基于TCP-InSAR的开采沉陷监测与分析

徐 坤

（1.宁波冶金勘察设计研究股份有限公司，浙江 宁波 315041）

使用较为广泛的时序InSAR监测方法主要包括PSI技术[1]、SBAS技术[2]及TCP（时序相干点InSAR）技术[3]。其中，TCP-InSAR技术作为一种发展相对较成熟的时序InSAR技术，有效弥补了PSI技术与SBAS技术在相干点选取与相位解缠等方面的不足，对选取的时序相干点不进行相位解缠处理，因此可以避免在相位解缠过程中大气、轨道等因素引起的误差的影响，在确保可以选取较多的时序相干点的基础上，提高了监测结果的精度。采用TCP-InSAR技术监测地表沉陷已得到较多学者的应用。2018年，郑万基[4]等利用TCP-InSAR技术发现了金沙江中游共6处主要滑坡区域，并详细分析了滑坡的主要影响因素。2019年，许怡[5]等将热红外遥感与TCP-InSAR技术相结合，探测新疆煤田火区，为新疆广域煤田火区高精度探测提供了新技术。2020年，陈天东[6]基于TCP-InSAR对唐山马兰庄露天铁矿、道路滑坡等形变区域进行沉降监测，验证了该技术方法的可靠性。为此，本文采用该技术监测矿区地表的沉降速率以及研究时间段内的动态时序沉降，分析沉降监测结果以及时序沉降规律，以详细获取工作面的开采对矿区地表的影响情况。

1 TCP-In SAR原理

TCP-InSAR技术通过设置空间基线和时间基线阈值选取适宜数量的干涉对，然后将整个相干区域建立Delaunay三角网，对选取的TCP点进行布网，计算每个三角网中相邻TCP点间的形变速率差，并对模糊度相位进行剔除，根据最小二乘方法反演出地表形变。TCP相干点候选点为干涉图多视处理时，均保持稳定相干性的点，然后根据影像配准过程中配准点在距离向和方位向偏移的标准差，通过设定合理的标准差阈值，来确定最终的时序相干点，其选点优势在于既可以在部分时段保持相干，也可以在整个时间序列相干。此后通过局部Delaunay三角网建立差分相位解算模型，即把研究区域划分成格网，以格网交点为圆心作一定半径的圆，取圆内所有相干点组成局部Delau⁃nay三角网。

假设实验时间段内一共获取了J+1幅SAR影像数据，通过设置合理的时空基线阈值，最终得到I幅时序干涉图序列，弧段上2个相干点TCP(x，y)和TCP(x′，y′)构成的差分相位可以表示为：

2 实验区域及数据

2.1 实验区域概况

实验区位于河北省邯郸市某矿区，114°07'E~114°11'E，36°35'N~36°38'N之间。该区域共有4个煤矿工作面，受煤矿相关管理规定，本文只获取了其中一个工作面的位置信息，因此，本次实验只对这一工作面做具体的沉降分析，如图1所示。该工作面走向长约1 000 m，倾向长约185 m。从图中可以看出，研究区域地表有城镇村庄、农田、河流以及大量建构筑物，且该区域人员流动密集，工作面开采引起的地表沉降势必会影响地表的基础设施以及人们正常的生产生活。

图1 研究区域示意图

2.2 实验区域数据

本实验采用的原始SAR影像为2015-04-28~2016-03-05时间段13景RadarSAT-2影像数据，同时采用美国宇航局（NASA）航天飞机获取的（SRTM）90 m分辨率的DEM作为外部DEM数据。RadarSAT-2是一颗高分辨率商用雷达卫星，卫星平台高度为796 km,雷达波段为C波段，C波段中心频率为5.405 GHz。根据卫星采集的影像数据的参数文件可知：电磁波入射角为35.5°；SAR影像数据的距离向像元尺寸为2.66 m，方位向像元尺寸为2.9 m；另外，数据是由电磁波HH极化方式采集。

考虑到研究区域多被草地、农田等地物覆盖，后向散射性较弱，而较长的时间间隔很容易造成影像对间的失相干，为此，本实验根据干涉对的时空基线分布情况，在保证时间序列不中断的前提下，共选取了12组干涉对进行时序干涉处理，如表1所示。

表1 SAR影像对信息

3 实验结果及分析

3.1 矿区地表沉降监测结果

实验首先使用GAMMA软件将13景影像进行数据配准，在完成配准后，按1:1多视生成时序干涉对序列，干涉对序列如表1所示。差分过程中使用外部DEM数据去除地形相位，然后以相干性0.4作为阈值根据TCP-InSAR选点原则共选取了179 328个TCP点，最后将TCP点构建Delaunay三角网，在每个TCP点上构建线性形变速率的回归模型，通过最小二乘准则求解回归模型，除去模型中具有整周模糊度的线性相位，最终求取TCP点的年沉降速率。

如图2所示，为通过TCP-InSAR技术最终获取的监测范围内年均地表沉降信息。从图中可以看出，整个监测范围内，共存在两处明显的地表沉降点：其中一处远离工作面；另一处位于工作面开采下山方向一侧，之所以没有位于工作面正上方，是由于该煤层为倾斜煤层，煤层倾角约为31°，因此，沉降中心偏向下山方向，并可以断定此处沉降由矿区工作面的开采引起。由于矿区地表多为农田、林地，相干性相对较差，因此在此沉降区域选取的TCP点分布密度不大，在时序分析时需要从整体上进行评价。结果显示，2015-04-28~2016-03-05研究时间段内所有TCP点中监测到的最大年沉降速率为-106.21 mm/yr，且工作面范围内地表沉降速率基本位于0 mm/yr以下，存在不同程度的地表沉降。

图2 研究区域地表沉降速率图

为了进一步了解研究区域地表的动态时序变化过程，本文将由TCP-InSAR技术计算得到的矿区时序下沉结果进行成图展示，如图3所示。图3显示从2015-04-28~2016-03-05共13景影像获取时间的地表沉降情况。由时序结果可以看出，地表沉降范围随时间的推移越来越明显，沉降量级也越来越大，根据TCP点的时序沉降计算结果，研究区域内监测得到的地表最大沉降值约为-124.83 mm。

图3 研究区域时序沉降图

3.2 矿区地表沉降结果分析

通过TCP-InSAR技术监测矿区地表得到的监测结果可以看出，该技术能准确地监测出沉降的发生位置、发生范围等细节信息，时序沉降结果的详细分析如图4所示。

图4 时序累积沉降结果分析

图4a为累积沉降结果的分布直方图，从图中看出，多数TCP点的累积沉降值在零附近，整体分布近似于高斯正态分布，符合TCP-InSAR技术计算沉降结果的分布规律；图4b为研究区域示意图中A、B参考点的时序沉降规律，从图中可以看出，A点由于地理位置远离工作面，因此基本没有发生地表沉降，时序沉降值在零值附近波动，B点由于位于工作面几何中心位置，时序沉降明显，且随时间呈线性下沉。

在此基础上，为进一步量化了解工作面地表的沉降规律，本实验在工作面内走向和倾向方向分别选取了一条走向线和倾向线（如图1中所示），对工作面地表的沉降情况进行详细分析。计算发现：在走向线附近区域共提取了203个TCP点，将提取的TCP点的沿工作面走向方向（如图1中箭头方向所示）依次统计其累计沉降值；在倾向线附近区域共提取了166个TCP点，将提取的TCP点的沿工作面倾向方向（如图1中箭头方向所示）依次统计其累计沉降值。统计结果如图5所示。

图5 工作面内走向、倾向线附近TCP点的沉降统计

从图5可以看出，沿工作面走向方向，累积沉降值逐渐增大，在400 m左右达到最大值，之后随着走向距离的增加累积沉降值逐渐减小，在工作面的中部和北端沉降相对较严重。沿工作面倾向方向，随着倾向距离的增加，累积沉降值呈增大的趋势，因此在工作面的下山方向沉降相对较严重。在走向线附近，只有2个TCP点的时序累计沉降值大于0 mm，其余各TCP点均存在不同程度的下沉，所有TCP点的平均沉降为-51.63 mm，其中，最大沉降值为-102.90 mm，对应的TCP点位于走向距离343 m处；在倾向线附近，所有提取的TCP点时序累计沉降值均小于0 mm，平均沉降为-68.21 mm，其中，最大沉降值为-112.70 mm，对应的TCP点位于倾向距离182 m处。结合走向和倾向综合分析可得，在整个工作面下山方向尤其是工作面东北方向沉降较为严重，同时与沉降速率的结果相吻合，这一现象除煤层倾角的影响因素之外，还可能与其他工作面开采造成的联合影响有关。

通过对矿区地表时序累积沉降分析可知，工作面的开采势必会使上层地表发生不同程度的沉降，沉降严重时还会造成地表塌陷、道路损毁、房屋倒塌等灾难，因此，对矿区地表进行沉降监测并做出相应的时序分析变得尤为重要，在掌握了矿区地表的形变情况和规律后，可以采取相应的措施有效避免或减少矿区开采沉陷引起的次生危害。

4 结论

本文采用RadarSAT-2数据获取了邯郸市某矿区在2015-04-28~2016-03-05时间段内的地表沉降速率及时序沉降监测结果，监测结果清晰地显示了工作面及附近区域存在明显的地表沉降现象。随着时间的推移，该研究区域的沉降范围和沉降量级都在逐渐增大，地表最大沉降接近-125 mm。通过对SAR影像数据的处理和对监测结果的详细分析可以得出：相比传统的地表沉降监测技术，TCP-InSAR具有长时间序列、覆盖范围广、工作量小、不受天气影响等技术的优势，相对高密度的监测点可以更加详细的分析和判断矿区地表的下沉情况和形变规律。未来还可以考虑将TCP-InSAR技术与多源遥感数据或偏移跟踪等技术相结合，以获取更加全面、精确、大量级的矿区地表沉降信息。