基于Sentinel1A数据的InSAR湘澧盐矿地表沉降监测与分析

唐争气，李艳，郭跃鑫

摘 要 為了有效预防地面沉降带来的地质灾害，基于ENVI Sarscape平台，通过对2020年湘澧盐矿地区4-6月份的Sentinel-1A数据进行干涉测量处理，通过形变结果分析盐矿地区各区域的沉降情况，结合土地利用类型、水文、地质和交通等数据，总结各处沉降地区的特征和形成原因，并通过对各矿井沉降速率的获取与分析，验证了InSAR技术在矿区沉降监测应用上的可行性，为该研究区后期的监测工作奠定了实践基础。

关键词 地表沉降;干涉测量;矿区; InSAR

中图分类号：  P258 文献标识码：A

Surface Subsidence Monitoring and Analysis of the Xiang Li Salt Mine by InSAR Based on Sentinel-1A Data

Tang Zhengqi1， Li Yan2， Guo Yuexin1

（1.Hunan City University School of Municipal Engineering and Surveying & Mapping， Yiyang Hunan 413000; 2. Xiangtan University， College of Civil Engineering and Mechanics， Xiangtan Hunan 411100）

Abstract： In order to effectively prevent the ground subsidence of geological disaster， the Sentinel-1 data of Xiangli salt mine area from April to June in 2020 was processed by interference measurement based on the ENVI Sarscape platform. The settlement of regional salt mine area was analyzed through the deformation results. Combining with land use types， hydrological， geological and transportation data， the characteristics and forming reason of subsidence area throughout were summarized. By means of the acquisition and analysis of mine subsidence rate， the application feasibility of InSAR technology on mining subsidence monitoring was verified. It provides a practical foundation for the monitoring work in the later period of this research area.

Keywords： surface subsidence; interferometry; mining area; InSAR

盐矿的开采可以推动社会经济的发展，改善人们的生活条件，但是也存在着安全隐患。我国现有盐矿开采区大部分采用钻井水溶法开采，通过钻井注入溶剂，溶解矿层，生成富含开采矿物的卤水，再将其从钻井中抽出。该种方法开采深度大、范围广，容易发生地表沉降，导致矿区周围建筑物变形、甚至被破坏[1]。为了保证基本设施的安全，定时对盐矿进行地表形变监测具有重要的意义[2]。

合成孔径雷达干涉测量（Interferometric synthetic aperture radar，InSAR）是一种新型主动式地表形变监测技术，具有全天时、全天候、覆盖面积广、精度高等特点，被广泛应用于地表形变监测领域，具有极大的发展潜力。1997年，国内学者王超等人开始将InSAR技术应用到地表形变领域[3]，之后，在InSAR技术基础上，利用合成孔径雷达差分干涉测量（Differential InSAR，D-InSAR）、时序InSAR（Multi-Temporal InSAR， MT-InSAR）等技术成为了新的研究热点，在矿区地表形变应用上获得了丰硕的成果。

哨兵1号（Sentinel-1）是欧空局发射的雷达遥感卫星，由Sentinel-1A和Sentinel-1B两颗卫星组成，携带C波段合成孔径雷达，与太阳同步轨道，轨道高度693km，轨道倾角为98.18°，重访周期为12天[4]。

本文采用两景Sentinel-1A 数据，监测周期为四个月，利用InSAR技术监测湘澧盐矿地区地表沉降范围和沉降量，为湘澧盐矿地表形变分析与地质灾害防治提供基本数据支持。

1  基本原理

InSAR基于两景覆盖同一地区且雷达成像几何具有微小差异的SAR影像的干涉信号，提取地表高程信息或分离地表形变[5]。两景SAR影像的干涉相位?int可近似表示为：

?int≈?topo+?defo+?flat+?orbit+?atm+?noise（1）式中，?topo和?defo分别为地表地形起伏和地表变形引起的相位;?flat、?orbit、?atm和?noise分别为平地效应、轨道误差、大气延迟及噪声导致的相位。这四项可通过理论公式计算、模型拟合、滤波等方式削弱或消除[6]。至此，式（1）可简化为

?int≈?topo+?defo                             （2）[5]

2  数据处理与分析

2.1  项目概况

湘澧盐化有限责任公司湘澧盐矿位于澧县北部，澧水下游，行政区划隶属澧县盐井镇与复兴厂镇，矿山南面是澧县城区，北面与湖北省接壤，矿山区域修有公路，交通便利。进行沉降监测的区域为澧县盐井镇张家场村、分水岭村和复兴厂镇温泉村、魏家村的湘澧盐矿一、二老采区，面积约6km2;现有采区进行地表沉降监测，面积约7km2;监测区域共计约13km2，范围为东经 111°46′13″～111°50′17″，北纬 29°51′21″～29°54′22″。

2.2  InSAR数据处理流程

采用Sentinel 1数据，时间范围是2020年7月18日到11月15日，对矿区及周边滑坡区域进行沉降监测，本次监测极化方式为VV极化，数据处理流程大概包括以下步骤：

（1）生成干涉图

输入两期SLC数据，配准完成后进行复图像重采样，生成两景数据的干涉图，以及主从影像的强度图（如图1）。

（2）自适应滤波与相干性计算

高度不变的平地在干涉图中会表现出来的干涉条纹，且随距离向和方位向的变化呈周期性变化的现象，即平地效应[6]。对上一步干涉图进行滤波，去掉由平地干涉引起的位相噪声，有利于相位解缠，这一步生成干涉的相干图和滤波后的主影像强度图。

（3）相位解缠

对去平和滤波后的位相进行相位解缠，对后续生成的DEM图的精度有重要的意义。

（4）轨道精炼与重去平

轨道参数数据是外部数据，存在相位偏移，进行轨道参数的修正可以提高精度。

（5）生成DEM与地理编码

地理编码实际上就是把干涉图雷达坐标系转化为椭球坐标系下的直角坐标系统，这一步生成进行了地理编码的形变成果文件。

2.3  數据处理成果

（1）在对干涉像对完成干涉工作流之后，生成了两对干涉结果，包括相干性图_cc、差分干涉图_dint、滤波之后的差分干涉图_fint，差分干涉结果分别见图2、图3、图4、图5，地理编码之后生成的形变结果分别见图6、图7、图8、图9;

（2）得到形变结果图之后，对其进行彩色分级显示，导入ArcGIS，将矿井分布图与形变结果叠置，提取出沉降量较大的矿井，见图10、图11、图12、图13;

3  总结

3.1  实验结果

2020年7月18日到8月11日，周期24天，矿区抬升区较多，沉降区主要分布在北东部，矿井沉降量大部分在6mm以下，统计见表1、表2。

2020年8月11日到9月4日，周期24天，沉降区主要分布在北西部，除A132矿井外，沉降速率大部分在4.5mm/月以下，统计见下表3、表4。

2020年9月4日至10月10日，周期24天，中部采区内出现一沉降区，沉降量在25mm以下。矿井沉降量均在13mm以下，统计见表5、表6。

2020年10月10日到11月15日，周期36天，矿区南西部出现抬升区，中部有一小面积沉降区，位于矿井A126东北方向，其余均处沉降趋势，矿井沉降情况统计见表7、表8。

3.2  沉降原因

（1）自然因素

据澧县县志及常德市等地震台站资料，该区曾在1979年及2005年发生过地震，其中2005年地震地点为在澧县甘溪，距离矿山西部35km。地壳活动对地表形变有所影响。

（2）人为因素

人为因素主要指矿产资源的开采。由形变结果图可以看出，沉降速率较大的矿井大多分布于西南部两个采空区，即一、二采区，此处旧矿井较多，在新旧开采区的叠加影响下，其沉降速率快速增长，根本原因是矿产资源的开采[7]。

4 结语

地面沉降是每个矿区都面临的重大问题。本文利用 Sentine1-1A 数据，采用InSAR技术对湘澧盐矿进行地表沉降监测，获取了湘澧盐矿2020年7月份至11月份地表形变结果，通过对比结果表明，现有采区存在沉降速率较大的个别矿井，如7-8月份A125号矿井沉降量达13mm，9-10月份B123号矿井沉降量达9mm，说明矿区存在开采强度不均的问题;除此之外，位于研究区中部的采空区在7月份至11月份之间多呈现沉降趋势，存在安全隐患。

结合实验结果，可以看出InSAR 技术在地表沉降监测应用上的诸多优势，如全天时、全天候监测，监测范围广、数据获取简便等特点，形变结果直观易判读，且可以通过连续时间段的监测成果了解区域形变规律，为后续时段的预警、预测等提供基础数据支持。

参考文献

[1] 肖亮，贺跃光，邢学敏，等. Sentinel-1和SBAS-InSAR分析钻井水溶岩盐矿山时序沉降[J].遥感学报，2019，23（3）：501-513.

[2] 杨帆，许志涵，张子文.基于D-InSAR的唐山矿区地表形变监测研究[J].测绘与空间地理信息，2019，42（11）：8-11.

[3] 王超，杨清友.干涉雷达在地学研究中的应用[J].遥感技术与应用，1997，（4）：37-46.

[4] 赵佳曼.InSAR技术在地表形变监测中的应用[D].南京：南京大学，2019.

[5] 朱建军，杨泽发，李志伟.InSAR矿区地表三维形变监测与预计研究进展[J].测绘学报，2019，48（2）：135-144.

[6] 赵强.基于InSAR时序分析的吉林省地表形变监测研究[D].长春：吉林大学， 2019.

[7] 邱敏.龙归硝酸盐矿地面沉降与成灾条件分析[J].地下水，2014，36（6）：209， 235.