朱煜峰， 張 明， 臧德彥， 魯鐵定

(東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室, 江西 南昌 330013)

D-InSAR技術(shù)在相山鈾礦山沉降監(jiān)測中的應(yīng)用分析

朱煜峰， 張 明， 臧德彥， 魯鐵定

(東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室, 江西 南昌 330013)

針對目前熱門的D-InSAR高效率監(jiān)測手段，對收集到的相山鈾礦山ALOS PALSAR的L波段衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用二軌法進(jìn)行差分處理，得到礦區(qū)沉降信息并進(jìn)行分析。實驗結(jié)果表明，D-InSAR技術(shù)克服了傳統(tǒng)的監(jiān)測手段困難的問題，能夠獲取該礦區(qū)地表面狀的形變場，大大提高傳統(tǒng)監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。

D-InSAR技術(shù)；二軌法；礦區(qū)沉降；沉降面積

朱煜峰，張明，臧德彥，等.2017. D-InSAR技術(shù)在相山鈾礦山沉降監(jiān)測中的應(yīng)用分析[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，40(3)：297-300.

Zhu Yu-feng, Zhang Ming,Zang De-yan, et al.2017. Analysis of surface subsidence monitoring in Xiangshan uranium mine area based on d-insar technology [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 40(3):297-300.

采礦引起地面沉降和塌陷是礦山開采地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的一種破壞災(zāi)害，也是我國最重要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。采空區(qū)地面沉陷不僅毀壞各種建筑、工程、水利、交通設(shè)施和農(nóng)田，而且威脅人民生命財產(chǎn)安全，已成為影響和制約工礦城市可持續(xù)發(fā)展的主要因數(shù)。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(簡稱D-InSAR)是近年來遙感技術(shù)中的一種新興監(jiān)測地表形變的手段(尹宏杰等，2011；黃寶偉等，2012)，主要采用微波波段對地表進(jìn)行監(jiān)測，該技術(shù)能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行全天候、無接觸式、面狀的、快速且準(zhǔn)確的、厘米甚至毫米級的監(jiān)測(Usai et al.,1999,2003)。

為了驗證相山鈾礦山在開采過程中地表沉降量及穩(wěn)定性，本研究收集了兩景不同時間段的日本ALOS衛(wèi)星PALSAR傳感器下的微波L波段的相山鈾礦山開采區(qū)域雷達(dá)影像數(shù)據(jù)。L波段獨有的長波段具有穿透能力強的特性，對相山鈾礦山的地表植被具有一定的穿透能力。實驗結(jié)果驗證了D-InSAR技術(shù)在相山鈾礦山地表沉降監(jiān)測的可行性。

1 D-InSAR技術(shù)基本原理

D-InSAR 是以InSAR技術(shù)為基礎(chǔ)而引申出來的技術(shù)，該技術(shù)在不考慮大氣延遲效應(yīng)和各種隨機噪聲等因素前提下，對研究區(qū)域不同時間段的兩景處理后的干涉條紋圖進(jìn)行差分，再從原始干涉圖中進(jìn)行去平地相位信息，保留高程相位信息，從相位信息中提取形變信息(Ferretti et al.，2000,2001)。

1.1 二軌法基本原理

D-InSAR利用衛(wèi)星加載的雷達(dá)傳感器而獲取的相同區(qū)域的不同時間段兩景SAR影像中的DEM相位信息獲取地表形變量的監(jiān)測手段(圖1)。SAR雷達(dá)影像的干涉相位可表示為：

φint=φflat+φtop+φdef+φatm+φorb+φnot

(1)

式中，φfalt為平地效應(yīng)相位信息(地球曲面引起)；φtop為地形相位(地形起伏引起)；φdef為形變相位(地表形變引起)；φorb為誤差相位(軌道誤差引起)；φatm為延遲相位(大氣效應(yīng)引起)；φnoi為噪聲相位(影像數(shù)據(jù)處理流程中產(chǎn)生的誤差、熱噪聲引起)。

為獲取高程形變相位信息，需將除形變相位信息以外的其他相位信息去除。式(1)平地效應(yīng)相位可通過基線估計方法得出；軌道誤差相位一般可通過精密軌道數(shù)據(jù)來進(jìn)行改正，或通過多項式擬合方法剔除；噪聲相位和大氣延遲相位信息，一般可通過濾波的方法、外部加載數(shù)據(jù)等方法進(jìn)行減弱或剔除；地形相位信息，主要有二軌法(通過已有的外部DEM數(shù)據(jù))、三軌法和四軌法(外部加載其他影像數(shù)據(jù))將其剔除(Berandino et al.，2002)。按上述方法將其他相位信息剔除后，形變相位信息φdef可表示如下：

(2)

φdef=2π，形變模糊度可求：

(3)

形變量可根據(jù)相位的變化來確定，即形變量一個周期為電磁波波長的一半。本研究采用的日本ALOS衛(wèi)星，PALSAR傳感器為L波段，波長較長，求出的形變模糊度為0.118 m。因此，L波段的數(shù)據(jù)能相對分析出梯度較大的形變。

圖1 D-InSAR技術(shù)(二軌法)基本原理圖Fig.1 The D-InSAR basic principle diagram

1.2 二軌法處理流程

二軌法差分干涉處理的流程見圖2。

2 實驗研究

2.1 實驗數(shù)據(jù)

為驗證D-InSAR技術(shù)在相山鈾礦山沉降監(jiān)測的可行性，本研究收集了2景覆蓋相山鈾礦山的日本ALOS衛(wèi)星PALSAR傳感器獲取的L波段的SAR數(shù)據(jù)，礦體SAR各影像的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。為確定沉降詳細(xì)地理位置，本研究另收集了該礦區(qū)控制網(wǎng)分布圖(圖3)。收集礦區(qū)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)可采用常規(guī)測量手段(如水準(zhǔn)測量)來驗證D-InSAR技術(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。從表1中可以看出，采用空間垂直基線為198 m的小基線，能提高差分過程中的相干性目的。

圖2 二軌法技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Two-trail method technical processing flow chart

主影像獲取時間副影像獲取時間傳感器模式時間間隔/d垂直基線/m2007年12月15日2010年3月22日ALOSPALSARFBS828-198

注：上表中的FBS模式為精細(xì)波束單極化方式；垂直基線距離為空間基線兩幅影像獲取過程中衛(wèi)星在兩個時間段的垂直距離。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對相山鈾礦山的2景SAR影像數(shù)據(jù)，采用D-InSAR方法進(jìn)行差分干涉處理，本研究選用GAMMA商用雷達(dá)干涉處理軟件對鈾礦山進(jìn)行SAR數(shù)據(jù)處理，處理過程采用“二軌”法差分干涉處理生成。合理選擇高相干點，通過選取的高相干點來建立線性形變速率構(gòu)建形變方程組，求解不同時間段的累積形變量(Lanri et al.,2004)。將研究區(qū)域的差分干涉圖通過相位解纏及地理編碼過程后，重新生成新的差分干涉圖(圖4)。

圖4中，白色封閉區(qū)域為主要開采礦點所在區(qū)域。相山鈾礦山在SAR數(shù)據(jù)獲取的2007年至2010年時間段內(nèi)，由于開采導(dǎo)致的地表沉降面積和沉降量總體變化不大，開采區(qū)域明顯沉降主要為C007和C008兩個區(qū)域?？傮w兩個區(qū)域累積沉降量和沉降面積較小，分析可得該區(qū)域由于開采導(dǎo)致的沉降速率緩慢。該研究通過D-InSAR方法獲得的數(shù)據(jù)對C007和C008兩個區(qū)域統(tǒng)計了累積沉降面積(表2)。

圖3 相山鈾礦山等級控制點分布圖Fig.3 Xiangshan uranium mines different levels control points distribution

圖4 相山鈾礦山沉降信息圖Fig.4 Xiangshan uranium mines settlement information graph

沉降區(qū)域沉降面積/m2沉降量>0．1m沉降量>0．2m沉降量>0．3m沉降量>0．4mC0071534295138056C00873569216551874813156

2.3 沉降結(jié)果分析

從圖4沉降結(jié)果確定，該礦區(qū)主要沉降區(qū)域C007位于圖3中礦區(qū)點鄒家山C007GPS控制點區(qū)域附近。為驗證D-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果，將D-InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果與到礦區(qū)地表監(jiān)測的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過近似處理內(nèi)插得到監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。該礦區(qū)C007附近水準(zhǔn)點分布如圖5所示，沿著工作面走向LL′ 方向共有5個水準(zhǔn)點、傾向TT′方向共有4個水準(zhǔn)點。表3 為D-InSAR技術(shù)監(jiān)測值與水準(zhǔn)測量值的比較結(jié)果。

表3 兩種方法監(jiān)測結(jié)果對比

圖5 C007沉降區(qū)實測水準(zhǔn)點分布圖Fig.5 C007 Distribution map of measured level point in Subsidence area

從表3可以看出，2種監(jiān)測手段的最大誤差出現(xiàn)在工作面傾向上為8.9 mm，而工作面走向上兩者的最大誤差僅達(dá)到10.5 mm，傾向和走向的誤差均在毫米級。

3 結(jié)論

本研究利用差分雷達(dá)干涉測量技術(shù)(D-InSAR)，影像數(shù)據(jù)使用日本PALSAR傳感器L波段相山鈾礦山SAR數(shù)據(jù)對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；為驗證本次D-InSAR實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，加入了常規(guī)水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的對比，實驗結(jié)果表明，D-InSAR技術(shù)能有效獲取該鈾礦山的地表沉降沉降量及沉降面積。結(jié)果驗證D-InSAR技術(shù)能較好的彌補常規(guī)監(jiān)測方法及提高監(jiān)測效率。由于本實驗利用的數(shù)據(jù)量有限，得到的沉降信息結(jié)果還具有一定的偏差，兩影像之間整體相干性效果不是很強，相位解纏的過程也存在少量偏差，這在一定程度上影響了形變的反演精度。由于相山鈾礦山研究區(qū)域面積不大，數(shù)據(jù)分析過程中沒考慮大氣誤差對干涉效果的影響。這些都是后續(xù)提高D-InSAR監(jiān)測精度需注意的問題。

黃寶偉，宋小剛，王振杰，等.2012.基于D-InSAR技術(shù)的葛亭地面沉降監(jiān)測研究[J].工程勘察.(4):55-60.

尹宏杰，朱建軍，李志偉，等.2011.基于SBAS的礦區(qū)形變監(jiān)測研究[J].測繪學(xué)報.40(1):52-58.

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AnalysisofSurfaceSubsidenceMonitoringinXiangShanUraniumMineAreaBasedonD-InSARTechnology

ZHU Yu-feng, ZHANG Ming, ZANG De-yan, LU Tie-ding

(Fundamental Science on Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory，East China University of Technology，Nanchang, JX 330013,China)

Nowadays D-InSAR is an efficient monitoring means in popular. Ttwo-rail method is adopted to improve the differenceused for the collected on XiangShan uranium mines ALOS PALSAR l-band satellite image datas.And then analysis the mining subsidence information. Experimental results on concluded that: D-InSAR technology overcome the traditional monitoring methods by difficult problems.It can obtain the mining area ground surface deformation field, greatly improving the efficiency and accuracy of the traditional monitoring.

D-InSAR technology;two-trail method;mine subsidence;subsidence area

T017

A

1674-3504(2017)03-0297-04

2017-01-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(41464001)；江西省自然科學(xué)基金資助項目(2012ZBAB216001、20151BAB203042);江西省教育廳科技研究資助項目(GJJ14489);東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室資助項目(RGET1317)

朱煜峰 (1981—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事礦山測量教學(xué)科研工作。E-mail: yfzhu@ecit.cn

10.3969/j.issn.1674-3504.2017.03.013