D_InSAR技术应用于矿区开采沉陷的监测分析_刘慕溪

Ｄ－ＩｎＳＡＲ技术应用于矿区开采沉陷的监测分析刘慕溪1刘冬2（1.广东省核工业地质局测绘院广东广州510800；2.株洲市规划设计院湖南株洲412000）摘要：文章分析了合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）相比较于传统监测手段的优势，作者采用二轨法D-InSAR技术，利用西山煤电古交矿区2个时段的TerraSAR-X数据，获取了该矿区试验时间段内的地面形变图，指出了处理D-InSAR数据过程中发现的一些问题，并对该技术用于监测矿区地表沉降进行展望。

关键词：D-InSAR；二轨法；矿区地面沉降；数据处理0引言合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术诞生于20世纪60年代末，它是由雷达影像复数据推导出的雷达信号的信息作为信息源，并利用这些相位信息提取地表三维信息的一项技术。

InSAR技术是利用获得的同一区域的SAR复数影像，对同一个地物的回波信号进行干涉，确定该地区的干涉纹图，并且对相位信号进行分析，确定该区域的DEM或是形变信息。

D-InSAR是在InSAR技术上进一步发展而来的，通过比较两幅或多幅同一地区的SAR影像的相位变化（干涉图），从干涉图导出视线方向距离的变化，从而反推出地表形变，因此可以用来监测地表目标的水平和垂直运动。

合成孔径雷达干涉测量具有全天时、全天候、广覆盖、高分辨率等优点，在地表形变的相关领域中得到了广泛的应用。

1989年美国人Gabriel等人利用Seasat L波段SAR数据测量了加利福尼亚东南部的英佩瑞尔河谷灌溉区的地表形变［1］，首次论证了D-InSAR技术可以用于监测厘米级的地表形变。

之后，到20世纪90年代后期，部分学者通过实验证实D-InSAR技术对地球表面形变监测的精度可以达到毫米级。

但是目前来看，D-InSAR技术具有仪器噪声、卫星轨道误差、大气延迟、时间去相干、空间去相干、外部DEM估计误差、残差地形相位以及处理过程中的误差等；煤矿区的植被覆盖变化引起的地表反射特性变化，导致干涉相位在时变和地面散射体失相关，有时甚至得不到有用的干涉图［2］。

由于煤矿开采沉陷区自身具有的特殊性，如矿区地表条件复杂、地面植被密集、地表覆被变化迅速、开采沉陷范围较小而变化缓慢等问题，专门针对煤矿区的D-InSAR沉陷监测技术还存在诸多问题需要解决［3］。

笔者采用二轨法对西山煤电古交矿区的SAR影像进行干涉差分处理获取了该矿区的沉陷信息，并列举出了在处理D-InSAR数据过程中发现的一些问题，指出了PS-DInSAR与CR-DInSAR技术是解决这些问题的主要手段。

1D-InSAR技术的特点与传统的监测手段GPS［4］相比，D-InSAR技术具有以下几方面的优势：（1）全天候监测的能力，覆盖面积广，数据获取快，成本费用较低。

（2）不仅可以提供传统监测方法难以监测到的地区的数据，而且可以进行与传统监测技术相比拟的高精度的地表形变监测。

（3）对于地面形变的变化非常敏感，具有高精度的地面形变测量能力与高空间分辨率探测能力，可用于监测地面沉降。

为了更好的体现出D-InSAR技术的优势，将其与精密水准、GPS技术进行比较，见于表1。

表1D-InSAR技术与精密水准、GPS技术的比较2D-lnSAR技术应用于矿区开采沉陷监测分析2.1现状测量方式沉降信息量精度周期／速度作业条件成本数据处理精密水准点线信息毫米长／慢看天气高慢GPS点线信息毫米较短／快全天候较高快D-InSAR点线面信息亚毫米、毫米短／快全天候低快国内有许多的学者对此做了很多成功的实验研究，包括邓喀中等人利用SAR影像对沛城矿、大屯地区、兖州矿等采矿区进行了开采沉陷监测的实验研究，获得了与地面实测相近的地面下沉值，从而证明D-lnSAR用于开采沉陷监测是可行的［5］；汪云甲等人利用ALOS PALSAR影像获取了钱营孜煤矿与淮南矿区的地面沉陷信息，实验结果表明与地面站水准测量的结果一致，说明使用该技术能够完成矿区地面沉降监测［6］。

早期吴立新等人就选择中国东部典型工矿区（唐山市及开滦矿区）为试验区进行了矿区地表沉陷D-lnSAR监测试验研究，利用该地区的SAR影像进行差分干涉处理，得到了间隔时间超过半年的地下采矿及采水引起的雷达视线向形变图［7］。

虽然目前绝大部分研究都是仅仅局限于试验阶段，并没有将此技术真正的应用于实际，但是D-lnSAR技术应用于矿区地面沉降监测具有广泛的研究价值和可行性。

为了克服D-InSAR的局限性，意大利的Ferretu 等人提出了对雷达信号具有稳定散射特性的地面目标，即永久散射体（Permanent Scatterers，PS）的差分干涉相位方法来监测地表形变。

PS技术可以间接的克服干涉相位失相关和大气效应负面影响，即使在无法获得干涉条纹的情况下也能通过多时SAR影像和相位稳定像素点集的PS技术取得毫米级的地表形变精度。

但是PS技术也有其缺点：需要有目标区域大量的SAR数据（20～30景）；需要在目标区域有相当数量的PS点；不同PS点的雷达散射截面不同，不利于后期解算。

根据其研究成果，笔者提出了一种人工角反射器（Corner Reflector，CR）技术（Corner Reflector，CRInSAR）来监测矿区的地表沉陷。

可以人为地布设一定数量尺寸、规格严格统一的并具有稳定散射特征的金属角反射器，通过对这些反射器的回波相位进行干涉测量，从而获得高精度的视线方向形变量。

这些人工角反射器（CR点）的后向反射强度远远大于周围的参照物，在SAR图像上会呈现出一个个明显的亮点。

通过在试验地区布设一定数量的角反射器，结合GPS和水准观测，尽量使GPS和水准观测与卫星观测同步，利用观测值对干涉结果进行校正，能够消除卫星轨道误差、时间与空间失相关、大气延迟等的影响。

因此，融合GPS，PS，CR，水准测量与D-InSAR数据之间的相互协作将是主要的研究方向［8］。

2.2D-lnSAR监测古交矿的沉降选取2011年12月13日和2012年1月4日的两幅TerraSAR-X原始影像中一定的范围区域采用二轨法进行处理，利用已知的地形数据消除干涉纹图中的地形因素影响，从而得到变形信息。

主要步骤如下：（1）首先对两幅SLC影像进行精确配准。

（2）通过精确配准得到的偏移量及相关系数对副影像重采样，生成干涉图，如图1所示，去除平地效应后，干涉条纹图中包含地形信息和形变信息。

图1干涉图（3）计算配准后的DEM的点间距与干涉图像元间隔之间的比值，对DEM点进行过采样，基于多普勒方程、斜距方程和椭球方程，利用轨道参数将DEM转换到雷达坐标系统，结果如图2到图6；再将DEM数据转换为相位值，并形成模拟干涉条纹图，如图7所示。

图2初始DEM图3研究区域DEM图４地理几何中的模拟ＳＡＲ图像图５雷达几何中模拟ＳＡＲ强度影像图6雷达坐标系下的DEM图7DEM模拟相位图（4）从主辅图像生成的干涉条纹图中减去利用DEM模拟的干涉条纹图，得到SAR强度图（图8）。

图8差分干涉图（5）将差分干涉相位图进行处理，获得地表形变量，如下图9所示。

图9形变图（6）将获得的地表形变图转换到地理坐标系中。

图10地理坐标系下的形变图（单位：毫米）2.3试验分析本次实验为了对最终的差分干涉结果进行分析，只对试验过程中的干涉以及结果比较明显的地表形变地区进行了截图显示。

该地区主要生产土焦煤，过量的开采导致地面的严重沉降，根据图10形变图，我们也可以看出差分干涉结果与该矿区的地表形变相符，差分干涉条纹较好地反映了形变量的大小，其中部分地区出现了上升，通过具体的分析得出该矿区出现了不同程度的下沉，沉陷量最大3.4cm。

因此，D-InSAR技术监测煤矿地表沉陷是完全可行的。

然而，尽管在分析前进行了相关的基线精密处理，但差分干涉结果还包含大气效应、残余的基线误差和DEM误差等，只有精确地获取了当地DEM数据并对ENVISAT图像的轨道进行优化，才能消除这些因素的影响。

3问题分析（1）精度问题。

由于D-InSAR技术对矿区开采沉陷监测受到大气效应、相位差、平地效应、热噪声等误差的影响，该技术自身很难消除这些误差，因此，监测结果的精度有待提高。

另外，矿区地表的植被也比较茂盛，对雷达信号的干扰也较大。

目前提高精度的方法和措施有PS和CR技术，PS-DInSAR与CR-DInSAR将是以后研究和应用的重点方向之一。

（2）相位解缠问题。

虽然目前关于相位解缠的算法有很多，但在相干性较低的区域的相位解缠仍然是一个十分棘手的问题。

另外，还需要分析相位解缠算法对测量结果的影响，保证相位解缠结果的准确性。

如何实现相干性较低区域的相位解缠也是急需要解决的问题。

（3）大气效应。

大气效应是困扰D-InSAR测量精度的一个重要因素，需要进一步开展大气效应的研究，建立CGPS网对InSAR观测结果进行改正，提高InSAR测量的精度和可靠性。

在矿区布设一定数量的CR点能够去除大气的影像。

（4）精度评定问题。

虽然通过差分处理能够得到矿区的形变图，但是目前缺少一个精度评定模型，所以并不能确定所得结果的精度。

（5）矿区的沉降是长期缓慢的过程，由于InSAR 观测周期以及空间和时间基线的限制，多数情况下无法将D-InSAR单次离散的观测连接起来，不能获得时间上连续的沉降场，无法得到研究区域的沉降发展和演化情况。

（6）D-InSAR侧重于研究短时间间隔的单次形变，使用的SAR图像较少，缺乏多余观测，当形变相位与相位噪声相差不大时，无法将形变相位进行有效分离，因而计算的形变可靠性难以保证。

4结束语差分干涉处理中存在许多误差和不确定性，导致对最终结果精度产生一定的影响。

采用二轨法得到了古交矿区的形变图，可以看出D-InSAR技术监测矿区开采沉陷具有较大的优势，但是也存在一系列的问题，PS-DInSAR与CR-DInSAR技术可望较好解决其中的一些问题，将是以后应用和研究的主要方向。

参考文献［1］Gabriel A K，Zebker H A，Goldstein R M.Mapping small eleveation changes over large areas:Differential radar interferometry［J］.Journal of Geophysical Reseach，1989，94(B7):9183-9191.文件，再按最浅点进行数据选取，生成点距为2米的*.XYZ 文件、*.DAT 文件及*.TXT 文件，再利用南方CASS9.0成图软件生成扫海水深图。

（4）航迹线图利用HYSWEEP 模块后处理软件自动生成扫海航迹线图，再利用南方CASS9.0成图软件编辑多波束扫海航迹线图。

2.7资料整理及成图汇编外业结束后，利用HYPACK 软件进行测线处理，依据测深仪原始记录纸检查所采集的水深，剔除伪值，并利用所观测潮位对水深进行改正，改正后对所采集数据进行过滤，生成*.xyz 格式的数据文件，将所生成的*.xyz 文件读入AutoCAD2008成图。