D-InSAR技术在相山铀矿山沉降监测中的应用分析

朱煜峰， 张 明， 臧德彦， 鲁铁定

(东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室, 江西 南昌 330013)

D-InSAR技术在相山铀矿山沉降监测中的应用分析

朱煜峰， 张 明， 臧德彦， 鲁铁定

(东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室, 江西 南昌 330013)

针对目前热门的D-InSAR高效率监测手段，对收集到的相山铀矿山ALOS PALSAR的L波段卫星影像数据，采用二轨法进行差分处理，得到矿区沉降信息并进行分析。实验结果表明，D-InSAR技术克服了传统的监测手段困难的问题，能够获取该矿区地表面状的形变场，大大提高传统监测的效率和准确性。

D-InSAR技术；二轨法；矿区沉降；沉降面积

朱煜峰，张明，臧德彦，等.2017. D-InSAR技术在相山铀矿山沉降监测中的应用分析[J].东华理工大学学报：自然科学版，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.

采矿引起地面沉降和塌陷是矿山开采地区经常发生的一种破坏灾害，也是我国最重要的地质灾害类型之一。采空区地面沉陷不仅毁坏各种建筑、工程、水利、交通设施和农田，而且威胁人民生命财产安全，已成为影响和制约工矿城市可持续发展的主要因数。合成孔径雷达差分干涉测量技术(简称D-InSAR)是近年来遥感技术中的一种新兴监测地表形变的手段(尹宏杰等，2011；黄宝伟等，2012)，主要采用微波波段对地表进行监测，该技术能够对物体进行全天候、无接触式、面状的、快速且准确的、厘米甚至毫米级的监测(Usai et al.,1999,2003)。

为了验证相山铀矿山在开采过程中地表沉降量及稳定性，本研究收集了两景不同时间段的日本ALOS卫星PALSAR传感器下的微波L波段的相山铀矿山开采区域雷达影像数据。L波段独有的长波段具有穿透能力强的特性，对相山铀矿山的地表植被具有一定的穿透能力。实验结果验证了D-InSAR技术在相山铀矿山地表沉降监测的可行性。

1 D-InSAR技术基本原理

D-InSAR 是以InSAR技术为基础而引申出来的技术，该技术在不考虑大气延迟效应和各种随机噪声等因素前提下，对研究区域不同时间段的两景处理后的干涉条纹图进行差分，再从原始干涉图中进行去平地相位信息，保留高程相位信息，从相位信息中提取形变信息(Ferretti et al.，2000,2001)。

1.1 二轨法基本原理

D-InSAR利用卫星加载的雷达传感器而获取的相同区域的不同时间段两景SAR影像中的DEM相位信息获取地表形变量的监测手段(图1)。SAR雷达影像的干涉相位可表示为：

φint=φflat+φtop+φdef+φatm+φorb+φnot

(1)

式中，φfalt为平地效应相位信息(地球曲面引起)；φtop为地形相位(地形起伏引起)；φdef为形变相位(地表形变引起)；φorb为误差相位(轨道误差引起)；φatm为延迟相位(大气效应引起)；φnoi为噪声相位(影像数据处理流程中产生的误差、热噪声引起)。

为获取高程形变相位信息，需将除形变相位信息以外的其他相位信息去除。式(1)平地效应相位可通过基线估计方法得出；轨道误差相位一般可通过精密轨道数据来进行改正，或通过多项式拟合方法剔除；噪声相位和大气延迟相位信息，一般可通过滤波的方法、外部加载数据等方法进行减弱或剔除；地形相位信息，主要有二轨法(通过已有的外部DEM数据)、三轨法和四轨法(外部加载其他影像数据)将其剔除(Berandino et al.，2002)。按上述方法将其他相位信息剔除后，形变相位信息φdef可表示如下：

(2)

φdef=2π，形变模糊度可求：

(3)

形变量可根据相位的变化来确定，即形变量一个周期为电磁波波长的一半。本研究采用的日本ALOS卫星，PALSAR传感器为L波段，波长较长，求出的形变模糊度为0.118 m。因此，L波段的数据能相对分析出梯度较大的形变。

图1 D-InSAR技术(二轨法)基本原理图Fig.1 The D-InSAR basic principle diagram

1.2 二轨法处理流程

二轨法差分干涉处理的流程见图2。

2 实验研究

2.1 实验数据

为验证D-InSAR技术在相山铀矿山沉降监测的可行性，本研究收集了2景覆盖相山铀矿山的日本ALOS卫星PALSAR传感器获取的L波段的SAR数据，矿体SAR各影像的相关数据见表1。为确定沉降详细地理位置，本研究另收集了该矿区控制网分布图(图3)。收集矿区控制网数据可采用常规测量手段(如水准测量)来验证D-InSAR技术结果的准确性。从表1中可以看出，采用空间垂直基线为198 m的小基线，能提高差分过程中的相干性目的。

图2 二轨法技术数据处理流程图Fig.2 Two-trail method technical processing flow chart

主影像获取时间副影像获取时间传感器模式时间间隔/d垂直基线/m2007年12月15日2010年3月22日ALOSPALSARFBS828-198

注：上表中的FBS模式为精细波束单极化方式；垂直基线距离为空间基线两幅影像获取过程中卫星在两个时间段的垂直距离。

2.2 数据处理

对相山铀矿山的2景SAR影像数据，采用D-InSAR方法进行差分干涉处理，本研究选用GAMMA商用雷达干涉处理软件对铀矿山进行SAR数据处理，处理过程采用“二轨”法差分干涉处理生成。合理选择高相干点，通过选取的高相干点来建立线性形变速率构建形变方程组，求解不同时间段的累积形变量(Lanri et al.,2004)。将研究区域的差分干涉图通过相位解缠及地理编码过程后，重新生成新的差分干涉图(图4)。

图4中，白色封闭区域为主要开采矿点所在区域。相山铀矿山在SAR数据获取的2007年至2010年时间段内，由于开采导致的地表沉降面积和沉降量总体变化不大，开采区域明显沉降主要为C007和C008两个区域。总体两个区域累积沉降量和沉降面积较小，分析可得该区域由于开采导致的沉降速率缓慢。该研究通过D-InSAR方法获得的数据对C007和C008两个区域统计了累积沉降面积(表2)。

图3 相山铀矿山等级控制点分布图Fig.3 Xiangshan uranium mines different levels control points distribution

图4 相山铀矿山沉降信息图Fig.4 Xiangshan uranium mines settlement information graph

沉降区域沉降面积/m2沉降量>0．1m沉降量>0．2m沉降量>0．3m沉降量>0．4mC0071534295138056C00873569216551874813156

2.3 沉降结果分析

从图4沉降结果确定，该矿区主要沉降区域C007位于图3中矿区点邹家山C007GPS控制点区域附近。为验证D-InSAR技术监测结果，将D-InSAR技术监测结果与到矿区地表监测的水准数据通过近似处理内插得到监测数据进行对比。该矿区C007附近水准点分布如图5所示，沿着工作面走向LL′ 方向共有5个水准点、倾向TT′方向共有4个水准点。表3 为D-InSAR技术监测值与水准测量值的比较结果。

表3 两种方法监测结果对比

图5 C007沉降区实测水准点分布图Fig.5 C007 Distribution map of measured level point in Subsidence area

从表3可以看出，2种监测手段的最大误差出现在工作面倾向上为8.9 mm，而工作面走向上两者的最大误差仅达到10.5 mm，倾向和走向的误差均在毫米级。

3 结论

本研究利用差分雷达干涉测量技术(D-InSAR)，影像数据使用日本PALSAR传感器L波段相山铀矿山SAR数据对沉降数据进行分析；为验证本次D-InSAR实验结果的准确性，加入了常规水准测量数据的对比，实验结果表明，D-InSAR技术能有效获取该铀矿山的地表沉降沉降量及沉降面积。结果验证D-InSAR技术能较好的弥补常规监测方法及提高监测效率。由于本实验利用的数据量有限，得到的沉降信息结果还具有一定的偏差，两影像之间整体相干性效果不是很强，相位解缠的过程也存在少量偏差，这在一定程度上影响了形变的反演精度。由于相山铀矿山研究区域面积不大，数据分析过程中没考虑大气误差对干涉效果的影响。这些都是后续提高D-InSAR监测精度需注意的问题。

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

尹宏杰，朱建军，李志伟，等.2011.基于SBAS的矿区形变监测研究[J].测绘学报.40(1):52-58.

Berandino P,Fornaro G,Lanari R.2002.A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential interferograms[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,40(11):2375-2383.

Ferretti A,Prati C, Rocca F.2000.Nonlinear Subsidence Rate Estimation Using Permanet Scatters in Differential SAR Interferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,38(5):2202-2212.

Ferretti A,Prati C,and Rocca F.2001.Permanent Scatters in SAR interferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,39(1):8-20.

Lanri R,Mora O,Manunta M,et al. 2004. A small_baseline approach for investigating deformation on full_resolution differential SAR interferograms[J].IEEE Transations on Geoscience and Remote Sensing,42(7):1377-1386.

Usai S,KLEES R.1999.SAR Interfermetry on a Very long Time Scale:a study of the Interferometric Characteristics of Man_made Features[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,37(4):2118-2123.

Usai S.2003.A Least Squares Database Aproach for SAR Interfermetry Data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,41(4):753-760.

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

国家自然科学基金资助项目(41464001)；江西省自然科学基金资助项目(2012ZBAB216001、20151BAB203042);江西省教育厅科技研究资助项目(GJJ14489);东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室资助项目(RGET1317)

朱煜峰 (1981—)，男，博士，副教授，硕士生导师，从事矿山测量教学科研工作。E-mail: yfzhu@ecit.cn

10.3969/j.issn.1674-3504.2017.03.013