双轨d-insar技术监测矿区地面沉降的应用

化状况，选取具备高穿透植被能力的L波段的ALOS PALSAR数据，基于双轨D-InSAR技术对采煤塌陷进 行动态监测，获取矿区的形变信息，并与水准数据进行对比分析，进而为有效的进行矿山地质环境保护与治

理恢复提供一定的理论依据和技术支持&［关键词# 合成孔径雷达差分干涉测量；地面沉降；采煤塌陷［中图分类号］TP722 6P258 ［文献标识码］A ［文章编号］1007 —或。。-。-。)。# —0100 —40 引言地面沉降是一种分布较为广泛且缓变的地 质灾害，其存在会对各种建筑物、构筑物的安全

降的变化特征，本文结合济宁某矿区的实际情

况,选取具备高植被穿透能力的L波段的ALOS

PALSAR数据，基于双轨D-InSAR技术对采煤

塌陷进行动态监测，获取矿区的形变信息，并与

状况产生严重的影响，比如：房屋裂缝、道路塌 陷、桥梁倒塌等现象，影响着人们的生命和财产 安全)因此，采取更为适宜的手段对地面沉降进 行监测已成为社会热点关注问题之一 \"T。而星

水准数据进行对比分析，从而为有效地进行矿山 地质环境保护与治理恢复，保障人民生命财产安

全，促进经济、社会、环境协调发展提供依据。1双轨D-InSAR数据处理流程双轨D-InSAR是在InSAR技术的基础上发

载合成孔径雷达干涉测量技术(interferometric

synthetic aperture Radar, InSAR)以其全天候、

全天时、大范围的工作能力，且具备穿云透雾、穿

展而来的，其基本原理是获取同一地区的地表形 变发生前后的两幅SAR影像，分别称之为主影

透植被和土壤一定深度的优势，在监测矿区和城 市地面沉降领域得到了广泛的应用朱茂

像和辅影像，对主辅影像进行精确配准、干涉处 理生成干涉图；然后基于外部参考DEM数据对

等5应用PSP-InSAR技术获取了深圳市某地铁

站周边建筑群的形变数据,对建筑物受沉降灾害 的影响进行了风险评估；杨魁等6以天津市某基 坑周边的渤海大楼为例，基于高分辨率Terra-

该地区的干涉相位进行模拟，生成模拟SAR影 像，同时与主影像进行精确配准、前向地理编码， 生成模拟的干涉图；最后进行差分干涉处理，从

干涉图中去除地形相位信息，经过滤波处理、相

SAR影像进行了 InSAR监测与应用分析；邹昊

等7采用PS-InSAR技术对峰峰矿区某矿采空区 进行了形变监测，研究分析了开采工作面累积下 沉与开采时间之间的相互关系。位解缠和后向地理编码，便能够获取地表形变信 息。双轨D-InSAR数据处理流程如图1所示。2应用试验2.1研究区与数据源介绍山东省济宁市煤炭资源储量丰富，含煤面积为研究D-InSAR技术监测矿区地面沉降的 有效性，分析并掌握由于煤矿开采引起的地面沉

［收稿日期］2019 —07—16\"作者简介］杨乾坤(1986 — )，男，河南上蔡人，大学本科，工程师，从事测绘方面的技术工作)E-mail: yangqiankunchn@ 163. com第34 卷 第1 期杨乾坤.双轨D-InSAR技术监测矿区地面沉降的应用101表1 ALOS PALSAR影像对基本参数干涉对类型获取日期orbit1042311094Track/Frame入射角/(°)垂直基线/m1主影像2008 年 01 月 08日2008 年 02 月 23日2009 年 01 月 10日2009 年 02 月 25日449/700449/700449/700449/70034.334.334.334.3辅影像6791952主影像15791辅影像1623 920 km?,但经过多年的高强度开采，该地区出现

了大面积的地面沉降据有关资料记载,预计到

2.2 数据处理结果按照图1所示的双轨D-InSAR数据处理流

2020年，全市采煤塌陷土地将达到599. 4 km2，严

重制约着济宁市城市规划建设和现代转型发展「-10#)程，基于GAMMA软件分别对干涉对1(影像获 取时间为2008年01月08日〜2008年02月23

图1双轨D-InSAR数据处理流程考虑到煤田大多深藏在植被土壤之下，因此 选用具备更强植被穿透能力的L波段ALOS

PALSAR数据，用来监测济宁某矿区地面沉降的

变化状况。试验收集了 4景数据，分别组成2组

干涉对，干涉对的基本参数如表1所示。同时，双轨D-InSAR需要外部参考DEM数 据,且较高精度的DEM更有利于降低外部参考

DEM对D-InSAR技术获取地面沉降监测结果

的精度影响，因此，试验选取的外部DEM数据为

地面分辨率为30 m的SRTM DEM,影像覆盖区

域如图2所示。图2影像覆盖区域图日)和干涉对2(影像获取时间为2009年01月10 日〜2009年02月25日)进行双轨差分干涉处

理，得到部分结果如图3和图4所示。(b)滤波前的差分干涉图(c)滤波后的差分干涉图(d)形变图图3

2008年01月08日〜2008年02月23日处理结果图试验过程中，米用的是Goldstein滤波方法， 该方法能够在一定程度上减少由时空基线引起 的失相干噪声，进而提涉条纹的清晰度。通

过目视解译，能够在图3和图4的形变图中判断

出该研究区内存在多个沉降区域以及沉降发生 的大致位置和范围。这充分说明了，通过D-In-

SAR技术能够对由于矿区开采引起的地面沉降

发生的大致位置和范围进行有效的探测。102北京测绘第34 卷 第1 期到右依次编号为1,2,…，17,如图5（b）所示。将

D-InSAR形变测量结果投影至垂直方向后，对比

（a）强度图（b）滤波前的差分干涉图（c）滤波后的差分干涉图（d）形变图图4

2009年01月10日〜2009年02月25日处理结果图3 结果分析为进一步研究由于某煤矿开采引起的地面沉

降的实际情况，选取图3和图4中沉降最为显著的 区域（见图3和图4形变图中矩形区域所示）进行 精细的处理与分析。首先将地理编码后的形变图

导入ArcGIS中，统计沉降区域的沉降量变化，沉

降量统计图如图5所示；然后将D-InSAR监测结 果与收集到的水准数据进行对比分析。通过分析图5可知：（1）沉降量随着时间的 推移在不断增大。在2008年01月08日〜2008

年02月23日和2009年01月10日〜2009年02

月25日监测周期内，通过D-InSAR技术获取的 最大沉降量分别为148. 4 mm、242. 0 mm。同 时,发现获取的沉降量在沉降中心位置为最大,

然后逐渐向沉降边缘减小；（2）沉降中心位置发 生明显的偏移。沉降中心位置由西南方向向东

北方向偏移，经查询相关资料，偏移与开采工作 面的掘进方向是相吻合的，进一步证实了该区域 产生的地面沉降是由于煤矿的开采引起的。为进一步验证利用D-InSAR技术监测地面沉

降的精度，结合收集到的水准数据获取时间（水准 数据监测时间为2009年01月09日和2009年02 月24日），在矿区内选取了 17个水准测量点，从左两种监测结果的偏差，如图6所示。沉降-148-4-130.0 〜—-130Q-110.0 -110.0—90.0■-90.0^-70.0-70.0^-50.00-30.0^-10.0-50.0^-30.0 匚二I -10.0^0(a) 2008年01 月 08 日-2008年02 月 23 日沉降量3）■ -242.0^-190.0-190.0—-170.0-170.0^-150.0-150.0—-130.0■ -130.0^-110.0■ -110.0^90.0■ -90.0^-70.0 匚二| -70.0^-50.0O -50.0^-30.0 I -30.0^-10.0 -10.0^0(b) 2009年01 月 10 H-2009年02月 25 0图5沉降量统计图水准监测结果— D-InSAR监测结果1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

点号图6 水准和D-InSAR监测结果对比通过图6中可以看出：（1）两种监测结果的 沉降趋势大致相同。通过两种监测方法获取的 沉降结果均呈现出从沉降中心向沉降边缘逐渐

减小的趋势，形成明显的漏斗状；（2）以水准监测

结果为准，在沉降量较大的10〜14号水准点上,

D-InSAR技术监测到的沉降量同样是较大的，且 D-InSAR监测结果均小于水准监测结果。在1〜 9号和15〜17号水准点上，D-InSAR监测结果均

大于水准监测结果；（3）两种监测方法获取的监

测结果有差异，但这是合理的。其中，存在差异

的原因有多种，比如：①水准监测的时间段与D-

InSAR监测的时间段不能完全一致；②SAR数

据质量的影响（分辨率、重访周期、大气延迟等因

第34 卷 第1 期杨乾坤•双轨D-InSAR技术监测矿区地面沉降的应用103素)；③数据处理过程中的参数设置等)参考文献\"1#马飞虎，姜珊珊，孙翠羽•采空区变形监测技术的研究进展：J1 北京测绘，201832(2) ：149-155.4结束语本文为研究D-InSAR监测矿区地面沉降的 有效性，选取某一矿区为研究对象，基于双轨D-

邹积亭，刘运明.D-InSAR在地面形变监测中的应用研究 :J#.北京测绘，2009(2)：19-22.InSAR技术的数据处理流程，得到处理过程中的

关键结果图，进而为下一步精细化研究与分析由 于煤矿开采引起的地面沉降做好了坚实的铺垫)

王志勇，张继贤，黄国满•基于*sar的济宁矿区沉降精细 化监测与分析\"#•中国矿业大学学报,2014,43(1)： 169-173 [4#高腾飞，陶秋香，刘国林，等.L波段D-InSAR在矿区地面沉同时，监测到该矿区在2008年01月08日〜2008

降监测中的应用:J#.中国科技论文，2016, 11 (15)： 1738-1743\"#朱茂，沈体雁，黄松，等.InSAR技术地铁沿线建筑物形变监

年02月23日和2009年01月10日〜2009年02 月25日不同的监测时间段内地面沉降分布、沉 降量和沉降中心位置变化等真实状况，并与最邻 近时间段内的水准监测结果进行了对比分析)

测\"#.国土资源遥感，2019 312)： 196203\"#杨魁，闫利，刘俊卫，等.基坑环境下建筑物沉降InSAR监测

应用\"#•测绘科学，2017,42(10):165-169.\"#邹昊,邓喀中.基于PSInSAR技术的老采空区地表沉降监测

通过试验证实，通过D-InSAR技术能够定性与定 量的监测与分析地面沉降状况，并且验证了该区

研究\"#•煤炭技术，2017,5(6) ：175-177.\"#王娜，徐素宁，周家晶.基于DInSAR技术的煤矿区地面沉陷

域产生的地面沉降确实由煤矿开采引起)综合

分析\"#•中国地质灾害与防治学报201627(2):110-114.\"#廖明生，王腾.时间序列InSAR技术与应用:M#.北京：科学

说来，通过D-InSAR技术获取的地面沉降结果可 以为该矿区后续的合理开采、综合治理和可持续

出版社2014.\"0#赵梦雪，刘国林，王志伟.济宁地区高速公路沉降监测与分

析\"#•测绘科学，2017,42(11) ：1l5-14015l•发展提供一定的理论依据和技术支持)Study of The Two-pass Differential InSAR In Monitoring Jining

Mining-induced Subsidence

YANG Qiankun(Ningxia Coal Mine Design Research Insttute Company Lim+ed, Yinchuan Ningxia 750001, China)Abstract: D-InSAR (Differential interferometry synthetic aperture radar) technology has unique advant ages and great

developmen po enialinmoni oring hesubsidenceofminingareas.Inorder oanalyzeandob ain hechangesof he

ground subsidence in the Jining mining, ALOS PALSAR data in L-band wth high vegetation penetration capacity are selected to conduct dynamic monitoring of coal mining co lapse based on two-track D-InSAR technology to obtain the subsidence information. Moreover, the montoring results are compared with the leveling data. Furthermore, it pro­

vides theoretical basis and technical support for effectively protecting and restoring the mine geological environment.

Keywords：differentialinterferometrysyntheticapertureradar；miningarea；groundsubsidence