差分干涉测量(D—InSAR)技术在矿区地面沉降监测中的应用
2021-09-10
来源:意榕旅游网
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2665lO) 摘 要:收集了2008年12月至2009年7月的6景覆盖济宁某矿区ENVISAT ASAR 数据,利用差分干涉测量技术进行矿区地面沉降监测应用研究。通过“双轨法”和“三轨法”进 行差分干涉处理,提取了差分干涉图、增强干涉图、相干图和地面形变图。并且对测量处理结 果进行了分析和讨论,从而验证了差分干涉测量技术在矿区地面沉降监测中应用的可行性。 关键词:差分干涉测量;双轨法;三轨法;矿区地面沉降监测 中图分类号:TP79,TD82 文献标志码:A文章编号:1008—9268(2010)05—0054—07 InSAR技术是以合成孔径雷达复数据提取的 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 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 j。 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 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D— InSAR对德国Ruhrgebiet地区地面沉降进行研 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 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 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 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 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 进行差分干涉处理,并对实验处理结果进行讨论和 分析。 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 。 1 基本原理 1.1 InSAR及差分干涉测量(D-InSAR)的基本原理 收稿日期:2010—08—13 ・ 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 54 ・ GNSS World of China/2010.5 波、平地效应消除、干涉条纹滤波和相位解缠,相高 地面形变图,通过进一步后处理得到地面沉降分布 转换,得到差分干涉图、增强干涉图、相干图、以及 图。InSAR数据处理的基本流程如图1所示 : > 像配影准 基 涉 估— 图生成 线 效— 计 噪 . 滤 波— 去地应 平 — 田 相位解缠 — 计『程算司 —◆ 地理编码 图1 InSAR数据处理基本流程 双轨法是Massonnet等 。 提出的,该方法是 但是,对于无DEM数据的地区,无法使用该方法, 利用监测区域地表变化前后两幅影像生成干涉纹 同时引入DEM数据的同时有可能带入新误差,这 图,再利用事先获取的DEM数据模拟纹图,从干 些是该方法的缺点。双轨法数据处理基本流程如 涉纹图中去除地形信息以得到地表变化信息。无 图2所示: 需进行相位解缠,处理工作量少是该方法的优点。 图2双轨法差分干涉数据处理流程 三轨法是Zebker等 人提出的一种数据处 变干涉对反映地表形变信息,进行平地效应消除 理方法,该方法利用三幅影像生成两幅干涉纹图, 后,分别进行相位解缠,最后利用差分干涉原理计 一副作为地形干涉对反映地形信息,另一幅作为形 算得到地形信息。三轨法的主要优点是无需地面 2010.5/全球定位系统 ・ 55 ・ 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 表3干涉像对参数情况列表 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 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3O m Aster数据作为双轨法差分干涉处理数据的外 ・ 56 ・ GNSS World of China/2010.5 部DEM。 在图4和图5的差分干涉图中,可以看到在图 3差分干涉处理和结果分析 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 采用双轨法处理表1中的干涉像对,把2009 有表现出来。从表2中,可以看出生成图4结果的 年4月3日和2009年6月12日获取的影像为主 干涉像对垂直基线较长,基线长度是相干一个重要 图像,2009年5月8日和2009年7月17日获取的 的限制因素,垂直基线过长可能导致失相干。造成 影像为辅图像,同时引入分辨率为30 m的Aster 图4中差分干涉图没明显干涉条纹的一个重要原 数据作为外部DEM,进行双轨法差分干涉处理,处 因可能是该干涉像对垂直基线过长,造成该干涉像 理后分别生成差分干涉图、增强干涉图、相干图、地 对相干性不强。图4的增强干涉图,相干效果不 面形变图,如图4、5所示。 好,表现出杂乱无章的彩色斑点;图5增强干涉图 在图4和图5的地面形变图中,可以看到尽管 中,有一相干性较好的地方,可能这个地方是该时 所选取的实验数据时间跨度不同,但是差分干涉处 间段,地面沉降最大的所在地,在其它地方基本上 理生成地面形变图中沉降分布范围基本上大体一 没有干涉出来,只是一些噪声表现出的杂乱无章的 致,但是由于干涉选用不同时期的数据进行差分处 彩色斑点。上面是对双轨法差分干涉处理数据生 理,数据相干性存在差异,得出结果与实际情况会 成干涉图的分析。由于双轨法需要引入外部 有误差。这说明双轨法可以从整体上确定矿区的 DEM,外部数据带来误差可能也是导致上面干涉 沉降分布情况。 图现象的其中一个原因。 一■■曩 (a)差分干涉图 (b)增强干涉图 (c)相干图 (d)地面形变图 图4 2009年4月3日一2009年5月8日双轨差分干涉处理结果示意图 一■■曩 (a)差分干涉图 (b)增强干涉图 (c)相干图 (d)地面形变图 图5 2009年6月12日一2009年7月17日双轨差分干涉处理结果示意图 将2008年l2月19日获取的影像作为主图 涉对进行处理;最后,进行三轨法差分干涉处理,获 像,分别以2009年2月27日和2009年5月8日 取差分干涉图、增强干涉图相干图和地面形变图, 获取的影像为辅影像,其中,把2008年12月19日 如图6、7所示。 和2009年2月27日获取的影像作为地表形变前 在图6和图7中的地面形变图中,也可看到沉 获取的两幅影像,作为地形干涉对进行处理;同样, 降分布的相同之处,在形变图中形成了一些“漏斗 把2009年5月8日获取的影像作为地表形变后获 区”。这可以说明,三轨法可以检测到区域地表形 取的影像,将其与主图像作为形变干涉对进行处 变发生的大致位置和范围,并且从得到的结果,基 理;同样,以2009年5月8日获取的影像作为主影 本上可以确定地表形变大致位置和范围。这表明 像,将2009年5月8日和2009年6月12日获取 三轨法可以整体上确定矿区沉降分布情况。 的影像作为地形干涉对进行处理;把2009年5月 在图6和图7中,图6中差分干涉图比图7中 8日和2009年7月17日获取的影像作为形变干 差分干涉图干涉条纹多些,除了垂直基线长度的原 2010.5/全球定位系统 ・ 57 ・ ■圈■■ (a)差分干涉图 (b)增强干涉图 (c)相干图 (d)地面形变图 图6 三轨法数据处理结果示意图(2008年12月19日--2009年2月27日--2009年5月8日) 量圈■露 (a)差分干涉图 (b)增强干涉图 (c)相干图 (d)地面形变图 图7 三轨法数据处理结果示意图(2009年5月8日一2009年6月12日一2009年7月l7日) 因,季节可能也是一个原因,即时间去相干。生成 存在的残余地形相位会对增强干涉图质量带来影 图6结果的干涉像对所处的时间段正是研究区域 响,从而影响最终差分干涉处理的结果。 植被稀疏、雨水较少、天气干燥的时期,这有助于提 相干图表示的是两幅影像的相关性,在相干性 高获取的ASAR数据差分干涉处理精度,提高干 低的地方,可以通过相干图的对比检测出矿区地表 涉效果;而生成图7结果的干涉像对,正处于研究 沉降的大致位置和范围。垂直基线长度,对相干图 区的夏季,植被茂盛、雨水较多,这可能对干涉效果 质量影响很大。从图4~图7的相干图中可以看 有影响;再者,生成图6和图7结果,需要先进行地 出图4相干图质量很差,其他三幅相干图质量较 形干涉像对差分干涉处理,从表3中,可以看出两 好,能够看出明显地物的特征。 个作为地形干涉像对的时间间隔相差不是很大,前 对图4~图7中地面形变图进一步处理,可以 者干涉像对时问处于研究区冬季,后则处于夏季; 获取该研究区域在各时间段的沉降分布,从而可以 并且,由于季节不同,生成含地形信息干涉图效果 从宏观尺度分析该区域在不同时间段的沉降量和 不同,这就造成了最终结果的差异;再者,作为地形 沉降分布。 干涉像对的垂直基线长度对DEM的生成具有影 从图8~图9中,可以看出选取的研究区域都 响,DEM的质量又会影响到差分干涉处理的结果。 存在着不同程度的沉降,一些不明显的沉降可能是 在图6和图7的增强干涉图中,干涉条纹明显程度 开采地下水等原因引起的,也可能是数据处理过程 也不一样,前者较多、较明显;后者则较差一些。除 不可避免的误差引起的。在数据处理中,选用的差 了上面的分析外,相位解缠的质量也有差别,这也 分干涉处理方法不同,最后产生的结果会有差别。 是造成上面现象出现的一个原因。以上是对三轨 这说明差分干涉测量技术可以得到矿区的沉降分 法数据处理生成干涉图的分析。 布。 从差分干涉图到增强干涉图有时需要除去残 以双轨法处理的2009年6月l2日一2009年 余地形相位,主要有梯度拟合法和基线向量调整法 7月17日期间获取的干涉像对和三轨法处理2009 进行残余地形相位去除两种方法。在数据处理中 年5月8日一2009年6月12日一2009年7月17 因干涉图条纹不明显,可以看作没有残余地形相 日期间或取得干涉像对为例,进行沉降面积估算。 位,没有进行残余地形相位去除操作,因而实际 这两个时间段的沉降面积估算如表4、5所示。 ・ 58 ・ GNSS World of China/2010.5 39 30' E’16 E% 10 E 40 30”E 116 40 50 E m 39 30 E116 39 50 E 40 E116 ̄40 30 E ’40 50 E N 。E 磊 。 器 % ‘ 。E 。 1:100,000————■薯篇冀—●尊畜|一-Meters 6'40 ̄'39'50"E11o伽3006009。o'10 E1 图8 2009年4月3日--2009年5月8日期间和2009年6月12日一 2009年7月17日期间的沉降分布(双轨法) 116 59'30 E tb=39 50’E懈 40 10 E丁瞄40 30 E 116。40 5o E N 116 39 30 E 116 39 50 E% 40 lO E116 40 30 E116 40 50' E t 39 30”Et 39 5 E116。40 10 E 40 30 E116 40 50 E 01503O0 6OO 900 12pO 15∞le ̄0 1:100ol00●———■嵩宣■■ 篙 ■■Metes 1:100,000●■■—■■葛譬—■—篁蕾奠■一Me1日 黝 ’镒 11f 图9 2009年5月8日--2009年6月12曰--2009年7月17日期间和2009年 5月8日--2009年6月12日一2009年7月17日期间的沉降分布(三轨法) 表4 2009年6月12日--2009年7月 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。 17日沉降面积估算(双轨法) 沉降值/ram 60~8O 30~6O 沉降面积/km。 1.5O64 1.43 1O~3O <l0 1.1628 O.42O8 4.52 4结论 ∑总面积 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 表5 2008年12月l9日一2009年2月27日一 2009年5月8日沉降面积估算(三轨法) 沉降值/ram 6O~8O 30~6O 沉降面积/km。 O.246 2.5432 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 ・ 20~30 <2O O.8O56 O.9252 ∑总面积 2010.5/全球定位系统 4.52 59 ・ 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 2001. E53 吴立新,高均海,葛大庆,等.基于D-InSAR的煤矿 区开采沉降遥感监测技术分析[J].地理学与国土研 究,2004。2O(2):22—25. 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。 参考文献 E13侯建国,杨成生。王亚男,王宏宇.煤矿开采沉降监测 一[63陶秋香,刘国林,马飞虎,等.轨道差分干涉测量技术 在地面沉降监测中的应用[J].测量信息与工程, 2008,33(4):1-2. [73李晶晶,郭增长.基于DqnSAR技术的煤矿区开采 沉降监测[J].河南理工大学学报,2006,25(4):306- 3O9. 基于合成孔径雷达差分干涉测量的研究l-J].自然 [8]李平湘,杨杰.雷达干涉测量原理与应用[M].北 灾害学报,2009,18(6):71—72. 京:测绘出版社,2006(44):107—108. [23 Gabriel A K,Goldstein R M,Zebker H A.Mapping Small Elevation Changes Over Large Areas:Differen— [93 Assonnnet D M.The displacement field of the Lan— der earth—quake mapped by radar interferometry[J]. Nature,1993(364):l38—142. tim Radar InterferometryEJ3.Journal of Geophysiacal Research,1989,94(B7):9183—9l91. rlO] Zerker H A,Rosen P A,Goldstein R M,eta1.On the derivation of coseismic displacement fields using [3]Wegm U,Strozzi T。Werner C。et a1.Monitoring of mining—-Induced Surface Deformation in the Ruhrgebi—— Differential Radar Interferometry of the LandersEJ]. J Geophys Res,1994,99(B10):19617—19634. et(Germany)with SAR Interferometry[c]∥ IGARSS’OO,Honolulu,USA,2000. [43 Ge L L,Chen H Y,Han S,et a1.Intergrated GPS and Interferometric SAR Techniques for Highly Dense 作者简介 余景波(1984一),男,硕士研究生,主要研究 方向为现代测量数据处理及应用。 E—mail:9 18ky@sina.corn. Crustal Deformation Monitoring[c]∥The 1 4th In— ternal Technology meeting of the Satellite Division of the U.S.1nst.Of Navigation,Salt Lake City,Utah, The Application of Diffential Interfometry Technology in the Mining Area Subsidence Monitoring YU Jing—bo,LIU Guo-lin,CAO Zhen—tan (Geornatics College.Shandong University of Science and Tecnology.Qingdao Shandong 266510,China) Abstract:In this paper,six views coverage of Jining mining ENVISAT ASAR data from Deeemher 2008 to July 2009,were collected,and differential interferometry is used to moni— tor mine subsidence.Extraction of the differential interferogram,enhanced interferogram, eoherenee map and ground deformation map were acquired hy the twO—track method and the three—track method differential interferometric processing respectively.The analysis for them verifies leasibility of applieation for the differential interferometry to monitor land subsidence in mining area. Key words:Differentia interferometry;two—track method;three—track method;mining 】and subsidence ・ 6O ・ GNSS World of China/2010.5