基于D—InSAR技术的矿区发展的研究综述

基于DInSAR技术的矿区发展的研究综述0 引言目前，对矿区沉降监测的主要手段有传统的水准、GPS、EDM测量等。然而这些监测方法都需要耗费大量的人力，物力和财力，不适合用于对矿区进行快速、准确、实时的监测。合成孔径干涉雷达InSAR）是近年来发展起来的一种先进的空间对地观测技术。其方便快捷、覆盖范围广、空间分辨率高等特点，使InSAR技术迅速成为国际研究的热点。近年来，InSAR技术在监测矿区沉陷和地质灾害方面应用已取得了一定的成果，Canec等首先用D-lnSAR监测了法国Gardanne附近煤矿的沉降【1】。2000年，Canec和Delaeourt又用相同的方法得到了该煤矿1992到1995年的地面沉陷变化，和地面的水准测量结果相似【2】；2009年，Perski等对波兰的wieliezka盐矿，采用InsAR技术进行监测与分析【3】。目前，我国学者也己开展了用D-InSAR技术监测矿区沉降的研究。基于前人研究的基础上，本文以甘肃平凉矿区为研究对象，采用D-InSAR技术对地表开采沉陷进行监测研究，为更好的了解矿区地表形变特征，同时也将进一步拓展和完善D-InSAR技术在矿山领域的实际应用。1 数据与处理方法D-InSAR技术是通过对两幅干涉条纹图进行差分来消除地形相位的处理过程。根据去除地形相位采用的数据和处理方法的不同，D-InsAR的方法可分为：两轨法、三轨法和四轨法。文中采用两轨法进行处理。本文以甘肃华亭煤矿为例，开展利用D-InSAR技术提取煤矿沉陷形变的量级和范围的研究。华亭煤矿位于甘肃省平凉市，从地质构造角度，该区域位于六盘山断裂带的中段东侧。考虑到研究区域地表植被覆盖茂密，本文选取了日本ALOS PALSAR卫星影像资料，波长23.6cm，对植被有较好的穿透能力，影像获取时间为2007年7月至2010年7月，共11景升轨数据。本文采用瑞士GAMMA公司开发的GAMMA雷达干涉处理软件进行SAR影像数据处理，具体流程如下：获取干涉图：确定主、辅影像，经配准、干涉、基线估计等步骤后得到干涉相位图；文中的DEM采用美国NASA公开的SRTM DEM来模拟地形相位，空间分辨率为90m（3弧秒）。将SRTM DEM与主影像进行配准，转换到雷达坐标系下，模拟地形相位。获取形变量：从步骤中获取的干涉图去除地形相位，得到差分干涉图，经相位解缠，地理编码，获得形变信息。数据处理时，为了提高干涉图的信噪比，对干涉图进行了两次基于频谱的自适应滤波，滤波窗口分别为32x32、64x64，多视因子给定4：9，即每个像元约为60x60m2。通过自由组合干涉，共挑选出7个相干性较好的干涉图，各干涉图的空间垂直基线和时间间隔如图1所示，显然，大部分干涉图垂直基线较短，小于1km，较大程度地削弱了外部DEM误差对最终形变结果的影响。2 结果分析华亭煤矿是上个世纪甘肃省发现并开发规模最大的煤田，目前开采量依旧较大，通过对7幅干涉图（图2）的对比分析可以得到如下几点结论和认识：L波段具有较强的植被穿透能力，干涉图相干性较好，仅在煤矿沉陷形变梯度较大的地方失相干，其他区域全部相干，显示出L波段雷达影像在煤矿沉陷监测中应用的潜力和优势；煤矿沉陷的时间应发生在2008年5月26日到2009年7月14日之间。首先，图2b、c、d均选取的是非公共影像干涉图，表明干涉图中的条纹信号不是大气相位延迟，也不是外部DEM误差引起的相位，即2007年至2009年煤矿发生了沉陷，引起了地表局部范围变形；其次，图2a、e、g中并未显示出明显的形变条纹，由此可以断定煤矿沉陷发生的时间介于2008年5月26日到2009年7月14日之间；从图2b、c、d中可以看出，煤矿沉陷引起的地表最大变形约8cm；通过图2b、c、d，可以圈定煤矿沉陷的形状和范围。沉陷区域近似南北向的矩形，其中南北长约3km，东西宽约2km。一般煤矿沉降可以简单的分为三个阶段：缓慢沉降阶段、快速沉降阶段和沉降减缓并且消失阶段。图2a、e应属缓慢沉降阶段，图2b、c、d、f应为快速沉降阶段，图g为沉降消失阶段。通过监测沉降速率缓慢阶段的出现并采取积极措施能够避免危害性较大的快速沉降阶段的出现，因此监测地面沉降对保证矿区安全生产和及时控制并阻止地面沉降的发生非常有用。3 结论本文采用两轨法D-InSAR技术获取了甘肃平凉华亭煤矿在2007-2010年的地表形变场，结果表明，华亭煤矿沉陷在2008年5月26日到2009年7月14日之间十分明显，最大形变达到8cm，沉陷范围为近似南北向矩形，南北长约3km，东西宽约2km。最后通过区域小震活动分布情况证实了本文InSAR结果的可靠性。表明D-InSAR技术监测到的沉陷信息可以较为准确的反映矿区实际沉陷状况，显示出了巨大的潜力和优势，可以作为一种获取大范围煤矿区的地表沉陷的有效方法，为研究我国煤矿区的沉陷提供了有效的方法。参考文献：【1】Carnec C， Massonnet D， and King C. Two examples of the use of SAR interferometry on displacement fields of small spatial extent .Geophysical Research Letters， 1996， 23（24）：3579-3582.【2】Carnec C and Delaeourt C. Three years of mining subsidence monitored by SAR inierferometry near Gardanne Franee.Joumal of Applied Geophysies，2000，43：43-54.【3】Perski Z，Hanssen R，Wojeik A， etal. InSAR analyses of terrain deformation near the Wieliczka Salt Mine. Poland Engineering Geology，2009，106（3）：58-67.【4】吴立新，高均海，葛大庆等.工矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究.东北大学学报（自然科学版），2005，26（8）：775-752.【5】董玉森，Ge Liulin， Chang Hsingchun，张志.基于差分雷达干涉测量的矿区地面沉降监测研究.武汉大学学报（信息科学版），2007，32（l0）：888-892.【6】刘广，郭华东， Ramon Hanssen，等. InSAR技术在矿区沉降监测中的应用研究，国土资源遥感，2008，76（2）：51-57.【7】范洪冬.InSAR若干关键算法及其在地表沉降监测中的应用研究.中国矿业大学，2010.Massonnet D， Rossi M， Carnlona C，etal. The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry . Nature， 1993， 364（8）：138-142.陈艳玲.星载SAR及InSAR技术在地球科学中的应用研究.中国科学院研究生院（上海天文台），2007.