双轨DInSAR矿区地面沉降监测能力分析_陈洋.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 合成孔径雷达差分干涉测量 DInSARDifferen－ tial InSAR 是 在 InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar 的基础上发展起来的一种地面沉降 监测新技术[1-3]。该技术凭借其全天候、 高精度、 覆盖 范围广等特点，已成为监测地表形变的有效手段， 在国内外均取得迅猛发展和丰硕成果[4-6]。Gabriel 等[7]首次验证了 DInSAR 技术可用于探测 cm 级甚至 mm 级的地表形变；Linlin Ge 等[8]利用 DInSAR 实现 对 Appin、 Westcliff 及 Tower 煤矿区的地表沉陷监 测， 所获结果达到1 cm 的精度； Tzampoglou 等[9]基 于 DInSAR 技术， 获取了 Amyntaio 煤矿由于地下水抽 取及采矿活动引发的地面沉降情况；李德仁院士[10] 采用 ERS-1/2 SAR 数据获取了天津市地面沉降等 值线图，与 19951997 年水准测量结果相一致； 赵 超英等[11]基于 DInSAR 技术， 实现对西安地区1992 2006 年间的地面沉降监测， 所获结果与常规方法吻 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.047 双轨 D InSA R矿区地面沉降监测能力分析 陈洋 1， 陶秋香1， 刘同文2， 刘国林1， 王 珂 1， 丁刘建1 （1.山东科技大学 测绘科学与工程学院， 山东 青岛 266590； 2.山东省地质测绘院， 山东 济南 250001） 摘要 利用双轨 DInSAR 及 GIS 空间分析工具对郭屯煤矿 4 景 C 波段 Sentinel-1A SAR 影像进 行精细处理， 获取该煤矿 2015-11-272016-03-02 期间的矿区地面沉降情况； 与矿区工作面以 及同时期水准监测数据进行定性和定量对比分析，提出一种新的 DInSAR 与水准监测结果对比 分析验证方法， 解决 DInSAR 与水准监测时间不一致的问题， 然后综合利用相对误差与绝对误差 对 DInSAR 地面沉降监测精度进行验证， 避免仅通过绝对误差验证 DInSAR 结果时出现的弊端。 结果表明 C 波段双轨 DInSAR 能实时监控由于地下开采以及采空区残余形变引起的地面沉降， 其监测的沉降位置及范围与矿区实际开采工作面相符，且沉降变化趋势与工作面开采进度一 致； 相干性较高的情况下， DInSAR 技术在空间上可以准确探测出与水准监测相符的地面沉降变 化情况， 监测精度可达 cm 级。 关键词 双轨 DInSAR； 矿区； 地面沉降； 相对误差； 监测精度 中图分类号 TD325.4文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0212-07 Analysis of Ground Subsidence Monitoring Capability of Double-track DInSAR Mining Area CHEN Yang1, TAO Qiuxiang1, LIU Tongwen2, LIU Guolin1, WANG Ke1, DING Liujian1 （1.School of Surveying and Mapping Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China；2.Shandong Institute of Surveying and Mapping of Geology, Jinan 250001, China） Abstract The dual-track DInSAR and GIS spatial analysis tools are used to exactly process four scenes C-band Sentinel-1A SAR images of Guotun Coal Mine, obtaining the ground subsidence during 2015-11-27 to 2016-03-02； based on qualitative and quantitative comparison with working face and simultaneous leveling data, a new for comparative analysis of DInSAR and leveling results is proposed to solve the inconsistency between DInSAR and level monitoring time, then, relative error and absolute error are comprehensively used to verify the accuracy of DInSAR ground subsidence monitoring, so as to avoid the disadvantages of verifying DInSAR results only through absolute error. The results show that C-band dual-track DInSAR can monitor the ground subsidence caused by underground mining and residual deation of goaf in real time, and the monitored subsidence position and scope are consistent with the actual mining face, and the subsidence change trend is consistent with the mining progress of the face. In the case of high coherence, DInSAR technology can accurately detect ground subsidence changes consistent with level monitoring in space, with monitoring accuracy up to cm level. Key words dual-track DInSAR； mining area； ground subsidence； relative error； monitoring accuracy 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） 212 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 表 1SAR 影像参数及方案设计 图 1双轨 DInSAR 数据处理流程 合； 杨泽发等[12]结合 InSAR 和水准测量， 获取了矿区 地表动态规律。DInSAR 技术作为常规测量手段的 有效补充，在地面沉降监测及后期治理方面得到广 泛应用。然而， DInSAR 技术发展至今，理论与数据 处理技术已经相对成熟，但在工程实际应用中的进 展却并不理想， 想要了解和使用 InSAR 的单位和个 人， 都会提及 DInSAR 的地面沉降监测精度问题。 这 是一个长期困扰研究者和用户的问题。 实际上， SAR 数据类型、数据处理过程中不同的解算方法和模 型、 对大气延迟、 轨道误差等的处理、 形变体本身的 特性等都会影响 DInSAR 地面沉降监测精度。 1DInSAR 地面沉降监测基本原理 双轨 DInSAR 差分干涉测量是采用形变前后的 2 幅雷达复数影像， 通过共轭相乘得到复干涉纹图， 与已有的 DEM 数据进行差分， 去除地形因素， 从中 提取成像区域地面目标的微小形变信息[13-17]。 DInSAR 获取的相位 φ 与雷达参数、 天线位置、 天 线入射角及地面目标高程紧密相关， 可以表示为 φφflatφtopoφdefφatmφnoise（1 ） 式中 φflat为地球曲面引起的平地相位； φtopo为 地面起伏引起的地形相位； φdef为地表形变引起的相 位； φatm为电离层延迟和对流层延迟引起的大气相 位； φnoise为噪声相位。 DInSAR 通过引入外界高精度的 DEM 来消除地 形相位， 通过去平处理， 去除平地相位的影响， 通过 滤波和多视处理抑制大气相位和噪声相位的影响， 得到由地表形变引起的相位 φdef。但此时的相位 φdef 是缠绕的， 因此还需对其进行相位解缠， 得到由地表 形变产生的真实形变相位 φreal，进一步提取雷达视 线向上的地表形变量△Rtow， 其一般可表示为 △Rtow （λ/4π） φreal（2 ） 式中 λ 为雷达波长。 双轨 DInSAR 数据处理具体流程如图 1。 2研究区与数据源 2.1研究区概况 郭屯煤矿位于菏泽市郓城县境内的巨野煤田中 北部， 南北向约 14 km， 东西向约 13 km， 面积约 180 km2； 矿区内地形平坦， 交通便利， 是重要的交通运输 枢纽。井田开采上覆地区大多为农田，地表面农作 物以小麦、 玉米、 红薯为主， 经济作物有大豆、 棉花 等。随着地下开采工作的持续进行，致使煤矿开采 伴生的地表沉陷问题严重。 2.2数据源 选取了覆盖矿区，时间跨度为 2015-11-27 2016-03-02 的 4 景 C 波段 Sentinel-1A 升轨数据， 构成 3 组干涉对进行两两差分处理。SAR 影像参数 及方案设计见表 1。 为获取准确的地表形变信息， DInSAR 技术需要 引入外界高精度的 DEM 来消除地形相位的影响。 选取美国国家航空航天局 National Aeronautics and Space Administration, NASA提供的 SRTM3 DEM， 空 间分辨率为 90 m， 标称的绝对高程精度为16 m， 绝 对平面精度为20 m[18]。 3DInSAR 数据处理及结果 将表1 中 3 个干涉对的主、辅 SLC 影像配准并 作复共轭相乘， 去除平地相位， 然后利用外部 DEM 去除地形相位，可以得到各干涉对的差分干涉图。 像对 干涉对日期 时间基线/d垂直基线/m 主影像辅影像 1 2 3 2015-11-27 2015-12-21 2016-01-14 2015-12-21 2016-01-14 2016-03-02 24 24 48 -33 -12 -94 213 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 3矿区沉降结果图 图 2研究区域滤波后的差分干涉图 由于受到轨道误差、大气延迟误差、地面植被等影 响，干涉相位不可避免的受到多种噪声的影响， 为 降低相位解缠的难度，保证最终形变结果的质量， 利用自适应的 Goldstein 滤波方法对差分干涉图进 行噪声去除， 在提高相干性的同时， 最大限度保证条 纹清晰度和完整性，研究区域滤波后的差分干涉图 如图 2。其中 A、 B 区域较周边地面而言条纹高度密 集且出现跃变， 因而判断其为地表形变区。 图 2 中相位的变化是以 2 为周期，只要相位变 化超过 2， 相位就会重新开始和循环。 相位解缠是对 去平和滤波后的相位进行解缠处理，使之与线性变 化的地形信息对应，解决 2 模糊的问题。选用最小 费用流法对滤波增强后的差分干涉图进行相位解 缠， 在[-π， π]主值基础上增加 2π 的整数倍， 得到 地表形变真实相位。根据式 （2） ， 由地表形变相位就 可得雷达视线向上的地表形变量，然后再将其转换 成垂直向上的形变量，并经过仿射变换投影到地理 坐标系下。地理编码后矿区地面沉降图如图 3。 4精度验证与评价 4.1与工作面做对比分析 矿区内布设有多个开采工作面，北部自西向东 布 设 有1314、 1312、 1310、 1315、 1308、 1306、 1304、 1302 共 8 个工作面，南部自西向东布设有 1307、 4301、 1305、 1303、 1301 共 5 个工作面，郭屯煤矿工 作面概况见表 2，叠加了工作面的矿区地面沉降图 如图 4。 由图 3、图 4 的 DInSAR 矿区地面沉降监测结 果、 表 2 的矿区工作面信息分析可知 1）在 2015-11-272016-03-02 期间， 郭屯煤 矿区地下开采造成的地面沉降已对周边自然村落、 河流、道路等造成不同程度的影响。上方沉降盆地 位于单垓、魏庙一带，属矿区北部工作面所处的位 置， 下方沉降盆地位于秦庄村、 车楼村、 赵王河故道 一带， 属矿区南部工作面所处的位置。DInSAR 监测 出的沉降位置及范围与煤矿采空区一致。 2） 2015-11-272015-12-21 期间，矿区北部 1306 工作面附近出现沉降盆地，此时 1306 工作面 刚刚结束回采，地表尚未达到稳定状态，仍在缓慢 下沉，且该工作面周边存在已回采的 1302、 1304、 1308、 1310 工作面形成的采空区， 1306 工作面的回 采活动扰动了其上覆岩层，导致厚表土层内含水层 失水及上覆地层压实，从而出现地面沉降，最大沉 降量达到 5.32 cm； 矿区南部 1303 工作面于 2015 年 8 月完成回采， 地表仍在缓慢下沉， 1305 工作面回采 工作正在进行，在其上方出现沉降盆地，最大沉降 量为 4.77 cm。 3） 2015-12-21-201601-14 期间， 1314 工作面 214 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 4叠加了工作面的矿区沉降结果图 表 2郭屯煤矿工作面概况 尚未开始回采，矿区北部 1306 工作面结束回采约 40 d， 由其引起的工作面沉降仍在持续下沉， 但沉降 面积及沉降量均明显减小， 最大沉降量为 3.59 cm； 而矿区南部随着 1305 工作面开采工作的推进， 沉降 程度显著增大， 最大沉降量达到 8.33 cm。 4） 2016-01-142016-03-02 期间，矿区北部 1314 工作面开始回采， 该工作面西北距离宋金河仅 1.5 km， 岩层赋水性较强， 东临已回采的 1310、 1312 工作面， 随着 1314 工作面回采活动的进行， 扰动了 邻近工作面的上覆岩层，岩层持续压缩，导致含水 层中水沙运移，下沉量加大，矿区北部沉降中心位 于 1314 和 1312 工作面，最大沉降量达 8.11 cm， 但 与此同时 1306 工作面上覆地表仍在持续、缓慢下 沉， 造成沉降范围扩大。矿区南部随着 1305 工作面 回采工作持续进行及开采强度的加大，岩层出现垮 落现象， 且 1305 工作面西邻南北向断带， 南部有季 节性河流穿过，开采导致的地下水流失也在加速地 面沉降， 最大沉降量达 11.8 cm。 4.2与水准测量结果做对比分析 由表 2 可以得出， 1305 工作面的回采时段完全 覆盖了影像时间跨度。因此收集了该工作面开采信 息和水准监测结果，定量分析双轨 DInSAR 技术矿 区地面沉降监测的精度和可靠性。1305 工作面倾向 观测线长约 2 800 m， 共布设 55 个监测点， 走向观 测线长约 4 800 m， 共布设 105 个监测点。其观测的 时段为 2013-10-072017-09-20，共进行了 22 期 水准测量。结合 4 景 SAR 影像成像时间，选取了 2015-10-202016-10-24 的 4 期水准监测数据， 其 监测日期分别为 2015-10-20、 2015-12-04、 2016- 01-18、 2016-03-12。 实测水准数据与 SAR 影像获取时间并不完全 一致， 为解决这一问题， 对 160 个水准监测结果进行 线性插值处理，提取与 DInSAR 监测时段相同的水 准监测沉降结果， 验证 DInSAR 地面沉降监测结果。 倾向上 H1、 H40 和走向上 Z50、 Z86 4 个水准点插值 前后沉降值的变化情况如图 5。 工作面走向长/m倾向长/m平均埋深/m回采时间备注 1301 1302 1303 1304 1305 1306 1307 1308 1310 1312 1314 1315 4301 1 800 400 2 070 800 1 823 690 1 150 573 770 1 800 1 350 243 185 200 190 210 130 224 110 240 223 171 102 143 107 380 890 775 845 790 800 - - 800 800 - - - - 2010-112013-01 2010-012010-06 2012-062015-08 2010-092011-03 2013-092016-08 2015-022015-11 2016-04 至今 2011-072012-03 2012-122013-08 2014-122015-06 2016-012016-10 2016-032016-04 2016-102017-01 东邻村庄， 水文地质条件简单 东距 067 县道约 2 km 地表大部为农田， 有零星建筑 地表为农田， 无常年积水， 地面有零星建筑 地表大部分为农田， 无常年积水， 南部有季节性河流 地表大部为农田， 北邻村庄 西邻村庄， 人口密集 地表无常年积水， 有季节性河流自北部通过 地表为农田， 无常年积水， 地面有零星建筑 地表大部为农田 西邻村庄， 西北距宋金河约 1.5 km 地表无常年积水， 水文地质条件简单 地表为农田， 无常年积水， 有季节性河流自南部通过 215 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 5水准数据插值前后累计沉降量对比图 图 6以绝对误差为标准的 DInSAR 与水准数据对比图 在图 5 中，假定 2015-10-20 未有沉降发生， 作 为横轴累积沉降的起始日期。水准监测的每期监测 日期减去起始日期的天数即为累积沉降天数（例如 第 2 期监测日期为 2015-12-04， 相应的累积沉降天 数为 45 d） ； 同样， 4 景 SAR 影像数据的成像日期减 去起始日期即为各水准点在 DInSAR 沉降监测日期 对应的累积沉降天数 （例如第 1 景 SAR 影像数据的 成像日期为 2015-11-27，相应的累积沉降天数为 38 d） ，纵轴为各水准点在水准监测日期和 DInSAR 监测日期的累积沉降量。由图 5 可以看出，各水准 点插值前后的沉降变化曲线是非常吻合的，仅在拐 点处有些许差异， 插值效果良好， 能够反映水准点真 实的沉降趋势，有效解决了水准监测与 DInSAR 监 测时段不一致的问题。 在以往的研究中，通常以 DInSAR 监测结果与 水准实测数据的绝对误差作为评价 DInSAR 监测精 度的标准，但由于监测点沉降量级的不同，仅从绝 对误差大小并不能得出准确的结论，往往出现沉降 量大， 绝对误就大， 沉降量小， 绝对误差就小的片面 性结果。针对这种现象，提出结合绝对误差与相对 误差， 对 DInSAR 监测结果进行全面、 综合性评价的 方法。绝对误差△是指水准测量得到的地面点的沉 降值 L（线性插值后 DInSAR 监测时段上水准监测 的沉降值） 与 DInSAR 监测得到的对应像元沉降值 △R 之间的绝对差值 （△｜L-△R｜） ； 相对误差△r等 于 绝 对 误 差 与 水 准 监 测 沉 降 值 的 比 值 （△r ｜L-△R｜ ｜L｜ ） 。以绝对误差为标准的 DInSAR 与水准数 据对比图如图 6， DInSAR 地面沉降监测的相对误差 如图 7。 其中走向观测线上 78～105 点为实际沉降量 低于 1 mm 的监测点。 由图 6 和图 7 联合绝对误差与相对误差， 对 DInSAR 地面沉降监测结果进行综合性分析 1） 2015-11-272015-12-21 期间，由图 7 （a） 可以看出， 水准监测倾向线 39 点处出现 9.65 cm 的 最大沉降，沉降盆地特征明显； DInSAR 技术在此处 监测到的沉降量为 3.42 cm，二者绝对误差达 6.23 cm。另外， DInSAR 技术虽然也监测出此处是沉降中 心，但最大沉降点与水准监测并不吻合，而是出现 在了 44 点， 最大沉降量为 3.95 cm。 对比分析二者沉 降曲线的形态， 发现在沉降量较小的边缘区域， 2 条 曲线表现出的沉降趋势一致， 绝对误差较小， 而在沉 降中心， DInSAR 监测结果体现出的沉降趋势与水准 监测结果不相符， 绝对误差增大。 同样， 图 6 （b） 二者 的对比分析也呈现出了这种情况。DInSAR 监测结 果与水准监测结果吻合度不高。这主要是因为在这 216 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 一时段内，该区域影像的相干系数仅为 0.47，相干 性较低。 2） 2015-12-212016-01-14 期间，随着 1305 工作面回采工作推进，矿区沉降有所加大，由图 6 （b） 可以看出， 倾向线上 39 点处出现 10.46 cm 的最 大沉降， 沉降盆地特征明显。DInSAR 技术在此处监 测到的沉降量为 7.17 cm，二者绝对误差为 2.09 cm， 其监测到的最大沉降点在 42 点处， 最大沉降量 为 7.67 cm。对比图 6 （b） 和图 6 （d） 中二者监测的沉 降曲线， 发现 2 条曲线形态一致， 表现出相同的沉降 分布和变化趋势，绝对误差在边缘处小，沉降中心 较大。这一时段内， 该区域影像的相干系数为 0.59， 相干性较高。 3）同样， 在 2016-01-142016-03-02 期间， 1305 工作面倾向观测线上水准监测在 41 点处最大 沉降量为 19.78 cm， DInSAR 监测的沉降量也在该点 达到峰值， 为 10.23 cm， 该点绝对误差为 9.54 cm。 走向观测线上水准监测 48 点处出现 17.06 cm 的最 大沉降 ， DInSAR 监测该处沉降为 10.30 cm， 最大绝 对误差为 6.76 cm。对比图 6 （c） 和图 6 （f） 中二者监 测的沉降曲线，二者倾向和走向上的沉降曲线形态 较为一致，绝对误差仍呈现出边缘小、中心大的特 点。这一时段内， 该区域影像的相干系数为 0.55， 相 干性较高。 4） 综合图 6 所得到 1 ） 3） 的分析， 以绝对误差 作为评价标准，反映了 DInSAR 监测结果偏离水准 数据的实际大小，但沉降量对其影响较大，沉降边 缘沉降量小的点，误差就小，沉降中心沉降量大的 点， 误差就大。 仅从绝对误差的角度判断 DInSAR 监 测结果的精度就会得到边缘处监测精度比沉降中心 监测精度高的错误结论。例如， 在图 6 （f） 中， 边缘处 （78105 点） 水准监测的形变均小于 1 mm， 可认为 未有形变发生，而 DInSAR 却监测到该处存在 12 cm 的下沉， 结果并不可信， 但仅从绝对误差来说， 就 会得到该处的绝对误差远小于沉降中心的绝对误 差，结果可信度更高的错误结论。相对误差则很好 地解决了这一问题， 由图 7 可以看出， 对于 mm 级以 上、 地面沉降较大的水准点来说， 同一监测时段内相 对误差的值基本都小于 1，并未表现出明显的边缘 小、 沉降中心大的趋势， 可视为监测精度相同。而对 于低于 mm 级的地面沉降监测点而言，相对误差产 生突变。这就说明 DInSAR 技术无法正确地探测出 低于mm 级的地表形变。 5结论 1） DInSAR 技术监测得到郭屯煤矿在 2015-11- 272016-03-02 期间主要存在 2 个沉降区， 这 2 个 沉降区的位置与郭屯煤矿工作面的位置一致，在 3 个 DInSAR 监测时段内的沉降变化也与工作面的回 采进度、 相互影响及其周边环境相符。基于 C 波段 Sentinel-1A SAR 影像的双轨 DInSAR 技术能够准确 定位矿区沉降中心位置、 沉降区的具体分布和范围。 2） 基于 C 波段的双轨 DInSAR 技术监测矿区地 面沉降，相干性低于 0.5 时， DInSAR 技术可以监测 出沉降的位置和分布，但与水准监测的地面沉降量 比较表明该技术无法探测出与水准监测一致的地面 沉降空间上的变化趋势；相干性大于 0.5 时，双轨 DInSAR 技术不仅可以探测出沉降的位置和分布， 而 且可以得到与水准监测相符的地面沉降空间变化情 况， 但二者沉降量级上的差别表现出边缘小、 中间大 的趋势。 3） 提出的基于线性插值、 联合绝对误差与相对 误差 DInSAR 地面沉降监测结果和水准测量地面沉 降监测结果的方法，有效解决了二者监测时段不一 图 7DInSAR 地面沉降监测的相对误差 217 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 致的问题，避免了仅利用绝对误差进行精度验证的 弊端。定量对比分析表明基于 C 波段的双轨 DIn－ SAR 技术监测矿区地面沉降， 其精度可达 cm 级， 但 对低于 mm 级的地表形变并不敏感，此时 DInSAR 监测结果不可信。 参考文献 ［1］YANG Zefa, LI Zhiwei, ZHU Jianjun, et al． Locating and defining underground goaf caused by coal mining from space－borne SAR interferometry［J］ ． Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2018, 135 112. ［2］ 陶秋香， 刘国林， 刘伟科． L 和 C 波段雷达干涉数据 矿区地面沉降监测能力分析 ［J］ ．地球物理学报， 2012， 55 （11） 3681－3689． ［3］ 赵梦雪， 刘国林， 王志伟． 济宁地区高速公路沉降监 测与分析 ［J］ ． 测绘科学， 2017， 42 （11） 135－140． ［4］De Novellis V, Castaldo R, De Luca C, et al． Source modelling of the 2015 Wolf volcano（Galpagos）erup－ tion inferred from Sentinel 1 －A DInSAR deation maps and pre－eruptive ENVISAT time series ［J］ ． Jour－ nal of Volcanology and Geothermal Research, 2017, 344 246－256． ［5］ 高腾飞， 陶秋香， 刘国林， 等．L 波段 D－InSAR 在矿区 地面沉降监测中的应用 ［J］ ．中国科技论文， 2016， 11 （15） 1738－1743． ［6］ 龙四春， 唐涛， 张赵龙， 等．DInSAR 集成 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