InSAR技术监测矿山沉陷盆地技术研究

汪民主，李红彦

(建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

因开采而引起的地面沉陷问题，对人们生产生活、经济发展及周围环境造成了影响，对开采引起的地表沉陷的监测是至关重要的。传统的监测手段有精密水准测量、三角高程测量和GPS观测技术等，具有精度高、可靠性强等优点，但同时存在工作量大、观测时间长、成本高、空间分辨率低等缺点。随着SAR技术的提出与发展，矿区地表沉陷监测手段得到快速发展，利用InSAR技术来监测地表沉陷已进入新的阶段，其中，D-InSAR技术因其快捷方便、低成本、高精度、对微小变形的高敏感度等优点，被广泛应用于各矿区的沉陷监测。本文利用某矿区某矿的InSAR数据进行实际处理、应用与分析，并与传统矿区监测方法实际测量数据进行分析比较，验证InSAR技术的可靠性与可行性。

1 二轨法D-InSAR形变测量基本原理

InSAR干涉相位包括地形信息和地表形变信息以及其他相位信息，表示如下：

φif=φflat+φtop+φdef+φorb+φatm+φnoi

(1)

式中，φflat为平地效应相位；φtop为地形相位；φdef为地表形变相位；φorb为轨道误差引起的相位；φatm为大气延迟相位；φnoi为噪声相位。

D-InSAR就是采用一系列措施来消除其他相位，只留下由地表形变引起的相位。以二轨法为例介绍D-InSAR形变监测原理，如图1所示。

图1 二轨法形变监测示意图

若忽略轨道误差、大气扰动和噪声影响，由式(1)可知，从干涉相位中去除平地效应相位和地形相位，就可得到地表形变引起的相位，由此进一步得到地表形变。

点P1在参考椭球面上，该处相位只包含平地效应相位，地面点P2则包含平地效应相位和地形相位。

(2)

(3)

(4)

两幅SAR影像观测期间形变为：

(5)

利用误差传播定律对式(5)的h求偏导，可得：

(6)

由式(6)可知，DEM的精度对地表形变的误差起到了至关重要的作用。SRTM在2018年2月11日～22日完成了飞行使命，得到了覆盖地球80%以上的陆地面积的雷达影像数据，制成了DEM数据，SRTM3 DEM数据在我国的分辨率为90 m，平原地区绝对高程精度优于5 m,为二轨法差分干涉测量提供了有力的保证。

2 D-InSAR监测矿区沉陷的实例应用

2.1 实验区选择

某矿位于河北省邯郸市西南部，西北距某集团有限公司6 km，东南距磁县县城约15 km，行政区划隶属邯郸市某矿区及磁县管辖。某矿井田倾斜宽约为2.5 km，走向长约为8 km，面积约为20 km2，交通条件十分便利。在本文采用的SAR影像监测期间，该矿仅有152下31S工作面处于开采之中，且监测时间段内开采区位于工作面的北部。

选择覆盖该矿区的两景SAR影像数据，将2018年1月9日和2月2日的RADARSAT影像形成干涉对，外加SRTM3 DEM数据：N36E114.hgt，监测某矿在24天内的地面沉降信息。

2.2 数据处理软件

目前，针对SAR数据的处理开发出了很多软件，例如加拿大Atlantis公司的EARTH VIEW INSAR软件、荷兰Delft科技大学开发的Doris、美国的JPL和Caltech开发的ROI_PAC等。本文选用GAMMA软件完成差分干涉处理工作，该软件是由瑞士GAMMA遥感公司开发的，可以在Linux系统和Win系统下安装，也可开放源代码，操作简单、易学。该软件可分成组件式的SAR处理器、干涉SAR处理器、差分干涉和地理编码、土地利用工具和干涉点目标分析这五个部分，可处理ERS-1/2 、TerraSAR-X、SIR-C 、JERS、PALSAR、RADARSAT、ENVISAT ASAR等 SAR数据。

2.3 实验结果与分析

采用二轨法进行差分干涉处理，基本流程图如图2所示，利用地表形变前后的SAR影像对产生的的干涉条纹图和DEM模拟的地形相位，从干涉图中去除地形相位获得地面沉降信息，如图3所示。通过ENVI和Golden Surfer软件，从获取的地面沉降图中提取出地形信息，绘制沉降等值线图，如图4所示。利用开采沉陷预测预报系统，预计在监测时间段内的矿区下沉曲线，如图5所示。对比两图，可以发现SAR影像监测得到的等值线与MSPS软件预计的等值线趋势、形状大致吻合，35 mm等值线吻合度最高，15 mm等值线吻合度最低，但还存在部分差异，一些差分干涉图反应的沉陷信息在预测等值线图中没有反应，比如图4，等值线右侧有部分突出，已采工作面及周边工作面开采、监测精度、数据处理准确度等都对监测结果产生影响，而预计软件是在各方面条件均理想化的情况下得到预计结果，导致出现不吻合的地方。

图2 二轨法差分干涉测量流程图

图3 沉降图

某矿在152下31S工作面上方附近设立了地表移动观测站，将观测站实测数据处理得到的沉降值与SAR影像监测相应观测站点的沉降量进行对比分析，计算出了两种方法的误差值，两组数据如表1所示。其中，测站T0、T17至T26位于下沉边界以外，理论上不存在下沉，而影像监测到下沉值，可能因为SAR数据处理过程中存在影像间偏差、配准误差、轨道参数误差、操作误差等，此时要对这些测站的监测沉降值进行补偿。确定补偿值方法有：(1)利用沉降图取边界外相干系数为0.8以上点的沉降值，求取平均值；(2)根据Surfer软件得到的监测等值线图确定边界外补偿值。本文采用第一种方法，取补偿值为14 mm。为了有更加形象、直观的认识，将地面监测沉降量与影像监测形变量进行分析成图，如图6所示。从图中可知，两者的最小误差为0 mm，最大误差为30 mm，18个点误差在10 mm以内，11个点误差在10 mm及以上，平均误差为8.97 mm，标准偏差为9.68 mm。

图4 与矿图叠加的等值线图

图5 预测下沉曲线

表1 D-InSAR监测沉降值与地面实测沉降值对比表

图6 地面监测与D-InSAR监测数据对比

通过对D-InSAR方法得到的沉降信息与地面观测站实测数据对比分析可知，两种方法处理结果基本相符合，但也存在一定的差值，这是因为基准象元点选取有偏差、数据内插不准确、轨道参数变化、大气影响等。

3 结 论

InSAR技术具有常规监测方法和GPS技术不可比拟的优势，在某矿区某矿的应用效果与实际情况相符，监测结果具有一定的可靠性，但影像失相干、卫星轨道误差、大气效应等都会影响D-InSAR技术最终处理结果，该技术将进一步发展与创新。总体来说，D-InSAR技术能够有效地监测矿区因开采沉陷引起的沉陷盆地，且D-InSAR技术可以得到整个区域的沉陷信息、不用布设观测站、更加方便快捷，节省了大量人力物力，这说明SAR影像监测地面沉降具有一定的可行性和良好的应用前景。