基于D—INSAR技术在双鸭山矿区地面沉降监测试验研究

李君

摘 要：该文采用常规雷达差分干涉测量技术（D-InSAR），对德国的TerraSAR数据（RAW）进行处理，监测黑龙江省双鸭山矿区煤矿地面沉降，获取监测矿区内地面沉降发生的位置及范围，结合实验分析差分干涉测量技术（D-InSAR）在地表形变监测的应用前景。

关键词：雷达干涉测量  D-InSAR  地面沉降监测

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年发展起来的一种空间对地观测技术[1]，与传统的方法相比SAR具有全天时、全天候，穿透力强，分辨率高等诸多优点。目前已经被广泛用于获取地面起伏的信息，利用SAR获取的信息通过干涉测量技术InSAR[2]和差分干涉测量技术D-InSAR则可以进一步获取地面高程模型和地面高度的变化[3-4]，因此，这一技术的应用前景受到普遍重视。在垂直变形监测中SAR技术的优点是显而易见的，但是该技术还从未应用到黑龙江的煤矿矿区做地面沉降监测，为此该文将该技术应用双鸭山煤矿矿区，是黑龙江省环境监测领域技术手段革新的一次大胆尝试。

该文试验区为双鸭山，双鸭山市位于黑龙江省东北部，地理坐标：东经130°56'00〃～131°38'49〃，北纬46°21'00〃～46°46'00〃。工业以煤炭生产为主，是黑龙江省主要的煤炭生产地之一，全市共有煤矿233座，建材及非金属矿87座。是一座以煤炭采掘和加工为主的新兴工业城市，素有“煤城”之誉，是黑龙江省储量最大的煤城。地下煤炭资源开采后易形成采空区， 造成开采区地表下沉，对地表居民区、建筑物、交通设施造成危害。因此，煤矿开采区十分重视地表沉降和塌陷的监测。

1 D-InSAR技术的基本原理

D-InSAR技术可以分为二轨法和三轨法，前者是利用事先获取的DEM模拟干涉纹图，然后从整体干涉图中减去这部分信息就得到地面变化信息;后者利用三幅影像生成两幅干涉图，其中一幅干涉图是地表变化前产生的，主要获取地形息，另外一幅干涉图是由两个跨越形变的SAR影像生成，包含了形变信息。这样通过去除地形信息就可以得到形变信息[5]二轨法为例，其基本原理。如图1所示，假设地面点目标两次成像期间位置发生了变化，从P点运动到了P点。

如果地面点未发生变化，S1和S2关于目标P点的相位差可以表示为：

（1）

但是P点有所变化，如图中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此实际的干涉相位φ 为：

（3）

为了提取沉降信息，需要去除平地效应，然后根据数字高程模型、轨道数据和雷达系统参数模拟地形相位并将其去除，进而得到残余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意图只是二轨法差分的理想状况，实际数据处理过程中还需考虑其他因素引起的相位噪声，这里不再赘述。

2 数据处理

2.1 数据准备

本次所采用的TerraSAR数据为自2013年10月至2013年11月的共计3景，具体参数见表1。

2.2 数据处理结果

数据处理得到该区域2013年10-11月的开采形变结果。图2显示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三个干涉组合的相位解缠图，图中圈出了在相位解缠图中发现的煤矿开采形变区，这些开采形变区同双鸭山矿区涉及的各个煤矿的月开采计划位置较一致，从图中可以发现在这些煤矿开采形变区内，形变呈持续发展状态，开采形变位置较一致。另外从本次的相位解缠图中可以明显地看出，20131003-20131014干涉对干涉质量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉质量最差，三个干涉对分别相隔11 d、22 d和33 d，可见在该地区时间去相干现象比较明显，建议后续数据获取时间间隔不超过33 d。

为了进一步显示煤矿开采区的形变信息，将干涉对20131003-20131014进行了局部放大显示，见图3，从图3中可以较明显地看出煤矿开采所导致的地表形变。

3 试验结果数据分析

将数据处理结果进一步提取了特征行变点的形变时间序列，见图4，可见在一个月的时间内，开采形变可达10 cm以上。值得注意的是，本试验监测结果仅是针对相干区域进行了形变值的提取，而大量级的形变会导致影像干涉失相干，也就是说，实际形变情况远远大于本试验监测结果。故D-InSAR技术应用于双鸭山矿区地面沉降监测是可行的，而且具有非常好的前景。

4 结语

地面沉降和地面塌陷都是以地面形变为特征的地质灾害，它们对人民生活和经济建设的造成重大威胁。D-InSAR技术则能以毫米级的精度大面积、快速、经济得获取地表形变信息，其在缓变型地质灾害监测领域的巨大应用潜力得到了越来越多的关注。合成孔径雷达干涉测量技术在双鸭山矿区地面形变监测的成功应用，将会推进该技术在其他煤城的普及应用，为我省四大煤城的建设和发展提供可靠的技术支持。

参考文献

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

[5] 廖明生，林晖.雷达干涉测量——原理与信号处理基础[M].北京，测绘出版社，2003.

摘 要：该文采用常规雷达差分干涉测量技术（D-InSAR），对德国的TerraSAR数据（RAW）进行处理，监测黑龙江省双鸭山矿区煤矿地面沉降，获取监测矿区内地面沉降发生的位置及范围，结合实验分析差分干涉测量技术（D-InSAR）在地表形变监测的应用前景。

关键词：雷达干涉测量  D-InSAR  地面沉降监测

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年发展起来的一种空间对地观测技术[1]，与传统的方法相比SAR具有全天时、全天候，穿透力强，分辨率高等诸多优点。目前已经被广泛用于获取地面起伏的信息，利用SAR获取的信息通过干涉测量技术InSAR[2]和差分干涉测量技术D-InSAR则可以进一步获取地面高程模型和地面高度的变化[3-4]，因此，这一技术的应用前景受到普遍重视。在垂直变形监测中SAR技术的优点是显而易见的，但是该技术还从未应用到黑龙江的煤矿矿区做地面沉降监测，为此该文将该技术应用双鸭山煤矿矿区，是黑龙江省环境监测领域技术手段革新的一次大胆尝试。

该文试验区为双鸭山，双鸭山市位于黑龙江省东北部，地理坐标：东经130°56'00〃～131°38'49〃，北纬46°21'00〃～46°46'00〃。工业以煤炭生产为主，是黑龙江省主要的煤炭生产地之一，全市共有煤矿233座，建材及非金属矿87座。是一座以煤炭采掘和加工为主的新兴工业城市，素有“煤城”之誉，是黑龙江省储量最大的煤城。地下煤炭资源开采后易形成采空区， 造成开采区地表下沉，对地表居民区、建筑物、交通设施造成危害。因此，煤矿开采区十分重视地表沉降和塌陷的监测。

1 D-InSAR技术的基本原理

D-InSAR技术可以分为二轨法和三轨法，前者是利用事先获取的DEM模拟干涉纹图，然后从整体干涉图中减去这部分信息就得到地面变化信息;后者利用三幅影像生成两幅干涉图，其中一幅干涉图是地表变化前产生的，主要获取地形息，另外一幅干涉图是由两个跨越形变的SAR影像生成，包含了形变信息。这样通过去除地形信息就可以得到形变信息[5]二轨法为例，其基本原理。如图1所示，假设地面点目标两次成像期间位置发生了变化，从P点运动到了P点。

如果地面点未发生变化，S1和S2关于目标P点的相位差可以表示为：

（1）

但是P点有所变化，如图中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此实际的干涉相位φ 为：

（3）

为了提取沉降信息，需要去除平地效应，然后根据数字高程模型、轨道数据和雷达系统参数模拟地形相位并将其去除，进而得到残余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意图只是二轨法差分的理想状况，实际数据处理过程中还需考虑其他因素引起的相位噪声，这里不再赘述。

2 数据处理

2.1 数据准备

本次所采用的TerraSAR数据为自2013年10月至2013年11月的共计3景，具体参数见表1。

2.2 数据处理结果

数据处理得到该区域2013年10-11月的开采形变结果。图2显示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三个干涉组合的相位解缠图，图中圈出了在相位解缠图中发现的煤矿开采形变区，这些开采形变区同双鸭山矿区涉及的各个煤矿的月开采计划位置较一致，从图中可以发现在这些煤矿开采形变区内，形变呈持续发展状态，开采形变位置较一致。另外从本次的相位解缠图中可以明显地看出，20131003-20131014干涉对干涉质量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉质量最差，三个干涉对分别相隔11 d、22 d和33 d，可见在该地区时间去相干现象比较明显，建议后续数据获取时间间隔不超过33 d。

为了进一步显示煤矿开采区的形变信息，将干涉对20131003-20131014进行了局部放大显示，见图3，从图3中可以较明显地看出煤矿开采所导致的地表形变。

3 试验结果数据分析

将数据处理结果进一步提取了特征行变点的形变时间序列，见图4，可见在一个月的时间内，开采形变可达10 cm以上。值得注意的是，本试验监测结果仅是针对相干区域进行了形变值的提取，而大量级的形变会导致影像干涉失相干，也就是说，实际形变情况远远大于本试验监测结果。故D-InSAR技术应用于双鸭山矿区地面沉降监测是可行的，而且具有非常好的前景。

4 结语

地面沉降和地面塌陷都是以地面形变为特征的地质灾害，它们对人民生活和经济建设的造成重大威胁。D-InSAR技术则能以毫米级的精度大面积、快速、经济得获取地表形变信息，其在缓变型地质灾害监测领域的巨大应用潜力得到了越来越多的关注。合成孔径雷达干涉测量技术在双鸭山矿区地面形变监测的成功应用，将会推进该技术在其他煤城的普及应用，为我省四大煤城的建设和发展提供可靠的技术支持。

参考文献

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

[5] 廖明生，林晖.雷达干涉测量——原理与信号处理基础[M].北京，测绘出版社，2003.

摘 要：该文采用常规雷达差分干涉测量技术（D-InSAR），对德国的TerraSAR数据（RAW）进行处理，监测黑龙江省双鸭山矿区煤矿地面沉降，获取监测矿区内地面沉降发生的位置及范围，结合实验分析差分干涉测量技术（D-InSAR）在地表形变监测的应用前景。

关键词：雷达干涉测量  D-InSAR  地面沉降监测

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0017-02

合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）是近20年发展起来的一种空间对地观测技术[1]，与传统的方法相比SAR具有全天时、全天候，穿透力强，分辨率高等诸多优点。目前已经被广泛用于获取地面起伏的信息，利用SAR获取的信息通过干涉测量技术InSAR[2]和差分干涉测量技术D-InSAR则可以进一步获取地面高程模型和地面高度的变化[3-4]，因此，这一技术的应用前景受到普遍重视。在垂直变形监测中SAR技术的优点是显而易见的，但是该技术还从未应用到黑龙江的煤矿矿区做地面沉降监测，为此该文将该技术应用双鸭山煤矿矿区，是黑龙江省环境监测领域技术手段革新的一次大胆尝试。

该文试验区为双鸭山，双鸭山市位于黑龙江省东北部，地理坐标：东经130°56'00〃～131°38'49〃，北纬46°21'00〃～46°46'00〃。工业以煤炭生产为主，是黑龙江省主要的煤炭生产地之一，全市共有煤矿233座，建材及非金属矿87座。是一座以煤炭采掘和加工为主的新兴工业城市，素有“煤城”之誉，是黑龙江省储量最大的煤城。地下煤炭资源开采后易形成采空区， 造成开采区地表下沉，对地表居民区、建筑物、交通设施造成危害。因此，煤矿开采区十分重视地表沉降和塌陷的监测。

1 D-InSAR技术的基本原理

D-InSAR技术可以分为二轨法和三轨法，前者是利用事先获取的DEM模拟干涉纹图，然后从整体干涉图中减去这部分信息就得到地面变化信息;后者利用三幅影像生成两幅干涉图，其中一幅干涉图是地表变化前产生的，主要获取地形息，另外一幅干涉图是由两个跨越形变的SAR影像生成，包含了形变信息。这样通过去除地形信息就可以得到形变信息[5]二轨法为例，其基本原理。如图1所示，假设地面点目标两次成像期间位置发生了变化，从P点运动到了P点。

如果地面点未发生变化，S1和S2关于目标P点的相位差可以表示为：

（1）

但是P点有所变化，如图中所示，斜距之差被分解成：

（2）

因此实际的干涉相位φ 为：

（3）

为了提取沉降信息，需要去除平地效应，然后根据数字高程模型、轨道数据和雷达系统参数模拟地形相位并将其去除，进而得到残余相位：

（4）

而沉降量由投影得到：

（5）

上述的示意图只是二轨法差分的理想状况，实际数据处理过程中还需考虑其他因素引起的相位噪声，这里不再赘述。

2 数据处理

2.1 数据准备

本次所采用的TerraSAR数据为自2013年10月至2013年11月的共计3景，具体参数见表1。

2.2 数据处理结果

数据处理得到该区域2013年10-11月的开采形变结果。图2显示了20131003-20131014、20131014-20131105和20131003-20131105三个干涉组合的相位解缠图，图中圈出了在相位解缠图中发现的煤矿开采形变区，这些开采形变区同双鸭山矿区涉及的各个煤矿的月开采计划位置较一致，从图中可以发现在这些煤矿开采形变区内，形变呈持续发展状态，开采形变位置较一致。另外从本次的相位解缠图中可以明显地看出，20131003-20131014干涉对干涉质量最好，20131014-20131105次之，20131003-20131105干涉质量最差，三个干涉对分别相隔11 d、22 d和33 d，可见在该地区时间去相干现象比较明显，建议后续数据获取时间间隔不超过33 d。

为了进一步显示煤矿开采区的形变信息，将干涉对20131003-20131014进行了局部放大显示，见图3，从图3中可以较明显地看出煤矿开采所导致的地表形变。

3 试验结果数据分析

将数据处理结果进一步提取了特征行变点的形变时间序列，见图4，可见在一个月的时间内，开采形变可达10 cm以上。值得注意的是，本试验监测结果仅是针对相干区域进行了形变值的提取，而大量级的形变会导致影像干涉失相干，也就是说，实际形变情况远远大于本试验监测结果。故D-InSAR技术应用于双鸭山矿区地面沉降监测是可行的，而且具有非常好的前景。

4 结语

地面沉降和地面塌陷都是以地面形变为特征的地质灾害，它们对人民生活和经济建设的造成重大威胁。D-InSAR技术则能以毫米级的精度大面积、快速、经济得获取地表形变信息，其在缓变型地质灾害监测领域的巨大应用潜力得到了越来越多的关注。合成孔径雷达干涉测量技术在双鸭山矿区地面形变监测的成功应用，将会推进该技术在其他煤城的普及应用，为我省四大煤城的建设和发展提供可靠的技术支持。

参考文献

[1] Hanssen R F.Radar interferometry [M].Dordrecht/Boston/London：Kluwer Academic Publishers，2001.

[2] Gray L，a Farris P J.Repeat-pass interferometry withairborne synthetic aperture radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sesing，1993，30（1）：180- 191.

[3] Zebker H A，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the deriva2tion of coseismic displacement fields using differential radarinterferometry：the Landers earthquake[J].J GR，1994，99A（1）：1-26.

[4] Fruneau B，Rudant J P，Obert D，et al.Small displacementsdetected by SAR interferometry on the city of Paris[R].Re2search report，1997：1-7.

[5] 廖明生，林晖.雷达干涉测量——原理与信号处理基础[M].北京，测绘出版社，2003.