基于融合多视和全分辨率的矿区沉降监测_冷红伟.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 基于融合多视和全分辨率的矿区沉降监测 冷红伟， 陶秋香， 刘国林 （山东科技大学 测绘科学与工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要 针对矿山开采沉降幅度大、 范围小的特点， 提出融合多视和全分辨率监测矿区沉降的方 法。以济宁矿区为研究区， 选取 2 景高分辨率的 TerraSAR-X 影像， 分别采用多视和全分辨率方 法获取研究区内 2017 年 2 月 17 日3 月 11 日的沉降情况； 将两者得到的结果进行融合， 即采 用多视方法监测下沉盆地边缘较小的沉降，采用全分辨率方法监测下沉盆地中心的大梯度沉 降。 结果表明 在这期间济宁矿区最大沉降出现在新驿煤矿， 最大沉降量达到 -74 mm， 最大沉降 速率达到 -3．36 mm/d。 关键词 D－InSAR； 全分辨率； 多视； 大梯度沉降； TerraSAR－X； 矿区沉降监测 中图分类号 TD173文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020） 02－0124-04 Mining Subsidence Monitoring Based on Combination of Multi-Look and Full-Resolution Interferogram LENG Hongwei, TAO Qiuxiang, LIU Guolin （College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract In view of the characteristics of mining subsidence with large amplitude and small scope, a of mining subsidence monitoring by combining multi-look with full-resolution interferogram is put forward． Firstly, Jining Mining Area is selected as the research object and two high resolution TerraSAR-X images are obtained． Next, the subsidence of Jining Mining Area from February 17, 2017 to March 11, 2017 was obtained respectively by multi -look and full -resolution interferogram ． The results obtained by the two s are fused, i．e．, the multi-look is used to monitor the small subsidence at the edge of the sinking basin and the full-resolution is adopted to monitor the large gradient deation at the center of the sinking basin． The results show that the maximum subsidence of Jining Mining Area occurs in Xinyi Coal Mine, the maximum subsidence amount is -74 mm and the maximum subsidence rate is -3．36 mm/d． Key words D-InSAR; full-resolution; multi-look; large gradient deation; TerraSAR-X; mining subsidence monitoring 传统的矿区沉降监测方法如精密水准测量、 全 球定位系统等， 存在耗时、 耗力、 工作量大、 易受天 气影响等缺点。D-InSAR 技术作为近年来逐步发展 起来的一项地面沉降监测技术，能够在短周期内获 取空间连续的地表形变信息， 监测精度可达厘米级， 在地面沉降监测中表现出巨大优势[1],相关科研人员 在利用 D-InSAR 技术方面也取得了很多成果[2-6]。 但 是 D-InSAR 技术在矿区沉降监测中尚未得到大规 模应用，主要原因是由于矿区地表沉降具有幅度 大、 范围小、 相干性差的特点， 限制了 D-InSAR 技术 对矿区沉降的监测能力[7-11]。 现有研究大多在差分干 涉测量之前进行多视处理抑制 SAR 图像的斑点噪 声， 进而获取矿区沉降信息， 而直接采用全分辨率方 法监测矿区沉降的成果较少。 在分析 D-InSAR 可监测最大沉降梯度和沉降 量的基础上，以济宁矿区为研究区，选择高分辨率 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．028 冷红伟， 陶秋香， 刘国林．基于融合多视和全分辨率的矿区沉降监测 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 124-127． LENG Hongwei, TAO Qiuxiang, LIU Guolin． Mining Subsidence Monitoring Based on Combination of Multi-Look and Full-Resolution Interferogram ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 124-127． 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （41774002， 41404003） ;山 东省自然科学基金资助项目 （ZR2017MD020） 移动扫码阅读 124 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 1多视法和全分辨率法矿区沉降图 Fig.1Subsidence distribution map obtained by multi-look and full-resolution interferogram respectively 的 TerraSAR-X 影像作为数据源，分别采用多视和 全分辨率方法进行差分干涉处理，获取济宁矿区 2017 年 2 月 17 日3 月 11 日期间的地面沉降结 果，对矿区沉降结果进行详细的分析，发现多视方 法能有效监测下沉盆地边缘较小的沉降，全分辨率 方法可以监测到更大梯度的沉降。为此，提出融合 多视和全分辨率方法对矿区沉降进行监测，并对融 合后的精度进行了分析。 1D-InSAR 可监测的最大沉降梯度和沉降量 地表运动引起的沉降在 InSAR 干涉条纹图中 表现为一系列干涉条纹，每 1 个条纹颜色变化周期 对应视线方向的沉降为雷达波长的一半， Massonnet 等人[12]认为当 1 个像元内地面沉降量等于 1 个干涉 条纹时，该沉降值刚好被监测到，即为最大沉降梯 度。当 1 个像元内地面沉降量大于 1 个干涉条纹 时， 该沉降值就无法被精确监测到， 由此提出 D-In－ SAR 监测到的最大沉降梯度 dmaxLOS为 dmaxLOS λ 2ps （1） 式中 dmaxLOS为最大沉降梯度，是一个无量纲的 值； λ为传感器波长； ps 为地面分辨率。 干涉图中如果 2 个相邻像素之间的相位差小于 1/4 个波长， 就可以认为研究区相位变化是连续的， 基于此， Chen 等人[13]提出了 D-InSAR 可监测到的最 大沉降量 WmaxLOS为 WmaxLOS r ps λ 4 （2） 式中 r 为下沉盆地的主要影响半径。 2试验数据的选择与处理流程 1） 试验数据的选择。济宁地区的地面沉降主要 受煤矿开采的影响， 为了监测济宁矿区的地表沉降， 分别选取 X 波段的 TerraSAR-X 影像和 C 波段的 Sentinel-1A 影像进行对比试验，试验结果表明， TerraSAR-X 影像比 Sentinel-1A 影像在矿区沉降监 测中有明显的优势①TerraSAR-X 影像的波长更 短， 能够有效的监测矿区短期内的微小形变； ②更高 的分辨率使 TerraSAR-X 影像能监测到更大梯度的 沉降量。因此， 选用成像时间分别为 2017 年 2 月 17 日和 2017 年 3 月 11 日的 2 景 TerraSAR-X 影像作 为数据源， 监测济宁矿区的地表沉降。 2） 数据的处理流程。 双轨 D-InSAR 差分干涉处 理流程如图 1。 首先将辅影像与主影像配准， 达到子 像元级精度，再采用 30 m 分辨率的 SRTM DEM 去 除地形相位。分别利用多视和全分辨率方法对 TerraSAR-X 数据进行干涉处理， 得到差分干涉图和 相干图，多视的视数是由影像的拉伸程度决定的。 接着对差分干涉图做滤波处理，得到滤波后的差分 干涉图， 并采用最小费用流 （MCF） 相位解缠方法对 滤波后的差分干涉图进行相位解缠处理，保证监测 结果的可靠性，将干涉相位值恢复成真实相位值。 最后对其地理编码， 得到最终形变图。 3试验结果与分析 多视法和全分辨率法矿区沉降图如图 1。 从图 1 可以看出，研究区形成了多个明显的沉 降漏斗， 主要分布在新驿煤矿、 义能煤矿、 义桥煤矿 和唐阳煤矿，这些都是煤矿开采造成地面沉降引起 的。 在 2017 年 02 月 17 日3 月 11 日这 22 d 中， 多 视方法监测得到的最大沉降出现在新驿煤矿 （116 38′08″E， 3536′59″N） ， 最大沉降量为-49 mm， 最大 125 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 2融合后的矿区沉降图和沉降剖面图 Fig．2The final subsidence distribution map and subsidence profile 多视方法能有效的监测到下沉盆地边缘较小的 地表沉降，而全分辨率方法可以监测到下沉盆地中 心大梯度沉降。融合多视和全分辨率方法对矿区进 行监测，即保证了整体监测精度，又能监测到较大 梯度的沉降。 4沉降结果验证分析 为了验证融合多视和全分辨率方法监测矿区沉 降结果的可靠性，获取义桥煤矿 2017 年 2 月 13 日3 月 5 日的精密水准数据进行对比，由于 InSAR 监测到的沉降结果为沿雷达视线上的形变， 而精密水准测出的是垂直方向的形变，二者存在差 异，为了将水准数据与 InSAR 测量结果相对比， 先 将水准数据垂直方向的形变转换为雷达视线方向， 再将两者进行对比,D-InSAR 与水准监测结果对比 如图 3。 从图 3 可以看出， D-InSAR监测结果与水准结 果的沉降趋势基本上是一致的。由于 InSAR 和水准 的观测时间不完全一致，且空间上水准测得是 1 个 点的沉降，而 InSAR 监测到的是 1 个像元的形变， 存在点位对准误差。结果表明， 19 个监测点在垂直 方向的最大误差为 23 mm， 均方误差为 10．4 mm， D- 沉降速率为-2．23 mm/d。 义能、 义桥煤矿区周围均发 生了沉降，其中义能煤矿最大沉降量为-45 mm， 义 桥煤矿沉降量较小仅为-24 mm。 全分辨率方法监测 得到的最大沉降也出现在新驿煤矿，最大沉降量 为-74 mm， 最大沉降速率为-3．36 mm/d， 义能煤矿 最大沉降量为-62 mm， 明显大于多视方法监测到的 沉降量。 多视方法处理得到的干涉条纹斑点噪声较少， 但在沉降中心干涉条纹存在缺失部分，可能是由于 沉降量过大发生了失相干现象。全分辨率方法处理 得到的干涉条纹噪声点较多，但在沉降盆地区域生 成的干涉条纹更加密集，甚至在沉降中心也有干涉 条纹出现， 表明全分辨率方法可以监测更大梯度的 形变。 对研究区沉降面积进行统计，沉降量大于 40 mm 的沉降区域，全分辨率方法监测得到的面积约 0．252 km2，大于多视方法监测得到的面积 0．209 km2， 说明全分辨方法在监测矿区大梯度沉降时更有 优势， 能够监测到更大的沉降量。而对于沉降量在- 10～-20 mm 之间的沉降区域， 全分辨率方法监测得 到的面积小于多视方法，这可能是由于全分辨率方 法得到的干涉条纹图噪声较多，使得相干性较低， 监测结果偏小。 为了进一步分析煤矿开采造成的地面沉降， 选 取义桥煤矿为研究区，分别提取 2 种方法监测得到 的沿采煤工作面倾向方向的沉降剖面图。由剖面图 可知矿区沉降速率不均匀，具体表现为从边缘到沉 降中心沉降速率逐渐增加。2 种方法监测到的沉降 趋势大致一致，但是沉降量之间差异较大，在沉降 中心多视方法监测得到的最大沉降量远小于全分辨 率方法监测得到的最大沉降量，且在 50～150 像元 之间多视方法监测到沉降量离散型较大，平均相干 性位于 0．2 附近， 出现了失相干现象， 监测结果不可 信。而全分辨率方法即使在沉降中心相干性也保持 在 0．3 以上，能较好的监测到下沉盆地中心的沉降 量， 能监测到的最大沉降梯度为 0．8310-3。在下沉 盆地边缘沉降量较小的区域，多视方法监测到的沉 降量大于全分辨率方法监测到的沉降量，与水准数 据对比发现，多视方法监测到的沉降量更接近于真 实值。融合后的矿区沉降图和沉降剖面图如图 2。 126 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 3D-InSAR 与水准监测结果对比 Fig．3Comparision between D-InSAR and leveling measurements InSAR 监测结果与水准结果基本相符，说明融合多 视和全分辨方法监测矿区沉降是可行的，监测精度 可达厘米级。 5结语 1） 理论上 TerraSAR－X 影像采用多视和全分辨 率方法处理可监测到的最大沉降梯度分别为 410－3 和 5．310－3，但真实试验中监测到的最大沉降梯度 仅为 0．8310－3，受失相干的影响， TerraSAR－X 影像 可监测的最大沉降梯度远小于理论值。 2） 全分辨率方法能监测到更大梯度的沉降量， 但是监测结果的精度较低，多视方法能有效抑制雷 达图像的斑点噪声，监测结果精度较高，更适合用 于监测下沉盆地边缘较小的地表沉降。 3） 采用融合多视和全分辨率方法对济宁矿区进 行监测，多视方法监测下沉盆地边缘的地表沉降， 全分辨率方法监测下沉盆地中心的大梯度沉降， 结 果表明 2017 年 2 月 17 日3 月 11 日这 22 d 中， 监测到的最大沉降位于新驿煤矿，最大沉降量为－ 74 mm， 最大沉降速率为－3．36 mm/d， 义能煤矿和义 桥煤矿最大沉降量分别为－62 mm 和－24 mm，监测 结果与水准数据相比精度可达厘米级。 参考文献 ［1］ 刘国林， 张连鹏， 成枢， 等．合成孔径雷达干涉测量与 全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性 分析 ［J］ ．测绘通报， 2005 （11） 10－13． ［2］ Massonnet D, Rossi M, Carmona C, et al． The displace- ment field of the landers earthquake mapped by radar in－ terferometry ［J］ ． Nature, 1993,364138-142． ［3］ 王志勇， 张继贤， 黄国满．基于 InSAR 的济宁矿区沉降 精细化监测与分析 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2014， 43 （1） 169－174． ［4］ 刘沂轩， 杨俊凯， 范洪冬， 等．融合 D－InSAR 和 Offset－ tracking 技术的矿区沉降信息提取 ［J］ ．河南理工大学 学报 （自然科学版） ， 2017， 36 （5） 47－52． ［5］ 张晓博， 赵学胜， 葛大庆， 等．基于 Sentinel TOPS 模式 Stacking 技术监测淮南矿区沉降 ［J］ ．国土资源遥感， 2018， 30 （4） 200－205． ［6］ 王磊， 张鲜妮， 池深深， 等．融合 InSAR 和 GA 的开采 沉陷预计参数反演模型研究 ［J］ ．武汉大学学报 （信息 科学版） ， 2018， 43 （11） 1635－1641． ［7］ 陈炳乾．面向矿区沉降监测的 InSAR 技术及应用研究 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2015． ［8］ 彭科翔， 郭广礼， 吴文娟．基于 TerraSAR－X 数据监测 矿区地表沉陷 ［J］ ．煤矿安全， 2013， 44 （6） 48－50． ［9］ Zhao C, Lu Z, Zhang Q． Time-series deation moni－ toring over mining regions with SAR intensity -based offset measurements ［J］ ． Remote Sensing Letters, 2013, 4 （5） 436-445． ［10］ Wempen J M, Mccarter M K． Comparison of L-band and X-band differentialinterferometric synthetic aper- ture radar for mine subsidence monitoring in central Utah ［J］ ． International Journal of Mining Science and Technoogy, 2017 （1） 148-152． ［11］ 武力平,龚浩,赵晓龙,等．基于 DInSAR 技术的阳泉矿 区形变监测与分析 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （7） 193． ［12］ Massonnet D, Feigl K L． Radar interferometry and its application to changes in the Earth’ s surface ［J］ ． Re－ views of Geophysics, 1998, 36 （4） 441-500． ［13］ Chen C W, Zebker H A． Phase Unwrapping for Large SAR Interferograms Statistical Segmentation and Gen－ eralized Network Models［J］ ． IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing, 2002, 40 （8） 1709． 作者简介 冷红伟（1995） ， 山东德州人， 在读硕士研 究生， 现主要从事 InSAR 数据处理与分析方面的研究。 （收稿日期 2019-05-24； 责任编辑 李力欣） 127 ChaoXing