InSAR技术在矿区地表变形监测中的应用

方 林，吕 灯，徐郅杰

(1.河南省自然资源监测院，河南 郑州 450016； 2.河南省地质环境保护重点实验室，河南 郑州 450016)

梁北矿位于河南省许昌市所辖禹州市城南约6 km处，在禹州市梁北镇境内，该矿山隶属于河南神火集团有限公司。随着煤炭开采量的扩容及开采进度的加快，带来采煤诱发的以地面塌陷、地裂缝等矿山地质环境问题，不仅破环了当地环境，还影响人民群众生产生活[1-2]。开展矿区的地表形变监测对维护当地群众生命财产安全具有重要意义。

矿山地表形变监测方法主要有水准、GPS、合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR) 3 种技术手段[3-4]。InSAR技术在区域性地表形变监测中具有较高的垂向监测精度，与水准、GPS 监测手段相比，易识别出地表形变的分布规律，在采样密度及监测周期/频率具较大优势[5-6]。本次工作采用InSAR技术来监测梁北煤矿矿区地表形变。

InSAR技术开展地表形变监测主要有差分合成孔径雷达干涉测量(D-InSAR)及基于时间序列分析的短基线集干涉测量(SBAS)2种方法。D-InSAR技术主要应用在地震、崩滑等突变型灾害的监测上，监测精度一般为厘米级[7-9]；SBAS 的采用线性模型进行回归分析，主要应用于监测缓慢性地面沉降，监测精度在毫米级[10-13]。

本次工作参考郭炳跃等[14-15]对地面变形研究，采用SBAS方法监测梁北煤矿地面塌陷发展状况，搜集及购买了覆盖禹州市35景5 m×20 m分辨率Sentinel-1A数据作为SAR数据源，对获取的SAR数据进行干涉处理，提取地表形变信息，并对解译结果进行了野外踏勘验证。

1 矿区地表变形InSAR监测

1.1 技术路线

采用SBAS方法监测梁北煤矿矿区地表变形状况。主要步骤如图1所示。

图1 SBAS地面塌陷监测图像处理流程Fig.1 SBAS ground subsidence monitoringimage processing flow

1.2 监测数据的获取

为了监测梁北煤矿矿区地表变形，此次搜集了35景5 m×20 m分辨率Sentinel-1A数据作为SAR数据源，幅宽250 km，雷达波段C、极化方式VV。最早一景数据获取时间为2018年11月9日，最晚一景数据获取时间为2020年6月7日(表1)。

表1 获取的Sentinel-1A数据Tab.1 List of Sentinel-1A data obtained

1.3 监测数据的预处理

(1)SAR数据格式转录。购买的SAR图像属SLC(Single Look Complex)格式，需要将元数据、校准文件、噪声文件和数据文件分别存放到.XML和.TIF文件中，为了在SARscape平台中进行处理，并对购买的Sentinel-1A数据进行格式转录，生产SLC影像参数文件和影像文件。

(2)SAR图像精确配准。InSAR干涉处理联合154幅单视SLC图像生成干涉图，需将两幅影像配准到亚像元的精度。为提高干涉相关性，对于Sentinel-1A数据，进行SBAS处理要求SAR图像方位向配准精度必须优于0.02个像元，否则将导致干涉处理的失败(表2)。

表2 SAR图像配准Tab.2 SAR image registration

(3)SAR格式DEM准备。SAR干涉处理需要包含距离/方位几何等结构的DEM，而DEM属于地图结构，需将DEM转换成SAR结构的DEM，最后用SAR结构的DEM和SAR图像进行配准。

1.4 干涉处理

此次工作采用相位离散指数阈值法方法选择永久散射点。干涉对组合准则：时间基线阈值设为150 d、垂直基线阈值设为150 m。形成154对短基线集组合，为了保证结果的连通性，干涉对网络中没有孤立的干涉对(图2、表3)。将154个干涉像对进行处理后，与SRTM DEM模拟的地形相位做差分处理，在去除参考椭球面相位以及地形相位后，最终得到初始的差分干涉图结果。

图2 干涉对分布Fig.2 Distribution of interference pairs

表3 干涉像对组合结果Tab.3 Combination result of interference image pair

由于雷达成像时，天线发射的微波信号要穿越大气层且与地表交互作用后被反射回去再由传感器记录下来，因此大气效应尤其是大气中水汽的影响是干涉相位中主要的误差源与限制因素。一般来说，沿重复轨道获取2幅 SAR 图像的时间间隔越大，干涉相位的噪声越严重，大气特性在时间和空间上的变化将会引起雷达信号不同的传播延迟。

此次工作采用空间滤波的方式对生成的干涉图进行大气相位的去除。利用初始的差分干涉图，首先去除大气相位、DEM引起的误差，然后再去除系统噪声，最后剩余的相位执行SVD分解，最终得到了形变时间的序列相位值。依据标准偏差，去除质量差的点，对时间序列相位进行空间域滤波和时间域滤波，获得最终的形变时间序列(包含线性形变和非线性形变)。

2 成果整理及分析

2.1 变形成果整理

为了更好地研究梁北煤矿矿区地面塌陷的分布，首先将形变结果转换成“.txt”格式文件和相应的形变元数据，然后把SARscape获取的PS地面形变结果用ArcGIS转换成.shape格式，采用工作区的Google影像作底图，经校正，然后和PS点进行叠加，就得到整个矿区的解译塌陷速率图(图3)、塌陷区示意图(图4)。

图3 梁北煤矿InSAR解译塌陷速率Fig.3 InSAR interpretation subsidence rate of Liangbei Coal Mine

图4 梁北煤矿主要塌陷区示意Fig.4 Map of main subsidence area in Liangbei Coal Mine

2.2 地表变形分析

本次工作利用SBAS方法获得了梁北煤矿地面塌陷情况，经过干涉处理最终获得2018年11月至2020年6月间梁北煤矿地面塌陷速率。从上面的塌陷监测结果得出，梁北煤矿塌陷区位于煤矿工业广场东北部(图3)，与工业广场相邻，与当年度正在开采的21采区范围有高度的一致性。

最大塌陷速率为82.77 mm/a，塌陷速率大于10 mm/a的面积约为3.14 km2。穿过塌陷区中心的X-X′线的剖面如图5所示。

图5 X-X′线剖面Fig.5 X-X′ line profile

3 结论

本次工作采用InSAR对梁北煤矿矿区开展地面形变监测，主要成果如下：

(1)以35景Sentinel-1A数据作为数据源，采用SBAS方法对梁北煤矿矿区进行地表形变监测，对梁北煤矿矿区的地面塌陷区分布进行了解译。

(2)对梁北矿区地面塌陷原因进行了初步分析，矿业开采是引起地面塌陷的主要成因，地面塌陷随采掘推进变形加剧。

(3)InSAR技术具有较高的垂向测量精度，能较好地满足监测采样密度及周期/频率。

(4)InSAR技术是开展矿区地面塌陷、地面沉降监测的有效技术手段，利用SBAS方法能够全面、准确地监测出地面沉降的速率及矿区地表形变规律。