多基线距DInSAR反演河南省永城煤矿区地表形变

赵鸿燕，魏也纳，戴立乾

(河南省国土资源科学研究院，河南 郑州 450053)

多基线距DInSAR反演河南省永城煤矿区地表形变

赵鸿燕，魏也纳，戴立乾

(河南省国土资源科学研究院，河南 郑州 450053)

永城是河南省重要的煤炭生产基地，煤矿开采后形成的塌陷区中有70%以上是耕地，已严重威胁到当地居民的生产生活秩序以及生命财产安全，迫切需要采用快速高效的技术手段获取塌陷区的信息来为相关部门提供决策依据;研究中选用2004～2006年的6景ASAR数据，采用基于相干目标的多基线距DInSAR技术对河南永城煤矿区的地表形变进行反演;研究中采用的地表形变反演技术克服了传统DInSAR技术失相干的问题，反演得出的地表形变的范围和程度与调查结果相吻合，表明该项技术具有很强的实用性和推广性;最后分析反演误差产生的原因并提出今后可采用L波段以及多平台联合监测来提高煤矿区地表形变的精度。

DInSAR;河南省永城;煤矿区;地表形变;相干目标

0 引言

永城煤矿是河南省重要的煤炭生产基地，包括陈四楼、城郊、新桥、车集和葛店五个煤田，煤炭资源开采引起大范围的地面塌陷，据有关资料和测算［1］，永城万吨塌陷率高达0.457ha，全部井田开采完将形成515km2塌陷区，其中70%以上是耕地，地面多次反复沉陷使环境严重恶化，威胁到矿区居民财产和生命安全，地面塌陷成为永城煤矿区最突出的环境地质问题，在此开展地表形变研究具有重要意义。

1 煤矿开采区沉降监测技术方法

煤炭资源地下开采使开采区的地形地貌发生了变化，也导致了土地利用和覆被的明显变化，这些变化成为分析地表形变的重要依据。目前地表形变监测主要技术方法有:(1)设观测站定点、定时监测;(2)利用遥感影像上沉陷和塌陷区域光谱和纹理的变化确定;(3)通过INSAR技术、立体像对等获取不同时间的DEM并根据DEM变化来确定。

1.1 GPS沉降监测技术

GPS观测站定位精度高，操作简便并可全天候作业，是一种传统的地表形变的监测方法［3-6］。河南省于2007年采用GPS技术进行主要煤矿沉陷区现状调查，在永城煤矿沉陷区调查除布设四等 GPS控制网作为首级平面控制外，又做了一级导线作为加密控制网［2］。尽管利用GPS并结合电子测距等手段可以取得较高的精度，但存在外业工作量大、费时、费用高以及基准点的稳定性、垂向精度较低等问题。

1.2 遥感技术监测煤矿区地表形变

遥感影像能够真实地反映地物的分布情况，现有研究中有利用 MSS、TM/ETM及 CBERS-2或ASTER数据来分析地面塌陷积水的动态信息［7］以及利用立体像对获取不同时期的DEM并根据DEM变化提取塌陷区范围及塌陷程度［8］，高分辨率的IKONOS影像也可识别出塌陷坑、沉陷区和地裂缝［9］，煤矿区塌陷积水区中往往含有大量煤粉，导致水体与煤难以区分，有研究人员采用DN值法［10］、拟合归一化［11］、NDVI［12］等方法进行煤矿区水体与煤的区分。利用光学数据可监测煤矿区开采引起的地表变化，但数据获取受天气影响使其有一定局限性。

1.3 DInSAR技术监测煤矿区地表形变

DInSAR作为一种新的沉陷监测技术，有常规监测手段无法替代的优势。有研究人员对DInSAR技术监测煤矿区开采沉陷技术［13-14］进行研究，也有学者对具体煤矿区进行研究，如获取山西潞安矿区地表沉陷区位置和分布范围［15］，对陕北神木煤矿2004年的煤矿塌陷区自动定位［16］，吴立新在对美国、德国、波兰的研究实例分析，对我国采用这项技术拟解决的关键问题进行阐述［17］。DInSAR技术具有全天候监测，覆盖范围广，地面沉降的精度可达到厘米级甚至更高等优势，但监测时需要尽量克服相干性的限制，减少处理过程中的误差，突破相位解缠的障碍，还要考虑费用、频率等因素［18］。

通过分析，现有的地表形变主要监测方法虽然取得一定的效果，但存在不同程度的局限性:GPS监测存在外业工作量大、费时、费用高垂向精度较低等问题;光学数据受天气影响在应用上有一定局限性;DInSAR对于时间基线较长的干涉像对，无论是干涉图质量还是相位解缠精度都难以满足实际应用要求。

2 永城煤矿区DInSAR监测

2.1 采用技术方法

通过充分认识现有煤矿监测技术方法的特点，结合永城煤矿区实际情况分析认为:永城煤矿区现有GPS监测点局限于某个开采面上，不能满足煤矿区地表形变监测的要求;多光谱影像受天气影响，对于形变并产生积水的地区容易识别，但对于缓慢形变的地区难以识别;因此煤矿区地表形变监测选择采用DInSAR技术进行分析。

传统DInSAR技术存在去相干(时间去相干和基线去相干)问题，但近来研究发现，长时间序列的DInSAR在时间范围内仍存在相位和幅度变化稳定的点，称之为高相干点，利用这些稳定点上的相位特征，实现大气效应贡献的消除，能获得地表形变信息，研究中采用基于高相干点的DInSAR技术，在保证足够相干点的条件下，基线距增大，增加干涉图数量，从而保证监测的精度［19］，监测技术流程见图1。

2.2 地表形变反演

根据煤矿区实际情况，研究区选在地表形变比较严重的陈四楼和城郊矿区，采用 20040215-20060219 6景ENVISAT ASAR数据，时间均为冬季，时间基线最大为735d，垂直基线最大为436m，研究区的水体较少，居民点和煤矿区分布比较密集，相干性在客观条件上较好。为了保证地物相干性，在组合干涉像对时限定时间基线小于5年，垂直基线小于300m，组合成11个干涉像对(表1)。

图1 地表形变监测技术流程Fig.1 Monitoring process of surface deformation

表1 ASAR数据的干涉像对组合Table 1 Interference ASAR image pairs

地表形变序列提取采用中国遥感卫星地面站自主研发的INSAR处理平台-CAESAR-XINSAR软件。首先对这些图像精配准，生成11幅复相干图，获取相干系数图和相位图。为恢复地表真实干涉相位，参考Delft大学提供有精确的ERS和ASAR的轨道参数生成平地相位。考虑到永城煤矿区地势平坦，海拔高程为31～36m，且垂直基线距较小，没有去除地形相位，地形相位保存在差分干涉图中［20］，通过高相干点提取、建立Delaunay三角网和复杂网络，获取高相干点的形变速率，通过定标插值，获取20040215～20060219之间的11个形变序列。为便于同研究资料对比，选取11个形变序列(图2)进行分析。

图2 20040215～20060219地表形变速率Fig.2 Surface deformation rate from Feb.15，2004 to Feb.19，2006

据图2，煤矿区2004～2006年间地表形变非常明显，大部分高相干点的年均沉降速率在-100mm～60mm，在位于曹庄、秦庄、吕庄等地的高相干点的年均沉降速率达到-1000mm～-100mm。

利用EasyKrig软件对20040215～20060219的沉降序列插值，反演出地表形变结果(图3)。

图3 20040215-20060219地表形变反演结果Fig.3 The inversion results of surface deformation from Feb.15，2004 to Feb.19，2006

3 监测结果对比分析

在2007年永城煤矿区沉陷调查中，采用1977年1:5000地形图与2006年GPS实测获取的1:5000地形图对比分析后得出永城调查区地面沉陷情况(图4)。从图4可以看出，调查区包括永城陈四楼煤矿与城郊煤矿一部分，在监测区内形成了三个沉降中心，曹庄、秦庄和庄徐庄，其中曹庄地面沉陷最为严重，达2m以上，其它两个的沉降中心在 1.5～2m。陈四楼煤矿1997年11月正式投产，2001年以后煤炭产量才逐年递增;城郊煤矿2003年10月正式投产。因此，尽管调查结果为1977～2006年沉陷结果，与2004～2006年地表形变反演结果与其仍具可比性。

通过图4可以看出，反演结果与调查结果所显示的沉降趋势与沉降中心一致，反演得出的沉降值略大于实际调查结果。

图4 调查调查结果与反演结果对比(调查结果据张洪升等，2007)Fig.4 Comparison between inversion results and survey result(survey result by Zhang hongsheng et al.，2007)

4 结论与讨论

(1)采用基于高相干点的多基线距DInSAR地表形变反演获取地表形变范围与程度与现有调查结果一致，该方法用于煤矿地表形变反演是可行有效的。

(2)仅用6景分辨率较低ASAR数据，去除噪声和大气相位影响存在不足;塌陷发生的突然、迅速也导致部分去相干;实际调查中监测点分布不均匀，这些原因使反演结果与调查结果存在一定误差。

(3)今后煤矿区地表形变反演除采用高分辨率的SAR数据外，还可考虑利用L波段减小时间去相干的影响，利用多平台的联合监测来提高监测精度。

致谢:地表形变反演由中国科学院中国遥感卫星地面站吴宏安博士完成，笔者致以热忱谢意。

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Surface deformation from 2004 to 2006 on Yongcheng Coal Mining Area by Multibaseline DInSAR in Henan Province

ZHAO Hong-yan，WEI Ye-na，DAI Li-qian
(Henan Academy of Land and Resources Sciences，Zhengzhou 450053，China)

Yongcheng is an important coal production base of Henan Province.More than 70%of the coal mining subsidence area is cultivated land.This kind of circumstance has threatened the local residents severely in local production，life and property，so it becomes an urgent problem to be solved to adopt fast and efficient technological means to obtain the information of subsidence area used to help the relevant departments to make decision;This paper selected six ASAR images between 2004 and 2006 to inverse the surface deformation of Yongcheng coal mining area in Henan province by Multibaseline DInSAR.The Inversion results are in accordance with survey results through comparison and analysis in the paper，and the study shows that inversion technology of Surface Deformation by Multibaseline DInSAR has a strong practical and generalization;Finally，it analyses the causes of errors and advise using L-band and multi-platform joint monitoring technique to improve the monitoring precision.

differential InSAR;Yongcheng Coal Mining in Henam Province area;durface deformation;CT(Coherent Target)

1003-8035(2010)04-0091-04

TP79;TD82

A

2010-06-18;

2010-08-26

河南省国土资源厅科技攻关项目“矿业开发与矿山地质环境遥感监测技术研究”((2006)26421)

赵鸿燕(1972—)，女，山西绛县人，硕士，工程师，研究方向为3S技术应用与研究。

E-mail:zhy981229@sohu.com