移结果。通过大气高通和低通估计大气影响，最后每个时间都从测量的位移中减去这些大气部分。

（7）地理编码：对前面得到的结果进行地理编码，像元大小设置为25m，其他为默认参数。

2.2 实验结果分析与讨论

通过对2011年1月至2018年2月间8景ALOSPALSAR数据进行SBAS处理，得到研究矿区的累计沉降量，如图2所示。

研究区域内，十涧湖西路、堤坝整体处于下沉状态，西张铁路的西半段处于抬升状态，东半段下沉严重。小井矿井、东方矿井及新二矿区处于不同程度的下降状态。现研究十涧湖西路的沉降状况，选取4个样本点，样本点的沉降时间序列图如图3所示。研究发现，近4年十涧湖西路一直处于下沉状态，最大沉降量达到400mm/year，随着时间的增加沉降速率逐渐减小。