双轨D-InSAR在矿区地面沉降监测中的应用

双轨D-InSAR在矿区地面沉降监测中的应用*

刘同文1，高腾飞2，于广婷1，徐进达1

【摘 要】摘要：合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)已成为监测矿区地表沉降的有力工具之一。文章选取2景2004-12-26—2005-01-30覆盖济宁矿区的C波段的ENVISAT ASAR影像作为干涉对，首先对整景影像进行差分干涉处理，得到D-InSAR 一系列结果图，然后选取沉降明显的葛亭矿区进行精细化研究，结合GIS软件叠加数字正射影像图 DOM、开采平面图和矿区边界图等进行空间分析。结果表明：双轨D-InSAR技术可以对矿区的沉降分布进行有效的探测与定位，且能对矿区的沉降程度进行监测。 【期刊名称】地矿测绘 【年(卷),期】2017(033)003 【总页数】4

【关键词】矿区；地面沉降；合成孔径雷达差分干涉测量；GAMMA

Abstract：D-InSAR is one of the useful techniques for monitoring the ground subsidence.Two C-land ENVISAT ASAR images from December 26th，2004 to January 30th，2005 were selected as interferometry pair.First of all，the total image were processed and a series of maps were obtained，then the DOM，mining plan and mining boundary map in Geting mining area were performed for the spatial analysis in GIS.The results show that the technology of double-track D-InSAR can be used to effectively detect and locate the subsidence distribution in the

mining area，and monitor the degree of subsidence in the mining area. Key words：mining area；ground subsidence；D-InSAR；GAMMA

0 引言

目前，国内煤矿开采的地面沉降监测方法主要有传统大地测量、精密水准测量、近景摄影测量、GPS、三维激光扫描等，地表移动变形观测站的设置以剖面线形式为主，监测数据为离散监测点的形变信息，只能对监测点绘制出的沉降剖面曲线图进行分析[1]。如果要对沉降区地面沉降情况进行全面把握和分析处理，必须布设大量的监测点，通过拟合、插值等手段，绘制出沉降等值线图，进而为合理安排矿区开采，预测、评估沉降损失等提供依据，显然传统的测量方法和手段无能为力[2]。合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)是在InSAR的基础上发展起来的，大量研究与应用实例表明，其能够应用于矿区长期缓慢的地表形变监测。2005年，刘国林等[3]对合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性进行了分析。2007 年，董玉森等[4]收集了1992年12月至1998年6月的JERS-1 L波段雷达数据，利用D-InSAR 技术进行矿区地表沉降监测研究。2012年，陶秋香等[5]用ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR数据分析讨论了L和C波段雷达干涉数据的矿区地面沉降监测能力，试验结果表明L波段雷达干涉数据更容易监测到沉降梯度和沉降量较大的矿区地面沉降。2013年，刘一霖[6]针对矿区地表大量级突变沉陷形变在传统InSAR监测中的问题及对矿震灾害的监测，进行了一系列的实验分析。2014 年，陈炳乾等[7]利用 D-InSAR对陕西省大柳塔矿进行开采沉陷监测，并将监测结果与支持向量回归算法(SVR)相结合进行开采沉陷动态预计；2016年，郭山川等[8]对黄土高原矿区使用D-InSAR技术监测其复杂剧烈的动态的地表

形变。

基于此，本文阐述和分析了双轨D-InSAR获取地表形变信息的基本原理及基于GAMMA雷达数据处理软件的数据处理流程，选取2景2004-12-26—2005-01-30覆盖济宁矿区的C波段的ENVISAT ASAR作为干涉对，外部DEM选为SRTM3 DEM，基于GAMMA软件进行双轨差分干涉处理，将得到的沉降图经过地理编码后导入 ArcGIS 软件中与其它空间信息进行叠加来分析矿区地面沉降。首先对试验区所在的整景图像进行差分干涉处理，得到D-InSAR 一系列结果图(差分干涉图、增强后的差分干涉图、相位解缠图、沉降图等)。然后选取沉降较为明显的葛亭矿区在该时间段内的开采沉降进行精细化监测研究，得到葛亭矿区的沉降量、沉降位置和分布等信息，并结合GIS软件叠加数字正射影像图 DOM、开采平面图和矿区边界图等进行空间分析，以沉降剖面图进行显示，直观、清晰地显示出矿区地面沉降的位置和范围。

1 双轨D-InSAR基本原理及数据处理流程

根据地形信息去除方法的不同，D-InSAR 测量地表形变的方法主要包括：双轨法、三轨法和四轨法。本文在已获得外部 DEM 的基础上，使用双轨法对所选数据进行差分干涉处理。其基本思想是利用试验区地表变化前后的两幅SAR影像经过配准、重采样和干涉处理生成干涉条纹图，再利用已有的DEM数据模拟地形相位，从干涉图中去除模拟的地形相位得到差分干涉图，对差分干涉图进行滤波、相位解缠处理，然后进行相高转换，即可得到地表形变图。图1所示为双轨法几何原理示意图[9]。

图中，S1和S2分别表示主辅影像传感器位置，P表示地面目标点，假设SAR卫星两次过境时，地面在SAR卫星视线向(Line of Sihgt，LOS)上发生Δr的形