利用D_InSAR技术对淮南矿区地面沉降动态监测

李少朋 高良敏

摘 要：煤炭的大规模开采和利用为我国各行各业带来了巨大利益的同时，在一定程度上也给矿区的生态环境和人们的生产生活带来了损害。经济有效的对采煤塌陷区的地面沉降进行精确有效的动态监测是目前研究的一个热门问题。本文利用D_InSAR这种新兴的空间对地观测技术应用在淮南矿区进行动态监测。文章中选用2006年11月到2007年3月五个月份的淮南矿区ENVISAT卫星数据，利用Doris做出的差分干涉图和沉降图在GIS上叠加的结果。结果表明淮南的沉降范围和沉降量随着采煤活动的继续存在不同程度的增加，与实际情况相符合，说明D_InSAR技术可以对淮南矿区地表缓慢形变进行动态监测。

关键词：淮南矿区；D_InSAR；地表缓慢形变；动态监测

1 选题背景及研究意义

我国的煤炭资源占整个能源资源85%，是我国重要的基础能源之一。煤炭的大规模开采和利用为我国各行各业带来了巨大利益的同时，在一定程度上也给矿区的生态环境和人们的生产生活带来了损害[1，2]。本文的研究区域是淮南矿区，作为华东地区乃至全国的重要煤炭开采基地，淮南矿区面积达到了2500多平方公里。预计到2030年淮南矿区沉陷面积达200平方公里以上。目前，我国煤矿区地面沉降监测的技术主要是大地水准测量、GPS测量和全站仪测量。由于大面积、高强度、重复开采导致的地表重复叠加沉陷，应用常规的地表沉陷监测手段难以有效地反映淮南煤矿开采引起的地面沉陷特征。如何经济有效地动态监测淮南矿区的地面沉降是煤矿生态环境保护与治理亟待解决的重要问题。

本文利用D_InSAR技术对淮南矿区地表沉降形变进行监测。合成孔径雷达差分干涉测量（D_InSAR，Diferential Interferometric Synthetic Aperture Radar）技术作为新兴的空间对地观测技术，具有全天候、全天时、高分辨率、低成本、快速准确以及大尺度连续覆盖的能力[3，4]。它可以对地表形变进行长期监测，这使得D_InSAR将成为未来对煤矿区地面沉降监测极具潜力的空间对地观测技术。

2 D_InSAR在淮南矿区的应用

2.1 SAR影像基本信息

本文采用的是欧空局提供的Envisat卫星C波段数据。波长是5.6cm，极化方式是VV极化，共41景SAR图像。根据两两生成相干图质量的好坏，选出了3对可作为研究的对象，分别是三个时间段的图像2006.11.4-2006.12.9；2006.12.9-2007.2.17；2007.2.17 -2007.3.24。

2.2 干涉对2006.11.4-2006.12.9结果分析

这组干涉对中主影像2006.12.9与辅影像2006.11.4的时间基线为35天，垂直基线为773米。用DORIS软件进行干涉处理得到差分干涉图。如图所示：

从图中可以看到研究区域存在明显的干涉条文变化，这表明研究区域在这个一个月内存在不同的地面沉降形变。

做出沉降图，在ARCGIS中与实测采煤塌陷区图叠加，从图中可以更直观地进行分析。如图所示：

从图中分析可得到知，研究区域内出现了多个沉降中心，初步验证了差分干涉结果关于沉降位置的正确性。潘集、张集塌陷活动最为严重，有大片的塌陷。通过计算可得到研究区域在这35天内沉降面积及最大沉降量。

从表中可知谢桥矿等四个矿区在这35天内的沉降速率分别为：1.86mm/天、2.09mm/天、1.80mm/天、2.00mm/天。谢桥矿与潘集矿的塌陷面积远高于顾桥矿，可能是在此次研究时间段内谢桥矿与潘集矿地下采煤活动剧烈原因造成的。

3.3 干涉对2006.12.9-2007.2.17结果分析

这组干涉对中主影像2007.2.17和辅影像2006.12.9的时间基线为70天，垂直基线为269米。进行差分干涉处理，得到这两个月的淮南矿区差分干涉图。如图所示：

将差分干涉图经过相位解缠、地理编码等处理，得到正视方向的沉降图。在ARCGIS中与实测采煤塌陷区图叠加，如图所示：

由图可知，在这两个月期間研究区域内出现了大面积塌陷。塌陷范围比上一个月扩大了很多，出现的沉降中心也比上个月多，沉降量增加。列表统计：

从表中可知谢桥矿等四个矿区在这70天内的沉降速率分别为：3.93mm/天、2.57mm/天、2.67mm/天、3.43mm/天。由此可推断，在这70天内，地下采煤活动的加剧，研究区域内的塌陷面积和沉降量都在增大。

3.4 干涉对2007.2.17-2007.3.24结果分析

这组干涉对的时间基线为35天，垂直基线为63米。处理得到的差分干涉图，如图所示：

将差分干涉图经过相位解缠、地理编码等处理，得到正视方向的沉降图。在ARCGIS中与实测采煤塌陷区图叠加，如图所示：

与之前的结果相比较，研究区域内的塌陷位置没有发生变化，沉降范围扩大了，但是沉降量大大减少。根据图得出的数据列表：

4 结论

本文是以淮南矿区作为研究区域，利用ENVISAT卫星所拍摄的C波段SAR图像进行二轨法差分干涉处理。得到了2006年11月份到2007年3月份这五个月的差分干涉图、沉降形变图及沉降图与实测的矿区沉陷图的叠加图。通过分析最终结果，确定了研究区域内的沉降位置、沉降范围、最大沉降量、研究时间段内的沉降速率。这些结果通过与实测的矿区采煤沉陷图进行对比分析，发现二者具有很好的一致性，这验证了差分干涉结果的准确性，说明D_InSAR差分干涉测量技术可以应用于淮南矿区地表的长时间缓慢形变的监测。

[参考文献]

[1]姜岩，等.合成孔径雷达干涉测量技术在矿山开采地表沉陷监测中的应用[J].矿山测量，2003（l）：5-7.

[2]吴立新，等.基于DInSAR的煤矿区开采沉陷遥感监测技术分析[J].地理与地理信息科学，2004，20（2）：22-25.

[3]Ge L.L.et al.Modeling Atmospheric Effects on InSAR with Meteorological and Continuous GPS Observations：Algorithms and Some Test Results[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2004，66：907-917.

[4]史卫平.DInSAR技术及其在矿区地面沉降监测中的应用研究[M].山东科技大学，2010.

[5]刘国祥，等.星载SAR复数图像的配准[J].测绘学报，2001，30（1）：60-66.

[6]陶秋香，等.InSAR成像原理、工作模式及其发展趋势[J].矿山测量， 2008（1）：38-41.

[7]薛跃明，等.基于D-InSAR技术的矿区地表形变监测研究[J].遥感应用，2008：33-36.