D-InSAR技术对地表形变的监测与应用

褚芊芊 刘承旭

(1.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司彭庄煤矿，山东 菏泽 274700；2.山东科技大学，山东 青岛 266590）

1 引言

目前，地表沉陷监测一般采用周期性精密水准测量、全站仪测量固定观测基站的三维坐标、GPS测量高程等方法，沿特定的观测路线布设一些离散观测点，构建地表变形观测网，然后对观测数据进行解算，最终得到每一时间间隔内的沉降变化值。

合成孔径雷达差分干涉测量方法作为合成孔径雷达干涉测量方法的进一步发展，由于具有空间分辨率高、全天时、覆盖面积大、成本低等优点，在矿区开采沉陷监测中得到了广泛应用。

2 技术路线

对于不同波段符合研究需求的雷达影像分别进行干涉处理，对比其相干性以及现实要求等分别进行选择，确定合适的图像来源。借助Envi和SARscape软件对已有的雷达影像进行差分干涉处理分析已有观测线的下沉情况，进行量化分析，最终得出与已有观测线相一致的下沉剖面。将图像处理结果与实际数据进行对比，分析其精度及其可靠性。

3 InSAR技术

3.1 InSAR干涉测量技术基本原理

合成孔径雷达干涉测量是利用卫星或飞机搭载的合成孔径雷达系统，通过两副天线同时观测(单轨模式)，或两次近平行的观测(重复轨道模式)，获取地面同一景观的复影像对。根据复雷达图像的相位差信息，通过成像处理，干涉数据处理和几何转换等来提取地面目标地形的三维信息。

3.2 矿区D-InSAR数据处理

此次使用的SAR数据为哨兵一号数据，分别为2017年12月22日以及2018年1月15日两期数据。

本次研究使用的是双轨法，双轨法是利用矿区地表前后变化的两景雷达复影像生成干涉图，再利用现有的数字高程模型数据模拟干涉条纹图，从干涉图中去掉地形信息，可得到地形变化信息。操作步骤具体介绍如下：

输入2017年12月22日的卫星影像作为主影像，2018年1月15日的卫星影像作为从影像，参考DEM模块输入事先获取的矿区DEM文件，DEM采用美国地质调查局发布的SRTM DEM数据。输入所有的数据后，形成干涉图，如图1所示。

图1 彭庄煤矿D-InSAR干涉图

干涉图生成后进行滤波和相干性计算。滤波方法采用Goldstein自适应滤波法，这种滤波方法的滤波器是可变的，提高了干涉条纹的清晰度，减少了由空间基线或时间基线引起的失相干的噪声。

相位解缠：相位的变化是以2π为周期的，所以只要相位变化超过了2π，相位就会重新开始和循环。相位解缠是对去平和滤波后的相位进行解缠处理，使之与线性变化的地形信息对应，解决2π模糊的问题。

下一步选择用于轨道精炼的控制点，或选择已有的控制点文件。控制点的选择要求相干性高、相位变化稳定的点，避免选择地形残差条纹地区。

最后进行相位转形变以及地理编码操作，即将经过绝对校准和解缠的相位，结合合成相位，转化为形变数据，之后进行地理编码到制图坐标系统，默认得到的是LOS方向的形变，并对图像外的区域做掩膜处理。

图2 相位转形变的结果

如图2所示，矿区内出现多处明显的下沉，多个区域性下沉均呈现中间低四周高的近似漏斗状下沉。为了验证其精度，特以3303工作面地表观测数据为参考，进行统计对比，对比如表1、图3所示。

表1 D-InSAR沉降量与地面实测沉降量对比表格

地面实测数据32 -0.028342 94 -0.086782 33 -0.037682 95 -0.085872 -0.094262 34 -0.053923 -0.108223 96 -0.080874 35 -0.056743 97 -0.074516 36 -0.054243 98 -0.074617 37 -0.057283 99 -0.074514 38 -0.068791 100 -0.076724 39 -0.058585 101 -0.069613 -0.070321 40 -0.058589 102 -0.064694 41 -0.061414 103 -0.060823 42 -0.065782 104 -0.058742 43 -0.077258 -0.125841 105 -0.055672 44 -0.075881 105 -0.050722 45 -0.071389 107 -0.044487 -0.049768 46 -0.081236 108 -0.043489 47 -0.085632 109 -0.040691 48 -0.083673 110 -0.036245 49 -0.087621 111 -0.035487 50 -0.096381 112 -0.030484 -0.036824 51 -0.091581 113 -0.027671 52 -0.097829 114 -0.025811 53 -0.095812 115 -0.024782 54 -0.105872 -0.125267 116 -0.022232 -0.030714 55 -0.106692 117 -0.021813 56 -0.113257 118 -0.017124 57 -0.115623 119 -0.016273 58 -0.125783 120 -0.015782 -0.020639 59 -0.125234 121 -0.012792 60 -0.137832 122 -0.00956 61 -0.132234 123 -0.00367 -0.010324栅格序号D-InSAR沉降量地面实测数据栅格序号D-InSAR沉降量

由于SAR图像时间与观测时间并不完全一致，有一定的时间差，而且D-InSAR得到的是连续像元的下沉值，而地面观测只能得到有限个离散点的下沉值，并不能完全对应。另外矿区有大量村庄和农田，地表植物对雷达波产生了一定的影像，导致有一些区域失相干现象比较严重，这不利于D-InSAR处理的精度。但是整体来说监测结果与地面实际观测结果的形变趋势基本一致，从矿区地表沉降分布情况以及沉降趋势上看，监测结果与地面实测情况基本相符，说明D-InSAR矿区沉降监测结果总体可靠，其局部精度可以达到厘米级。

图3 D-InSAR沉降量（离散点）与地面实测沉降量（折线）对比图

4 结论

D-InSAR技术在进行大面积矿区地表沉降监测时有较高精度，D-InSAR监测结果反映的是一个平面的沉降情况，比水准测量的离散点更加直观、更加形象，虽然精度还达不到精密水准测量的标准，但整体精度比较可靠，局部可以达到厘米级，可以部分代替传统监测方法，实现新技术在矿区沉降监测的应用。

对于大范围的监测区域，使用D-InSAR技术进行地表变形监测省时省力，而且成本低，相较于水准测量或GPS测量优势巨大。

通过D-InSAR技术在彭庄矿区地表变形监测时的实践应用，表明D-InSAR可以精确有效地对彭庄矿区采煤沉陷区范围及其形变过程进行动态观测。