基于D-InSAR雷达检测技术的矿区周边地表沉降变形研究

章新益，刘 倩，董双发，石海岗

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2. 东华理工大学，江西 南昌 330013）

1 工作区概况

工作区区域范围为北纬38°50′～39°20′、东经115° 30′ ～117° 00′，面积4620km2。

2 D-InSAR处理

为实现矿区周边地面沉降、地裂缝的数据提取，本次工作采用了Sentinel-1卫星数据，该卫星配备了先进的极地轨道C波段雷达成像系统，是SAR操作应用的延续。可全天候进行对地观测，在实际应用中意义重大[1]。

2.1 D-InSAR测量基本原理

D-InSAR测量技术为精准测量出地表沉降量，须消除地形相位信息。常用的方法有二轨法、三轨法和四轨法。此次工作中采用二轨法进行数据处理，该方法需要外部DEM高程数据的引入才能获得地表形变其原理如图所示。

图1 变形原理

表示在两次观测中，图1根据二轨法测量原理

P点移动到ΔD的距离至P1，那么解缠后的相位信息可以包括：

其中

如果不考虑大气延迟及观测噪声等相关信息，则公式②中，基线计算就可以完全消除平地相位信息，利用外部高精度的DEM可以消除地形相位，相位解缠后式中仅含有形变引起的相位变化量，假设视线方向向量的形变为D，两边进行微分得：

2.2 D-InSAR测量矿区周边地表形变的基本方法

D-InSAR技术主要有以下三种基本方法：

甚短基线法是雷达影像组合成的干涉像对，此干涉像对之间的空间基线非常小，地面高程引起的相位变化信息量可合理有效的控制[2]。本方法类似为零基线距法。零基线距法是在理想状况下，即空间基线等于0，同时不必考虑地形因素误差的影响，在现实环境的情况中，原始的雷达数据源中，很难获得空间基线等于0，因此该方法不适用于现实情况下的矿区周边地表沉降形变监测。

二轨法是Massormet在1993年首次提出来的，该方法需要两景雷达图像和涵盖实验区域的DEM高程数据，这两景数据分别是发生形变之前和形变之后的雷达图像。

三轨迹方法需要三个场景雷达图像以进行差分干扰处理。所选的两个场景雷达图像是在实验区域的小变形之前获得的，而第三场景雷达图像是在小变形之后选择的。通常将轻微变形之前的场景雷达图像之一选择为公共图像，将SAR雷达图像的另两个场景用作次要图像。辅助图像的两个场景雷达图像与公共图像配准，以生成两组干扰对。本次数据处理中，采用二轨法进行数据处理，其工作流程如图2所示。

图2 IN-SAR流程图

3 矿区周边地面沉降的因素

引起矿区周边地面沉降的自然因素主要是构造升级运动以及地震等，人为因素主要是井下水超采、矿产资源的开采以及局部荷载等。

工作区地处华北平原地下水严重超采区，地面沉降现象由来已久。工作区在50年代～60年代中期，局部地区已产生地面沉降，随着人类活动的加剧，地面沉降呈持续发展的趋势。

D-INSAR在矿区周边地面沉降监测中有着巨大的前景与潜力，但是仍然存在着一定的局限性，其中失相关性便是一个严重的技术问题。

他会干涉数据的传导时间，因此会在电磁波传导延时效果，导致大气湿度或者连续获取数据发生了滑坡，形变导致最终失相关效果的干扰。

根据近期Sentinel-1A卫星雷达数据监测结果表明，矿区周边地面沉降仍以每年厘米级别速度持续下沉。年沉降率大于30mm每年的区域已至冲积平原的扇缘，覆盖了工作区大部分区域。

全区年沉降量大于300mm的面积达2905.95km2，大于600mm的面积为917.79km2，大于900毫米的面积242.59km2。

矿区周边地面沉降程度由北西向东南逐渐严重，形成大营镇—马庄镇、东段乡—左各庄镇和霸州市三个为中心的沉降区域，以东段乡—左各庄镇最为严重。

4 地裂缝

地裂缝是地表岩土在自然因素或人为因素作用下，产生开裂并在地面形成一定长度和宽度裂缝的现象。工作区地裂缝从成因上多为沉降型地裂缝。

全区解译地裂缝9条，累计长度6.4km。分布于容城县（2条）、文安县（2条），徐水县、安新县、高碑店市、霸州市和固安县各1条。霸州市王庄子乡北西地裂缝最长，单条地裂缝可达3km左右。

5 其他不良地质现象

5.1 矿山开采遗留环境问题

工作区地处平原地区，矿山开采以砂石粘土矿为主，多为露天开采。

矿山开采遗留环境问题主要为砂石粘土坑和固体废弃物，其中砂石粘土坑废弃后，易积水，未经防护治理，具有一定安全隐患。全区解译砂石粘土坑和固体废弃物349处，面积共15.95km2。

5.2 土地沙化

近年来，由于地表径流锐减，河道断流，水位持续下降，砂质土壤中水分减少，土壤退化，植被枯萎，导致土地沙化趋势严重。通过遥感解译，全区共有土地沙化面积5.57km2，主要分布于霸州和永清两县，形态上一般沿现代河流呈带状分布。

6 结论

通过D-InSAR雷达检测技术，能够针对矿区周边地面的沉降情况进行研究，D-InSAR技术可以利用两景或以上影像对地面沉降进行监测，D-InSAR技术与传统的监测技术相比，具有诸多优势，如他能够全天候不分时段的进行检测，并且范围不仅广，精准度也非常高，且总体而言造价低。通过对地面情况的高精度的检测，了解地面沉降现象，观察地面沉降的变化性规律，为找寻沉降、塌陷的规律，作出预警、预测、评估等提供帮助。

因此D-InSAR技术必然是未来矿区周边地面沉降检测技术的发展趋势。D-InSAR技术在处理数据时也具有这些不利因素，主要是时间去相关，相位展开和大气传播过程中电磁波延迟的影响。D-InSAR技术对数据有更高的要求，主要是由于分辨率的影响，但是这也是D-InSAR技术精度高的原因之一。

当使用低分辨率的雷达图像时，D-InSAR技术无法监视单个目标的变形，这些也是D-InSAR技术的未来改进方法，亟待解决的问题。

随着D-INSAR研究的不断精进，再加上各种新的技术的辅助，如新卫星的发射、传感器成像技术的改进以及软件技术的发展，有理由相信D-INSAR技术将用于矿区周边地面沉降与其他领域的用途更广泛。