基于DInSAR的徐州张双楼煤矿地表形变监测研究

陆燕燕，何 敏，何秀凤

（河海大学 卫星及空间信息应用研究所，江苏 南京 210098）

我国煤矿资源丰富，煤矿的开采和利用，在产生巨大经济和社会效益的同时，也造成了大规模的地表沉降［1］。徐州作为我国重要的煤矿产地，近几年由于煤炭资源的开采以及地下水的过度抽取，已造成不同程度的地表沉降。徐州张双楼煤矿是徐州重要的煤矿产地之一，位于徐州市西北的沛县境内，地理坐标为116°46′～116°53′E，34°46′～34°51′N，该矿井田面积约34km2，矿区地形平坦，地势西高东低。1979年1月开工建设，1986年12月投入生产，矿井原设计年生产能力120万t，到目前为止核定年生产能力为225万t，是徐州矿务集团的主力矿井之一。经过30多年的开采，张双楼煤矿区及其周围发生了不同程度的地表形变、民房开裂、路表塌陷、矿区局部地震等地质灾害问题，严重影响了当地居民的生活，阻碍当地经济的发展。因此，急需采取适当的方法对张双楼煤矿地面形变灾害进行监测、治理和修复。

传统的矿区地表沉降监测方法主要有水准测量和GPS测量，这两种方法都属于基于点的监测，其离散点监测信息只能获取空间离散点形变。对于矿区大面积微小形变监测而言，需要布设数量庞大的监测点，因而作业成本高，变形监测工作量大，观测周期长，观测结果也只反映了测站点的形变量，难以得到大范围内的整体形变结果。相比较而言，合成孔径雷达差分干涉测量（DInSAR）作为一种新型的空间对地观测技术，具有高精度（毫米至厘米级）、高分辨率（数十米）［2］、低成本、全天候、全天时等独特优点，且能够对研究区域进行大尺度连续覆盖的面状观测，这使其在煤矿区地表形变的监测中具有巨大的优势，无疑将成为一种未来煤矿区地面沉陷监测极具潜力的空间对地观测技术。

本文采用DInSAR技术对徐州张双楼煤矿地区的地表沉降进行监测，实验数据为2011－01－16和2011－03－03获得的两景ALOS PALSAR影像。在数据处理过程中，采用DInSAR中的两轨法，其中忽略大气效应对试验结果的影响，并采用SRTM DEM去除地形相位。

1 利用D－InSAR两轨法监测矿区的基本原理

DInSAR的监测矿区基本原理是利用卫星在形变前后对同一矿区分别成像，对两景图像进行干涉处理，得到包含地形相位和形变相位的干涉图，再利用已知的该地区的DEM，基于已有的成像参数模型模拟干涉纹图，从而达到消除地形因素的效果［3］。DInSAR得到的相位可以用以下公式表示：式中：φflat为地球曲面引起的平地效应相位，采用精密轨道数据可以去除；φtopo为地形起伏引起的地形相位，利用已知的DEM反演模拟地形相位消除；φatm为大气延迟相位，φnosie为噪声相位，这两项可以通过滤波的方法给予削弱或去除；φdef为地表形变相位。图1为两轨法DInSAR的数据流程图。

图1 两轨法DInSAR流程图

在两轨法DInSAR数据处理中，地形相位的去除对形变的结果影响较大，因此，获得高精度的DEM至关重要。SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）DEM数据由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量，获取北纬60°至南纬60°之间总面积超过1.19亿km2的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面［4］。本文采用的SRTM3是SRTM DEM的产品之一，标称的绝对高程精度是±16m，相对高程精度是10m，标称的绝对平面精度是±20m，相对平面精度是15m［5－6］，目前中国地区获得的SRTM3的分辨率是90m。

2 实验结果及分析

本文选取了2011－03－03和2011－01－16获取的两景ALOS PALSAR的影像进行差分干涉。为了更好地考察46d间张双楼矿区采矿引起的地表变化，截取了张双楼煤矿所在区域为研究对象，此区域包含七堡村、八堡村、陈庄、卓庄、南张庄及后周甲在内的十多个村庄。图2所示的矩形区域即为此次实验所截取的区域，试验区域面积约为6.089×8.238km2。表1为所选用的SAR影像的基本参数，46d的时间基线以及480m的垂直基线保证了图像的良好相干性，从图3中可以得出试验区域80%以上的区域相干值大于0.5，符合差分干涉测量的要求。

图2 实验区域强度图

图3 相干系数图

表1 SAR影像数据资料

本次实验中忽略大气延迟的影响，主要原因有：①由表1的SAR数据获取时间，查阅这一时期徐州地区的气象资料显示选取的这两景数据时间段内，徐州地区气候干燥、少降雨、空气清新、大气能见度高、天气以晴好为主；②本文的研究区域较小，为6.089×8.238km2，在这么小的范围内大气状态一般不会发生较大的变化。

两幅图像经过配准、重采样、干涉处理后得到的干涉相位图如图4所示。此时的干涉相位包括噪声相位、参考面相位、地形相位、形变相位。假定本次试验数据处理过程足够精确，可忽略噪声相位的影响；采用轨道数据和干涉条纹频率相结合的方法估计基线，并根据成像几何，反演并去除参考面相位。

图4 未去除地形相位干涉图

为了消除干涉相位中地形相位的影响，利用SRTM DEM来反演地形相位，通过两轨差分法来消除［7］。本次实验中忽略了DEM误差引入的相位误差，这是因为本文使用的干涉对的垂直基线为480m，SRTM DEM的相对高程误差为10m，由高程模糊度可知，由DEM误差引入的误差相位达1/10个干涉条纹周期，即1.18cm。一般煤矿短时间内沉降会达到几十到上百厘米，再加上实验区地势平坦（见图5），所以地形误差不会影响矿区沉降监测［8］。

图5 研究区域SRTM DEM（单位：m）

经过一系列精细的差分处理后得到形变图（见图6），从图6中可以看出，从2011－01－16到2011－03－03共46d的时间跨度内，实验区有3处发生明显的沉降，这3处区域分别位于七堡村、卓庄和后周甲村，此3处区域均位于张双楼矿区内，其分布与张双楼矿井的分布一致。其中，七堡村地区干涉条纹明显，沉降量较大，发生约420mm的形变量，形变面积约为0.49km2。其余两处位于矿区附近的卓庄以及后周甲村附近，卓庄附近发生了约为95mm的沉降，沉降面积约为0.243km2，后周甲村发生约为92mm的沉降量，形变面积约为0.245km2。

图6 形变图（单位：m）

通过分析实验沉降结果，查阅张双楼矿区近几年煤矿开采情况以及矿区地质构造等相关资料，得出张双楼矿区是采空区塌陷的易发区［9］。由此推断张双楼矿区发生沉降的主要原因是由于矿区长期的开采，形成了大量的采空区，由于采空区的顶板坍塌以及煤柱破坏造成地表沉降导致这3处的沉降。

3 结束语

本文以徐州张双楼矿区为研究区域，利用DIn－SAR两轨法监测张双楼煤矿及其附近地区的沉降情况，获得了张双楼矿区的地表形变结果。结果表明，2011－01－16到2011－03－03期 间，张 双 楼 矿 区 共出现3处沉降漏斗区域，漏斗中心最大沉降量达到420mm，其附近的卓庄沉降量达到95mm，后周甲沉降量92mm，并且这3处沉降漏斗区域与矿区及其采空区分布一致。

由于本次实验数据比较少，只能采用DInSAR方法来监测矿区沉降变化，并未考虑时空去相关以及大气非均匀性影响，使得地表形变的精度受到限制。随着以后实验数据的增多，将采用永久散射体的雷达差分测量方法（PS－InSAR）进一步研究，从而得到高精度的地表形变。

［1］何敏，陆晓燕，何秀凤.利用D－InSAR二轨法监测徐州大屯中心区地表形变［J］.地理空间信息，2011，9（5）：3－5.

［2］刘国祥，丁晓利.沿海地区DInSAR形变探测：精度与可应用性分析［J］.测绘通报，2006（9）：9－13.

［3］王超，张红，刘智.星载合成孔径雷达干涉测量［M］.北京科学出版社，2002.

［4］何敏，何秀凤.利用星载InSAR技术提取镇江地区DEM及其精度分析［J］.计算机应用，2010，30（2）：537－539.

［5］SRTM Documentation［EB/OL］.［2009－08－01］.ftp：//e0srp01u.ecs.nasa.gov/srtm/.

［6］陈俊勇.对SRTM3和GTOPO30地形数据质量的评估［J］.武汉大学学报：信息科学版，2005，30（11）：941－944.

［7］何敏，何秀凤.利用D－InSAR技术监测盐城地区地表形变［J］.测绘通报，2010（11）：1－3.

［8］黄宝伟，宋小刚，王振杰，等.基于D－InSAR技术的葛亭煤矿地面沉降监测研究［J］.工程勘察，2012（4）：55－60.

［9］童立元，刘松玉，方磊.徐州矿区采空塌陷区公路工程地质灾害与防治对策分析［J］.工程地质学报，2005，13（2）：165－168.