差分干涉测量(D-InSAR)技术在矿区地面沉降监测中的应用

余景波,刘国林,曹振坦

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266510)

0 引 言

采矿引起的地面沉降和塌陷是煤矿开采地区经常发生的一种破坏性灾难,这不仅仅是个环境问题,而且会影响到煤矿附近地区社会和谐与可持续发展[1]。因此,有必要利用先进的技术进行监测和控制矿区地表沉降引起的破坏,从而保证矿区及矿区附近地区的安全和稳定发展。以InSAR技术为基础进行地面沉降监测,是国内外研究的热点之一。Gabriel等[2]首次论证了差分干涉测量技术可用于探测厘米级的地表形变。Wegm等[3]利用DInSAR对德国 Ruhrgebiet地区地面沉降进行研究,获取了因采矿而导致的地表沉降信息。Ge等[4]将GPS和InSAR技术结合在一起进行矿区地表形变测量,准确获取了澳大利亚Appin地区煤矿开采造成的地面沉降信息。吴立新等[5]利用多时相D-InSAR结合角反射器方法进行了工矿区地表沉降监测。

采用双轨法和三轨法两种差分干涉测量方法对6景覆盖济宁某矿区的ENVISAT ASAR数据进行差分干涉处理,并对实验处理结果进行讨论和分析。

1 基本原理

1.1 InSAR及差分干涉测量(D-InSAR)的基本原理

InSAR技术是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的一项技术,其基本思想是:利用两副天线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像,获取同一区域的复雷达图像对,由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等,形成干涉图,干涉图中的相位值即为两次成像的相位差测量值,根据两次成像的相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系,利用飞行轨道的参数,即可测定地面目标的三维坐标,它可以用来提供大范围的高精度数字高程模型(DEM),并用于探测地表形变[6]。

差分干涉测量(D-InSAR)技术是以雷达干涉测量为出发点,通过星载或机载的雷达天线(单天线或双天线)主动向地面目标发射电磁波,并接收地面目标的后向散射回波,同时记录各自回波的相位信息。由于在所获取的相位信息中,含有大气延迟、轨道误差、平地效应、地形起伏、目标两次成像过程中的微小形变及噪声信息,因此,D-InSAR的处理过程就是通过外部DEM(“双轨法”)或其它干涉影像对获取的相位(“三轨法”或“四轨法”)进行差分处理,以便去除无用相位信息而获取形变相位的一个过程[7]。

1.2 双轨法和三轨法数据处理流程

差分干涉测量数据处理,经过配准、重采样、滤波、平地效应消除、干涉条纹滤波和相位解缠,相高转换,得到差分干涉图、增强干涉图、相干图、以及地面形变图,通过进一步后处理得到地面沉降分布图。InSAR数据处理的基本流程如图1所示[8]:

图1 InSAR数据处理基本流程

双轨法是Massonnet等[9]提出的,该方法是利用监测区域地表变化前后两幅影像生成干涉纹图,再利用事先获取的DEM数据模拟纹图,从干涉纹图中去除地形信息以得到地表变化信息。无需进行相位解缠,处理工作量少是该方法的优点。但是,对于无DEM 数据的地区,无法使用该方法,同时引入DEM数据的同时有可能带入新误差,这些是该方法的缺点。双轨法数据处理基本流程如图2所示:

图2 双轨法差分干涉数据处理流程

三轨法是Zebker等[10]人提出的一种数据处理方法,该方法利用三幅影像生成两幅干涉纹图,一副作为地形干涉对反映地形信息,另一幅作为形变干涉对反映地表形变信息,进行平地效应消除后,分别进行相位解缠,最后利用差分干涉原理计算得到地形信息。三轨法的主要优点是无需地面信息、数据间的配准比较容易实现;其主要缺点是相位解缠质量的好坏将对最终结果产生影响,但在相干性较高地区可以获得较好的结果。三轨法数据处理的基本流程如图3所示。

图3 三轨法差分数据处理简单流程图

2 实验研究数据选取

研究的区域位于济宁市的某煤矿,该煤矿位于济宁煤田西北部,矿井范围南北长4～4.5 km,东西宽4～6 km。矿区内地形平坦,地势东北略高,西南稍低,自然坡度为万分之七。气候温和,四季分明,交通方便。

利用ENVISAT卫星获取的6景ASAR数据进行差分干涉测量处理,ASAR数据参数见表1所示。

表1 所选用的 ASAR数据列表

根据研究的需要,这6景ASAR数据可以组成不同的干涉像对,所需的干涉像对垂直基线和时间间隔参数情况见表2和表3。

对表2中的干涉像对进行双轨法差分干涉处理,对表3的干涉像对进行三轨法差分干涉处理。

表2 干涉像对参数情况列表

表3 干涉像对参数情况列表

双轨法利用外部DEM数据来消除干涉相位图中的地形因素影响,在实验中采用分辨率为30 m Aster数据作为双轨法差分干涉处理数据的外部DEM。

3 差分干涉处理和结果分析

采用双轨法处理表1中的干涉像对,把2009年4月3日和2009年6月12日获取的影像为主图像,2009年5月8日和2009年7月17日获取的影像为辅图像,同时引入分辨率为30 m的Aster数据作为外部DEM,进行双轨法差分干涉处理,处理后分别生成差分干涉图、增强干涉图、相干图、地面形变图,如图4、5所示。

在图4和图5的地面形变图中,可以看到尽管所选取的实验数据时间跨度不同,但是差分干涉处理生成地面形变图中沉降分布范围基本上大体一致,但是由于干涉选用不同时期的数据进行差分处理,数据相干性存在差异,得出结果与实际情况会有误差。这说明双轨法可以从整体上确定矿区的沉降分布情况。

在图4和图5的差分干涉图中,可以看到在图4的差分干涉图中没有明显的条纹,在图5差分干涉图的中央位置有一明显的条纹,在其他地方都没有表现出来。从表2中,可以看出生成图4结果的干涉像对垂直基线较长,基线长度是相干一个重要的限制因素,垂直基线过长可能导致失相干。造成图4中差分干涉图没明显干涉条纹的一个重要原因可能是该干涉像对垂直基线过长,造成该干涉像对相干性不强。图4的增强干涉图,相干效果不好,表现出杂乱无章的彩色斑点;图5增强干涉图中,有一相干性较好的地方,可能这个地方是该时间段,地面沉降最大的所在地,在其它地方基本上没有干涉出来,只是一些噪声表现出的杂乱无章的彩色斑点。上面是对双轨法差分干涉处理数据生成干涉图的分析。由于双轨法需要引入外部DEM,外部数据带来误差可能也是导致上面干涉图现象的其中一个原因。

将2008年12月19日获取的影像作为主图像,分别以2009年 2月 27日和 2009年5月 8日获取的影像为辅影像,其中,把2008年12月19日和2009年2月27日获取的影像作为地表形变前获取的两幅影像,作为地形干涉对进行处理;同样,把2009年5月8日获取的影像作为地表形变后获取的影像,将其与主图像作为形变干涉对进行处理;同样,以2009年5月8日获取的影像作为主影像,将2009年5月8日和 2009年6月12日获取的影像作为地形干涉对进行处理;把2009年5月8日和2009年7月17日获取的影像作为形变干涉对进行处理;最后,进行三轨法差分干涉处理,获取差分干涉图、增强干涉图相干图和地面形变图,如图6、7所示。

在图6和图7中的地面形变图中,也可看到沉降分布的相同之处,在形变图中形成了一些“漏斗区”。这可以说明,三轨法可以检测到区域地表形变发生的大致位置和范围,并且从得到的结果,基本上可以确定地表形变大致位置和范围。这表明三轨法可以整体上确定矿区沉降分布情况。

在图6和图7中,图6中差分干涉图比图7中差分干涉图干涉条纹多些,除了垂直基线长度的原因,季节可能也是一个原因,即时间去相干。生成图6结果的干涉像对所处的时间段正是研究区域植被稀疏、雨水较少、天气干燥的时期,这有助于提高获取的ASAR数据差分干涉处理精度,提高干涉效果;而生成图7结果的干涉像对,正处于研究区的夏季,植被茂盛、雨水较多,这可能对干涉效果有影响;再者,生成图6和图7结果,需要先进行地形干涉像对差分干涉处理,从表3中,可以看出两个作为地形干涉像对的时间间隔相差不是很大,前者干涉像对时间处于研究区冬季,后则处于夏季;并且,由于季节不同,生成含地形信息干涉图效果不同,这就造成了最终结果的差异;再者,作为地形干涉像对的垂直基线长度对DEM的生成具有影响,DEM的质量又会影响到差分干涉处理的结果。在图6和图7的增强干涉图中,干涉条纹明显程度也不一样,前者较多、较明显;后者则较差一些。除了上面的分析外,相位解缠的质量也有差别,这也是造成上面现象出现的一个原因。以上是对三轨法数据处理生成干涉图的分析。

从差分干涉图到增强干涉图有时需要除去残余地形相位,主要有梯度拟合法和基线向量调整法进行残余地形相位去除两种方法。在数据处理中因干涉图条纹不明显,可以看作没有残余地形相位,没有进行残余地形相位去除操作,因而实际存在的残余地形相位会对增强干涉图质量带来影响,从而影响最终差分干涉处理的结果。

相干图表示的是两幅影像的相关性,在相干性低的地方,可以通过相干图的对比检测出矿区地表沉降的大致位置和范围。垂直基线长度,对相干图质量影响很大。从图4～图7的相干图中可以看出图4相干图质量很差,其他三幅相干图质量较好,能够看出明显地物的特征。

对图4～图7中地面形变图进一步处理,可以获取该研究区域在各时间段的沉降分布,从而可以从宏观尺度分析该区域在不同时间段的沉降量和沉降分布。

从图8～图9中,可以看出选取的研究区域都存在着不同程度的沉降,一些不明显的沉降可能是开采地下水等原因引起的,也可能是数据处理过程不可避免的误差引起的。在数据处理中,选用的差分干涉处理方法不同,最后产生的结果会有差别。这说明差分干涉测量技术可以得到矿区的沉降分布。

以双轨法处理的2009年6月12日-2009年7月17日期间获取的干涉像对和三轨法处理2009年5月8日-2009年6月12日-2009年7月17日期间或取得干涉像对为例,进行沉降面积估算。这两个时间段的沉降面积估算如表4、5所示。

表4 2009年6月12日-2009年7月17日沉降面积估算(双轨法)

表5 2008年12月19日-2009年2月27日-2009年5月8日沉降面积估算(三轨法)

从表4和表5,可以看出双轨差分干涉测量和三轨差分干涉测量都可对不同沉降值的沉降面积进行估算。这说明差分干涉测量技术可以对沉降面积进行估算。

4 结 论

随着社会经济的快速发展,我国对煤炭资源的开采需求将进一步扩大,开采深度和范围也将进一步拓展,势必会造成矿区地表沉降灾害的发生,因此必须对矿区地表沉陷进行监测。差分干涉测量技术具有其自身的优势,越来越受到人们的重视。

采用双轨法和三轨法差分干涉处理方法处理了6景覆盖济宁某矿区ENVISAT ASAR数据,并对数据处理结果进行了分析和讨论,从而证明了差分干涉测量(D-InSAR)技术在矿区地面沉降监测应用中的可行性。但是,应用差分干涉测量技术获取矿区地表形变信息受多种因素影响,因而需要进一步将其测量结果与水准测量或GPS测量结果进行比较,以评价其测量精度,这是我们今后进一步的研究工作。

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[4]Ge L L,Chen H Y,Han S,et al.Intergrated GPS and Interferometric SAR Techniques for Highly Dense Crustal Deformation Monitoring[C]∥The 14th Internal Technology meeting of the Satellite Division of the U.S.Inst.Of Navigation,Salt Lake City,Utah,2001.

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