基于D-InSAR监测的黄土矿区地表沉陷特征分析

工作面均发生了不同程度的沉陷变形，其中沉降量最大值出现在亭南煤矿304工作面内，达到17.5 cm.结果表明：D-InSAR技术可以反映出矿区沉陷位置和下沉程度，展示出D-InSAR技术在黄土矿区地表沉陷监测方面具有良好实用性和广泛应用前景。

关键词：差分干涉测量;黄土矿区;沉陷变形;形变监测

中图分类号：X 936   文献标识码：A   文章编号：1672-7312（2019）03-0394-04

Abstract：Synthetic Aperture Radar Differential Interferometry （D-InSAR） technology is a microwave remote sensing technology developed in the 1990s. It has the ability to monitor surface micro-deformation with high precision and has become an effective technical means for monitoring surface subsidence in mining areas. Taking the Binchang mining area in Shaanxi as the research area， using the multi-period SAR image data， the D-InSAR technology method was used to carry out the surface subsidence monitoring experiment， and combined with the actual situation of the mining area， the sinking contour map of the mining area was briefly analyzed. The experiment found that the working faces of the three mining areas have experienced different degrees of subsidence deformation， and the maximum settlement amount appears in the 304 working face of the Tingnan Coal Mine， reaching 17.5 cm.The results show that D-InSAR technology can reflect the location and subsidence of mining area， and demonstrates that D-InSAR technology has good practicability and wide application prospects in surface subsidence monitoring in loess mining area.

Key words：differential interferometry;loess mining area;subsidence deformation;deformation monitoring

0 引 言

煤礦资源的开发利用在社会和生活中发挥越来越重要的作用[1]。以陕西彬县为例，彬长煤田是陕西省第二大煤田，具有煤层厚、储量大、易开采的特点。矿区地表沉降监测主要采用建立观测站，采用GPS测量、全站仪测量、精密水准测量等传统测量方法进行定期观测，存在着费时费力、效率低下等缺陷。因此，应用新的监测技术已经成为矿山开采沉陷监测的必然趋势。差分干涉测量（D-InSAR）技术作为一种新型地面观测技术，它是通过2个回波信号的相位差与卫星轨道参数来反演出地球表面的微小变形，并且能够在短周期内提供空间连续表面变形信息，可以获得厘米甚至毫米的高精度表面变形信息[2]，可以与常规地面测量技术起到互补作用。

国内外研究学者相继利用雷达遥感技术监测地表沉降。1989年，Garbriel等人利用D-InSAR技术实现了地表形变监测，监测结果达到厘米级精度[3];2009年，Z.Perski等人利用D-InSAR技术监测波兰的Wieliczka盐矿，成功获得到该区域的地表形变[4];2012年，郭炳跃等人利用D-InSAR技术提取徐州矿区地表形变[5];洪卓众等人采用D-InSAR技术获得陕北神木柳塔矿区的地表沉降[6];魏长靖等人采用D-InSAR技术获取安徽省钱营孜煤矿的地表沉降图[7]。这些研究表明矿区周围通常受到开采的影响，矿区地表周围均会发生不同程度的沉陷。因此，有效监测并获取矿区地表形变信息具有十分重要的意义。

1 D-InSAR的基本原理

差分干涉测量（D-InSAR）是指使用2幅干涉图像相同的区域，其中一幅是变形前获取的干涉图像，另一幅是变形后获取的干涉图像，通过差分处理来获取地表形变的测量技术[8]。根据采用干涉数据的多少和处理方法的差异，一般可将D-InSAR分为2-pass型、3-pass型和4-pass型[9-10]。实验采用的D-InSAR方法处理流程图如图1所示。

2 实验区与影像数据选取

2.1 矿区概况

彬长矿区位于陕西省关中西北部的长武和彬县境内，是国家规划的13个煤炭基地之一的黄陇基地的主要矿区，属于黄陇侏罗纪煤田的中断[11]。矿区的南部和东部主要以无煤区作为边界线，北部和西部以陕甘省界作为边界线，矿区东西长约为46 km，南北宽约为36.5 km，规划面积约为978 km2，煤炭资源地质储量约为89亿吨，可采储量约54万吨，主采煤层平均厚度10.6 m.矿区地处泾河流域，地表水与地下水资料较丰富，地表植被较少，自然村落大部分处在开采沉陷区域以外的保护煤柱范围，这一特征有利于SAR影像的数据处理。

2.2 SAR影像的选取

对于SAR数据，不仅包含了在接收信号时的幅度信息，同时也包含了它的相位信息[12]。D-InSAR正是利用相位信息获得目標的高程信息，进而获得形变信息。在进行差分干涉处理之前，就要满足影像之间具备良好的相干性，其中，合理的基线估计是在处理数据前必须要完成的一项内容。研究区域彬长矿区处于黄土高原过渡地带，西北黄土地区具有土壤含水量小、气候条件干燥、植被较为稀疏等特征，为后续处理工作提供了良好的数据基础。因此，利用彬县行政区多景Sentinel-1A卫星的TOPSAR雷达数据（C-band）作为实验的干涉影像数据，采用的4个具体干涉对影像的数据参数见表1.

2.3 干涉处理软件简介

在SAR数据的处理方面，世界各国研究学者普遍使用的软件，如ERDAS Imagine，ENVI，PCL Geomatica，ER Mapper等，实验选用美国研发的ENVI（Version 5.3.1）软件。ENVI中的遥感图像处理工具ENVI SARscape由核心模块及5个扩展模块构成，支持一系列机载和星载雷达系统的数据，包括Sentinel-1A，ERS-1/2，JERS-1，ENVISAT ASAR， RADARSAT-1/2等，通过对SAR数据在ENVI SARscape中进行处理后，能够便捷地提取到高精度地形数据（DEM）和地表形变图，还可以在ArcGis中将提取的这些有用的数据和形变图与光学遥感数据等集成起来并叠加分析，全面提升SAR数据应用价值。实验采用SARscape模块中的D-InSAR工作流对哨兵Sentinel-1A卫星的TOPSAR雷达数据（C-band）进行处理，确定矿区位置并得到下沉等值线图。

3 D-InSAR数据处理

根据D-InSAR的基本原理，对SAR数据进行处理，流程主要包括：基线估算、干涉图生成及去平、自适应滤波、相位解缠、相位转形变与地理编码等诸多步骤。

在进行差分干涉处理前，基线估算的结果是判断SAR干涉测量成像能否进行下去的基础条件，同时是解释SAR影像对失相干的有力佐证。实验数据的基线估算结果表明影像干涉对可以进行后续的差分干涉处理。干涉图的生成是通过对主、幅影像对应像元的复数值进行共轭相乘得到的，干涉图中的相位值就是相位差的主值[13]。在生成干涉图的过程中，存在数据处理噪声、系统热噪声等影响，为了能顺利完成相位解缠等后续步骤，就要对噪声加以抑制，从而降低雷达噪声的影响，这就需要对干涉图进行滤波处理[14]，实验选择的Goldstein滤波是最常用的滤波方法，能在一定程度上提高干涉条纹的清晰度以及减少由于时间基线或空间基线造成的失相干问题。

其中较为关键的是相位解缠，它是获取地表微小形变量的关键环节，解缠结果的好坏直接影响着最终高程数据的精度[15]。考虑到研究区周边地质地貌条件较为复杂的情况下，文中选用最小费用流法进行相位解缠，该算法的好处在于当影像上存在有大面积的低相干部分时，或者是有其他限制增长因素导致解缠困难时，可以得到比其他解缠算法更加可靠、准确的结果。

地理编码是D-InSAR工作流处理中的最后一步，它是将雷达的斜距坐标转变为地理坐标的过程，经过相位转形变和地理编码，得到精度较高的数字高程模型。

4 结果分析

4.1 SAR沉降区与矿区坐标系的统一

SAR图像做干涉处理是在雷达影像的坐标系下完成的，经过地理编码获取最终的DEM以及研究区形变图是WGS-84坐标系下的坐标;而矿区生产及地表沉陷监测使用的是以X，Y表示的平面坐标。因此，通过七参数转化法，将亭南煤矿304工作面、燕家河煤矿8211工作面、下沟煤矿ZF2404工作面由1980西安坐标系转化到WGS-84坐标系下，投影方式设为高斯投影3°带，根据彬长矿区地理位置，中央子午线设为108°.

4.2 不同煤矿沉降分析

根据D-InSAR数据处理流程，对获取的形变图与实地工作面进行坐标之间的统一，找到了不同煤矿的工作面（图2中用黑色线框表示）在形变图中不同沉降区域的具体位置。通过使用ArcMap 10.1软件，对形变图进行叠加，并生成不同煤矿的等值线图（均以1 cm沉降量为边界）时间跨度为2017年12月10日至2018年03月28日，图2中的（a）、（b）、（c）分别代表亭南煤矿、燕家河煤矿和下沟煤矿。

从图2中可以看出，在监测时段内，亭南煤矿304工作面（即（a）中的黑色边框）以及附近地表均有不同程度的沉降，随着时间推进，地表沉降量在逐渐增大，范围由工作面向四周不断延伸，并且越接近工作面中间，沉降量越大，最大约达到17.5 cm;燕家河煤矿8211工作面（即（b）中的黑色边框）以及附近地表均有不同程度的沉降，随着开采的进行，地表沉降量在逐渐增大，范围主要沿开采工作面方向，即东西方向不断延伸，并且越接近工作面，沉降量越大，最大约达到13.8 cm;下沟煤矿ZF2404工作面（即（c）中的黑色边框）以及附近地表均有不同程度的沉降，随着煤矿沿南北方向开采的不断进行，地表沉降量在逐渐增大，范围也在南北方向有着明显的延伸，并且越接近工作面，沉降量越大，最大约达到10.3 cm.

5 结 论

1）以陕西彬长矿区的开采沉陷监测为研究对象，基于D-InSAR技术进行了地表沉陷监测数据处理的实验研究，确定了适用于西部黄土矿区D-InSAR监测的影像数据处理方法与实用技术流程。

2）采用ENVI软件针对实验区域的干涉SAR影像对进行差分干涉处理。结果表明，监测时间段内，彬长矿区多个区域发生了明显的沉陷变形。其中有3个变形区分别位于亭南煤矿、燕家河煤矿、下沟煤矿相应开采工作面上方地表，将上述3个变形区域进行下沉叠加并绘出等值线图，在同一坐标系统下与3个煤矿的开采工作面位置进行分析。结果表明：随着开采的进行，3个不同煤矿的工作面均发生了沉陷变形，其变形发展趋势以及最大沉陷量与实际资料基本一致，从而验证了D-InSAR技术在监测矿区沉陷变形方面的有效性。

综上，D-InSAR技术为黄土矿区地表沉陷的监测提供了极具前景的技术手段，未来将吸引更多的研究学者开展广泛而又深入的研究。

参考文献：

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[5]郭炳跃，何 敏，刘建东.利用InSAR技术监测徐州市矿区地表变形[J].地质学刊，2012，36（01）：99-103.

[6]洪卓众.基于D-InSAR的矿区沉降监测[J].山西建筑，2012，38（22）：73-75.

[7]魏长靖，闰建伟.D-InSAR技术二轨法监测矿区地表沉陷的方法研究[J].煤炭技术，2012，31（07）：129-130.

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[13]董玉森，葛玲玲，张新春，等.基于差分雷达干涉测量的矿区地面沉降监测研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2007，32（10）：888-892.

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[15]舒 宁.雷达影像干涉测量原理[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

（责任编辑：张 江）

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