论文部分内容阅读
摘要：D-InSAR是近年来发展比较迅速的微波遥感技术，它具有全天候、全天时、覆盖面广、高度自动化和高精度监测地表变形的能力，已成为具有很大潜力的空间对地观测新技术。详细推导了合成孔径雷达差分干涉测量( D-InSAR) 技术的优势，分析了D-InSAR技术在矿区沉陷监测中的问题，并结合新技术对存在的问题提出了解决方案，从而使D-InSAR技术可以对煤矿区地面沉陷得到更有效的监测。
关键词：开采沉陷；监测；D-InSAR
Abstract: D-InSAR is a microwave remote sensing technology developed rapidly in recent years, it has all-weather, all-day capability, wide coverage, high degree of automation and high precision surface deformation monitoring, has become a potential space of new earth observation technique. A detailed derivation of the differential interferometric synthetic aperture radar (D-InSAR) technology, analysis of the D-InSAR technology in the subsidence monitoring in mining area, combined with the new technology, proposes some solutions to the existing problems, so that the D-InSAR technology can be used in coal mining area subsidence of ground to be monitored more effectively.
Key words: mining subsidence; monitoring; D-InSAR
中图分类号：TU74
引言：我国作为一个煤炭资源开采大国，煤炭资源开采造成大面积的地表形变，不仅对地表的建筑物、道路、农田造成不同程度的破坏，而且影响了矿区和周边地区的生态环境。及时、准确地监测矿区地面沉陷及其发展过程是煤矿区面临的重要任务。近年来，迅速发展起来的合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR，Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术可以高精度监测地表的微小地形变化，是水准测量和 GPS 测量的有效补充，将其应用到矿山开采沉陷监测当中，可以对地下煤炭开采引起的地表变形进行自动化、全天候、连续空间覆盖的监测。由此可见，应用 D-InSAR 技术进行矿区地表形变监测将是今后矿区地表形变监测发展的趋势。
一、D-InSAR 在煤矿区开采沉陷监测中的优势
对于区域动态监测而言,使用差分GPS 技术动态监测地表点的位移则丧失其优势。以一景典型的SAR 图像(对应实地范围100km ×100km, 设平均分辨率为20m ×20m ) 为例,如果全部使用GPS 观测,大约需要215 ×107 台接收机,这是极不经济也是不现实的。与常规水准测量和GPS 测量相比,遥感卫星干涉测量在获取地面沉降信息方面,具有巨大的信息量优势(表1) 。
表1 D-InSAR 与常规水准测量及GPS 测量的比较
Table 1 ComparisonbetweenD - InSAR,normalsurve yandGPS
D-InSAR 利用遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息进行地表垂直形变量的提取,其精度达到了厘米级甚至毫米级。SAR 能穿透云层且没有昼夜之分(全天候) ,一次能覆盖几百至上千平方千米范围,利用该地区不同时期复雷达图像中任意时间间隔的2 张图像进行干涉处理,可以获得整个覆盖范围内与成像时期相对应的沉降位移数据,使得矿区及更大范围的地表沉降数据的获取十分迅速,以至可以接近准实时动态监测。
二、D-InSAR技术在矿区沉陷监测应用中的相关问题
D-InSAR技术在矿区地面沉陷监测中表现出了独特优势，但是新技术毕竟要不断接受各种复杂实际问题的考验。此外，由于航天 SAR传感器及D-InSAR技术自身的缺陷和矿区地面沉陷灾害本身的特点，使得该技术在实际应用过程中出现了一些典型的问题。
1.D-InSAR技术相位的失相关问题
相位的失相关问题是矿区测量过程中，经常遇到的问题。因为，基线的长度、轨道发生偏移、轨道不平行、地面沉陷的速度过快以及在连续获取数据期间发生了过多的地面沉陷等都可能导致失相关问题的发生；阴雨天气、恶劣气候、覆盖在地表的植物农田、季节性的变化等也会造成时间失相关。此外，大气相位延迟也会严重影响差分干涉测量的精确度。
2.相位解缠时容易发生误差
相位解缠误差主要发生在相位梯度过大的边坡陡坎区，这些区域相位的不连续性很强。从不同起始点经过不同积分路径进行相位累计得到的结果可能不同，这就直接降低了解缠的计算精度，甚至存在错误。
3.煤矿区开采沉陷没有雷达回波信号
在煤矿开采区，塌陷有时候来的比较迅猛，矿区地表情况发生巨大变化，甚至在几天内就有可能发生巨大塌陷，这个时间段内雷达没有录取到一个重返周期的观测数据，在雷达影像上会引起极大的失相干。此外，在我国许多煤矿塌陷地、塌陷坑有大面积的积水存在，也容易造成这些区域雷达信号没有回波。
三、针对问题所采取的相应解决方案
随着D-InSAR技术在应用中不断的自我完善和其它数字处理方法的不断进步，D-InSAR技术与其它先进的地球探测技术结合的更紧密，D-InSAR技术本身在矿区地面沉陷监测中的不足不断被克服。
1.PS技术的应用能够解决D-InSAR 技术的自身缺陷
PS技术是“永久散射体技术"(Permanent Scatterers Technique)的简称。PS技术在一定的适用条件下，可以避免时间上失相关因素带来的影响。条件一、通常都需要20～30以上的雷达数据集，这是因为模拟大气需要比较充足的数据，条件二、实际监测的区域面积要在10km×10km以内，因为，足够大的面积内地表形变类型更接近线性形变。PS技术的出现对D-InSAR 技术有一个很好的补充，它是在从一组时间序列的SAR图像中选取那些雷达反射强度及相位信号在长时间内基本保持稳定的能保持高相干性的点作為PS点，这些点基本上不会随时间的推移而变化，数据可以很好的保持相干性，进而可以录取煤矿开采区的地表形变和DEM等精确信息。
2.GPS技术在D-InSAR技术的应用，提高了监测精度
GPS的定位技术是近年来发展起来的精度较高的技术，据不完全统计，它能够达到10-8甚至更高的精度，在高精度的定位和变形监测方面有独特优势，更重要的是采样周期很短，能够在数十秒钟至几个小时内的时间间隔内重复采集数据，这些数据能够减少D-InSAR 数据处理过程中的不确定因素，排除干扰因素，提高数据处理能力，提高矿山监测的精准度。此外，GPS在D-InSAR技术中的另一个应用是：校正D-InSAR数据产品的误差，去除大气条件产生的相位失相关，因为它可以推算出对流层延迟和电离层延迟。
四、结束语
随着开采的进行，矿区地面沉陷时有发生，为了城市和矿区的可持续性发展，必须采用新技术和新方法来监测、分析和重新认识这一重要课题。D-InSAR差分干涉测量技术虽然由于D-InSAR技术及矿区沉陷自身的特点，在矿区沉陷监测的应用上尚存在一些技术难题，但是在应用过程中已经显示出了矿区地面沉降高精度监测上的不可比拟的技术优势。随着全球卫星雷达系统的进一步发展，可以预见，D-InSAR技术将在矿区沉陷监测领域得到更广泛的应用，必定成为未来矿区沉陷监测新技术的发展方向。
参考文献：
[1] 王超，张红，刘智.星载合成孔径雷达干涉测量［M］• 北京：科学出版社，2012.
[2] 吴立新，高均海,等.工矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究.东北大学学报.2005.8
[3] 王桂杰，谢谟文，等.D-InSAR技术在大范围滑坡监测中的应用.岩土力学.2010.4
[4] 吴立新，高均海,等.基于D-InSAR的煤矿区开采沉陷遥感监测技术分析. 地理与地理信息科学.2004.3
关键词：开采沉陷；监测；D-InSAR
Abstract: D-InSAR is a microwave remote sensing technology developed rapidly in recent years, it has all-weather, all-day capability, wide coverage, high degree of automation and high precision surface deformation monitoring, has become a potential space of new earth observation technique. A detailed derivation of the differential interferometric synthetic aperture radar (D-InSAR) technology, analysis of the D-InSAR technology in the subsidence monitoring in mining area, combined with the new technology, proposes some solutions to the existing problems, so that the D-InSAR technology can be used in coal mining area subsidence of ground to be monitored more effectively.
Key words: mining subsidence; monitoring; D-InSAR
中图分类号：TU74
引言：我国作为一个煤炭资源开采大国，煤炭资源开采造成大面积的地表形变，不仅对地表的建筑物、道路、农田造成不同程度的破坏，而且影响了矿区和周边地区的生态环境。及时、准确地监测矿区地面沉陷及其发展过程是煤矿区面临的重要任务。近年来，迅速发展起来的合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR，Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术可以高精度监测地表的微小地形变化，是水准测量和 GPS 测量的有效补充，将其应用到矿山开采沉陷监测当中，可以对地下煤炭开采引起的地表变形进行自动化、全天候、连续空间覆盖的监测。由此可见，应用 D-InSAR 技术进行矿区地表形变监测将是今后矿区地表形变监测发展的趋势。
一、D-InSAR 在煤矿区开采沉陷监测中的优势
对于区域动态监测而言,使用差分GPS 技术动态监测地表点的位移则丧失其优势。以一景典型的SAR 图像(对应实地范围100km ×100km, 设平均分辨率为20m ×20m ) 为例,如果全部使用GPS 观测,大约需要215 ×107 台接收机,这是极不经济也是不现实的。与常规水准测量和GPS 测量相比,遥感卫星干涉测量在获取地面沉降信息方面,具有巨大的信息量优势(表1) 。
表1 D-InSAR 与常规水准测量及GPS 测量的比较
Table 1 ComparisonbetweenD - InSAR,normalsurve yandGPS
D-InSAR 利用遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息进行地表垂直形变量的提取,其精度达到了厘米级甚至毫米级。SAR 能穿透云层且没有昼夜之分(全天候) ,一次能覆盖几百至上千平方千米范围,利用该地区不同时期复雷达图像中任意时间间隔的2 张图像进行干涉处理,可以获得整个覆盖范围内与成像时期相对应的沉降位移数据,使得矿区及更大范围的地表沉降数据的获取十分迅速,以至可以接近准实时动态监测。
二、D-InSAR技术在矿区沉陷监测应用中的相关问题
D-InSAR技术在矿区地面沉陷监测中表现出了独特优势，但是新技术毕竟要不断接受各种复杂实际问题的考验。此外，由于航天 SAR传感器及D-InSAR技术自身的缺陷和矿区地面沉陷灾害本身的特点，使得该技术在实际应用过程中出现了一些典型的问题。
1.D-InSAR技术相位的失相关问题
相位的失相关问题是矿区测量过程中，经常遇到的问题。因为，基线的长度、轨道发生偏移、轨道不平行、地面沉陷的速度过快以及在连续获取数据期间发生了过多的地面沉陷等都可能导致失相关问题的发生；阴雨天气、恶劣气候、覆盖在地表的植物农田、季节性的变化等也会造成时间失相关。此外，大气相位延迟也会严重影响差分干涉测量的精确度。
2.相位解缠时容易发生误差
相位解缠误差主要发生在相位梯度过大的边坡陡坎区，这些区域相位的不连续性很强。从不同起始点经过不同积分路径进行相位累计得到的结果可能不同，这就直接降低了解缠的计算精度，甚至存在错误。
3.煤矿区开采沉陷没有雷达回波信号
在煤矿开采区，塌陷有时候来的比较迅猛，矿区地表情况发生巨大变化，甚至在几天内就有可能发生巨大塌陷，这个时间段内雷达没有录取到一个重返周期的观测数据，在雷达影像上会引起极大的失相干。此外，在我国许多煤矿塌陷地、塌陷坑有大面积的积水存在，也容易造成这些区域雷达信号没有回波。
三、针对问题所采取的相应解决方案
随着D-InSAR技术在应用中不断的自我完善和其它数字处理方法的不断进步，D-InSAR技术与其它先进的地球探测技术结合的更紧密，D-InSAR技术本身在矿区地面沉陷监测中的不足不断被克服。
1.PS技术的应用能够解决D-InSAR 技术的自身缺陷
PS技术是“永久散射体技术"(Permanent Scatterers Technique)的简称。PS技术在一定的适用条件下，可以避免时间上失相关因素带来的影响。条件一、通常都需要20～30以上的雷达数据集，这是因为模拟大气需要比较充足的数据，条件二、实际监测的区域面积要在10km×10km以内，因为，足够大的面积内地表形变类型更接近线性形变。PS技术的出现对D-InSAR 技术有一个很好的补充，它是在从一组时间序列的SAR图像中选取那些雷达反射强度及相位信号在长时间内基本保持稳定的能保持高相干性的点作為PS点，这些点基本上不会随时间的推移而变化，数据可以很好的保持相干性，进而可以录取煤矿开采区的地表形变和DEM等精确信息。
2.GPS技术在D-InSAR技术的应用，提高了监测精度
GPS的定位技术是近年来发展起来的精度较高的技术，据不完全统计，它能够达到10-8甚至更高的精度，在高精度的定位和变形监测方面有独特优势，更重要的是采样周期很短，能够在数十秒钟至几个小时内的时间间隔内重复采集数据，这些数据能够减少D-InSAR 数据处理过程中的不确定因素，排除干扰因素，提高数据处理能力，提高矿山监测的精准度。此外，GPS在D-InSAR技术中的另一个应用是：校正D-InSAR数据产品的误差，去除大气条件产生的相位失相关，因为它可以推算出对流层延迟和电离层延迟。
四、结束语
随着开采的进行，矿区地面沉陷时有发生，为了城市和矿区的可持续性发展，必须采用新技术和新方法来监测、分析和重新认识这一重要课题。D-InSAR差分干涉测量技术虽然由于D-InSAR技术及矿区沉陷自身的特点，在矿区沉陷监测的应用上尚存在一些技术难题，但是在应用过程中已经显示出了矿区地面沉降高精度监测上的不可比拟的技术优势。随着全球卫星雷达系统的进一步发展，可以预见，D-InSAR技术将在矿区沉陷监测领域得到更广泛的应用，必定成为未来矿区沉陷监测新技术的发展方向。
参考文献：
[1] 王超，张红，刘智.星载合成孔径雷达干涉测量［M］• 北京：科学出版社，2012.
[2] 吴立新，高均海,等.工矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究.东北大学学报.2005.8
[3] 王桂杰，谢谟文，等.D-InSAR技术在大范围滑坡监测中的应用.岩土力学.2010.4
[4] 吴立新，高均海,等.基于D-InSAR的煤矿区开采沉陷遥感监测技术分析. 地理与地理信息科学.2004.3