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D-InSAR双轨法进行矿区地表沉降监测的应用研究

1 概述 矿产资源过度开采会造成地质环境破坏甚至引发地质灾害, 如采空区地面塌陷、地裂缝、滑坡和泥石流等, 对矿区人民的生命财产造成了严重的威胁[1]。因此, 有必要利用先进的技术进行监测和控制矿区地表沉降引起的破坏, 从而保证矿区及矿区附近地区的安...

作者:解 冬,张 锋来源:2014测绘学|2015年01月04日

1 概述

矿产资源过度开采会造成地质环境破坏甚至引发地质灾害, 如采空区地面塌陷、地裂缝、滑坡和泥石流等, 对矿区人民的生命财产造成了严重的威胁[1]。因此, 有必要利用先进的技术进行监测和控制矿区地表沉降引起的破坏, 从而保证矿区及矿区附近地区的安全和稳定发展。

差分合成孔径雷达干涉测量(D-InSAR)是根据合成孔径雷达卫星图像的干涉处理而发展起来的一门新技术。该技术起源于20世纪50年代初的SAR技术.20世纪60 年代末, 在SAR 技术的基础上发展了InSAR技术, 并在地震、火山、滑坡等的变形监测中得到初步应用[2]。80年代后期,Gabriel 等[3] 首次论证了差分干涉测量技术可用于探测厘米级的地表形变。Wegm 等[4]利用D-InSAR对德国Ruhrgebiet 地区地面沉降进行研究, 获取了因采矿而导致的地表沉降信息。吴立新等[5] 利用多时相D-InSAR 结合角反射器方法进行了工矿区地表沉降监测。

 

2 雷达干涉测量基本原理

合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR,Interferometry Synthetic Aperture Radar)是一门根据复雷达图像的相位数据来提取地面目标三维空间信息的技术,其基本思想是:利用两副天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像,获取同一区域的复雷达图像对,由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等,使得在复雷达图像对同名象点之间产生相位差,形成干涉纹图,干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值,根据两次成像相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系,利用飞行轨道的参数,即可测定地面目标的三维坐标,它可以用来提供大范围的高精度数字高程模型(DEM)[6]

差分合成孔径雷达干涉测量技术(D-InSAR, Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar)是以雷达干涉测量为出发点, 通过星载或机载的雷达天线( 单天线或双天线) 主动向地面目标发射电磁波, 并接收地面目标的后向散射回波, 同时记录各自回波的相位信息。由于在所获取的相位信息中, 含有大气延迟、轨道误差、平地效应、地形起伏、目标两次成像过程中的微小形变及噪声信息, 因此, D-InSAR 的处理过程就是通过外部DEM(双轨法) 或其它干涉影像对获取的相位(三轨法) 进行差分处理, 以便去除无用相位信息而获取形变相位的一个过程[7]

D-InSAR双轨法是由Massonnet等[8]首先提出的,它是利用矿区地表变化前后的两幅SAR图像生成干涉条纹图,再利用已经获取的DEM数据来模拟地形相位的条纹图,从干涉条纹图中去除地形信息,从而得到求解的地表形变信息,地表形变公式表示为[9]:

 

其中为试验区地表变化前后两幅SAR图像生成的干涉相位, 为DEM数据的模拟地形相位,即为所要求解的地表形变信息。其几何关系如图1所示

 

图1 几何关系图

3 雷达数据的处理

3.1 D-inSAR双轨法处理流程

D-inSAR双轨法是利用实验区地表变化前后两幅影像生成干涉图, 再利用事先获取的DEM, 从干涉图中去除地形信息,经过滤波与相干性计算、相位解缠、轨道精炼与重去平、相位转形变与地理编码就得到地表沉降信息。

 

2 双轨法差分干涉测量处理流程

3.2 数据选取

本次实验将采用双轨法对2 景覆盖青海省西宁某矿区的TerraSAR-X1数据进行差分干涉处理, 并对实验处理结果进行讨论和分析。

DEM数据:采用航测格网间距:1.0m×1.0m,高程精度为1m的高精度DEM。

雷达数据:TerraSAR-X数据,成像模式StripMap,空间分辨率3m,极化VV。

 

表1 影像及相关处理参数

影像

观测时间

距离向偏移

方位向偏移

高度模糊度

时间基线

主影像

2013年12月

-0.426

(pixels)

0.060

(pixels)

27.315

(m)

55

(天)

从影像

2014年2月

 

3.3 差分干涉处理结果分析

由于时间基线较短,干涉像对的相干性较高,处理过程中能够获得比较明显的矿区地表沉陷的干涉纹图。

 

 

图2 滤波前干涉图(局部)

图3 滤波后干涉图(局部)

 

对干涉图进行滤波(图2、图3)与相干性计算,去掉由平地干涉引起的相位噪声,并可以得到相干性图像(图4)。相干性图像去除了系统性空间相关与主从相对的相关性,并在相位解缠之前确定干涉相位的质量。

 

 

图4 相干性图(局部)

图5 相位解缠图(局部)

 

根据相干性高低,将差分干涉结果进行相位解缠,得到解缠相位,进而将其转换成地表沉陷结果。图5所示为相位解缠结果,图6所示为经过雷达视线向到高程向转换,并进行了地理编码后得到的地表沉陷图。

 

图6地理编码后的形变图

 

从图6可以看出, 通过D-InSAR方法能监测到在垂直方向厘米级的垂直变形, 即在2013年12月至2014年2月期间, 图像区域发生的垂直变形为厘米级, 形变量最大达4.9cm。在出现沉陷的背景下,大部分区域均出现类似子地表沉陷的情况,区域的沉降值趋于相同,为2cm一3cm。实际上矿区地表沉陷不可能有如此大面积的情况。分析认为这种现象可能是由大气波动引起的相位延迟和DEM误差的共同作用对差分测量结果的影响。由于缺乏实地观测资料,无法对大气波动引起得相位延迟进行校正,因而,还无法得到真实准确的地表下沉结果,需要结合实际资料,近一步验证。尽管如此,矿区范围内的沉陷情况依然非常明显。

 

4 结论

本文采用两期德国TerraSAR-X雷达卫星数据为数据源,对青海省某矿区进行了基于D-InSAR的两轨法差分干涉测量,试验的结果证实了使用两轨法差分干涉测量对矿区地表形变监测的可行性。

但是, 常规D-InSAR 的形变监测精度和可靠性主要受到几个不确定性因素的影响, 这包括轨道数据误差, 相位解缠误差, 时间与空间失相关等引入的相位噪声和大气时空变化引入的延迟相位等[10]。因此,对于地表沉降这种缓慢累积形变监测来说,应该建立长期的监测机制,掌握更精确的数据,防患于未然。

 

参考文献

[1]尹宏杰,朱建军,等.基于SBAS 的矿区形变监测研究[J].测绘学报2011.(01). 52-57;

[2]张永志,罗凌燕,等.三轨法DInSAR观测确定区域的垂直变形[J].地震研究, 2006.(03).281-285;

[3] Gabriel A K, Goldstein R M, Zebker H A. MappingSmall ElevationChanges Over Large Areas: Differential Radar Interferometry [J].JournalofGeophysicalResearch.1989,94(B7):9183-9191.

[4] Wegm U, Strozzi T , Werner C, et al. Monitoring ofmining-Induced Surface Deformation in the Ruhrgebiet(Germany) with SAR Interferometry[C] MIGARSS’ 00,Honolulu, USA, 2000.

[5] 吴立新, 高均海, 葛大庆, 等. 基于D- InSAR 的煤矿区开采沉降遥感监测技术分析[J] . 地理学与国土研究, 2004, 20(2) : 22- 25.

[6]麦永耀. 合成孔径雷达干涉测量InSAR 原理及其应用[J]. 科教文汇,2007.(10). 213-214.

[7] 余景波, 刘国林, 曹振坦.差分干涉测量(D-InSAR) 技术在矿区地面沉降监测中的应用[J].全球定位系,2010(05).54-61.

[8] Massonnet D., Rossi M., Carmona C., et al.The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry[J]Nature, 1993,364:138-142.

[9] 张学东,肖斌,李金平D-InSAR监测煤矿区采动地表移动变形规律研[J].矿山测量,2003(12).36-40.

[10] 胡波. 胡 波, 蒋 弥, 等,D-InSAR三轨法监测城市地表沉降的研究[J].测绘工程,2009(4).46-51.

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