基于D-InSAR 技术的钱营孜煤矿地面沉陷
监测研究
闫建伟1,2，汪云甲1,2，陈国良1,2
基金项目：国家公益性行业专项基金（200809128）；国家自然科学基金（50774080） 作者简介：闫建伟（1987-），男，硕士研究生，摄影测量与遥感、D-InSAR 地面沉降监测
通信联系人：汪云甲（1960-），男，教授，研究方向为地理信息工程与资源环境评价等. E-mail: wyj4139@https://www.doczj.com/doc/7f1692837.html,
（1. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116； 5
2. 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州 221116）
摘要：基于D-InSAR 技术，利用两景L 波段的ALOS PALSAR 影像，采用“两轨法”差分干涉技术获取了钱营孜煤矿区在2010年1月13日到2月28日间的地面沉陷信息，并与同一时期该矿区地面监测站所获取的沉降变形数据进行了比较。结果表明，在试验研究期间，钱营孜煤矿开采区因开采沉陷造成的核心沉陷区的沉降量在30cm 以上，最大值达到48cm ，10
与地面站水准测量的结果一致。
关键词：摄影测量与遥感；D-InSAR ；地表沉降；沉陷监测；两轨法 中图分类号：P237
Monitoring of ground subsidence with D-InSAR in
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Qianyingzi Coal Mine
YAN Jianwei 1,2, WANG Yunjia 1,2, CHEN Guoliang 1,2
(1. School of Environment and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology,
Xuzhou 221116, Jiangsu;
2. Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering, Xuzhou
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221116, Jiangsu)
Abstract: Based on the principles of D-InSAR(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry), two scenes ALOS PALSAR RAW SAR image of two periods in 2010 acquired are selected as experimental data. The deformation was extracted by way of “two pass” D-InSAR. The results show that the key subsidence from Jan 13 to Feb 28 caused by underground coal mining is more then 30cm 25
during the period and the max is 48cm, which is correspond with the leveling measurement. The subsidence obtained can reflect the actual state of the area.
Key words: Photogrammetry and Remote Sensing ；D-InSAR ；surface subsidence ；subsidence monitoring ；two pass
30 0 引言
地下煤炭资源的开采在地表形成的沉陷盆地给矿区的生态环境带来了一系列损害，如何准确地监测预测煤矿开采沉陷问题一直受到人们的关注。常规的监测方法存在着周期长、成本高、监测不全面等不足。 自从Gabriel 等人第一次论证了合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR ）可用于探35
测地表形变[1]以来，凭借着具有全天候的主动成像方式、能够提供地面短时间内的连续变化信息、可以弥补常规地面测量的诸多缺陷等突出优点，D-InSAR 技术在地表沉降监测研究领域越来越受到人们的青睐，并被逐渐引入到地震、火山、城市、矿区地表沉降监测的试验应用中。国内的吴立新、姜岩、高均海等人先后进行了以唐山矿、开滦矿区为例的煤矿区地
表演变与开采沉陷D-InSAR 监测实验研究[2,3]
。但由于煤矿区自身的特殊性，如矿区地面植
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被密集、地表覆被变化迅速等，基于D-InSAR 技术的矿区沉陷监测尚有一些困难有待克服。
钱营孜煤矿是位于我国皖北地区的一座刚刚投产中的新开采煤矿，目前采用D-INSAR 技术对新开采煤矿进行沉陷监测的研究还较少，同时，开展对新开采煤矿区的D-InSAR 地面沉陷监测研究对于监测预测煤矿的开采沉陷问题也有着积极的作用。 1 D-InSAR 形变监测原理
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雷达干涉测量的相位主要由几部分组成，可以用下面的公式[4]表示：
flat top def orb atm noi φφφφφφφ=+++++ （1)
式中：fla t φ为地球曲面引起的平地效应相位；to p φ为地形引起的相位；o rb φ为轨道误差引起的相位；a tm φ为对流层及电离层延迟引起的大气相位；n o i φ为噪声引起的相位；d e f φ是由地表形变引起的相位。通过一系列处理，可以利用两次观测影像的精密轨道数据消除orb φ相位分量，50
忽略noi φ相位分量，可以应用干涉图叠加的方法来提高形变信息和大气干扰信号之间的信噪比，降低a tm φ相位分量，从而将(1)式右边的orb φ、atm φ、noi φ消除，再除去平地相位fla t φ，只剩下由地形和形变引起的相位top φ、def φ。
D-InSAR 技术就是通过对两幅干涉条纹图进行差分来消除地形相位top φ的处理过程。
合成孔径雷达差分干涉测量技术是利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是形变事件55
发生前获取的两幅SAR 影像生成的干涉图像，另一幅是形变事件前后获取的两幅SAR 图像生成的干涉图像，通过对这两幅干涉图进行差分处理（除去地形影响）来获取地表微量形变的测量技术[5]。
两轨法差分干涉测量技术首先利用在地表变化前后分别获取的两幅SAR 图像生成包含
地形和形变相位的干涉条纹图，然后利用从其他途径获得的研究区的DEM 数据模拟生成地60
形起伏相位，差分以消除地形相位，从而得到地表的形变信息。这种方法需要地表发生形变前后获取的两幅SAR 影像和该地区的DEM 数据[6]。
2 钱营孜煤矿D-InSAR 地面沉陷监测
2.1 研究区和试验数据
钱营孜煤矿位于宿州市西南，2010年投产，其中心位置距宿州市约15km ，行政区划隶65
属于宿州市和淮北市濉溪县，地理坐标为东经116°51′～117°00′和北纬33°27′～33°32′之间。矿区位于淮北平原的北部，为黄河、淮河水系形成的冲积平原，采区内地形平坦，农田与树木密集。
有相关研究表明：相比ERS C 波段的数据而言，L 波段的SAR 数据更适宜于研究平原
地区的地面沉降[7]。由于钱营孜煤矿是位于平原地带的新开采煤矿，因此SAR 数据选择了70
近期的两景L 波段的覆盖矿区范围的ALOS PALSAR 的数据，影像的分辨率为10米。这两景影像的获取时间均在冬季，可以较好地消除由于植被变化带来的失相关影响。表1中列出了本文中选用的两景SAR 影像的详细参数信息。
DEM 数据采用SRTM3数据，该数据在我国境内的分辨率为90m ，平原地区绝对高程精
度优于5m ，可以满足两轨法差分干涉测量的DEM 要求。由于SAR 影像覆盖面积为东经
75
33.36°~34°，北纬116.5°~117.38°之间，故收集了N33E116.hgt，N33E117.hgt两景SRTM-3 DEM
数据，覆盖了从北纬33°到34°，东经116°到118°的范围。
表1 SAR影像信息列表
Tab.1 Parameters of SAR images
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SAR系统时间中心经纬度水平基线距(m)垂直基线距
（m）
时间基线(天)
ALOS PALSAR 2010-1-13 33.670/ 116.939 0 0 0
ALOS PALSAR 2010-2-28 33.667/ 116.948 449.5 606.2 46
2.2数据处理
采用著名的瑞士GAMMA干涉雷达影像处理软件进行数据处理。图1是本文中采用两轨法D-InSAR技术监测煤矿区地面沉陷的技术流程。
图1 两轨法D-InSAR矿区地面沉陷监测技术流程
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Fig.1 processing of ground subsidence monitoring of coal mine with 2-pass D-InSAR 步骤一：生成干涉相位图
在试验中以2010年1月13日的影像为主影像，2010年2月28日的影像为辅影像，进行干涉处理。两景SLC影像经过配准和干涉处理，得到干涉相位图。
90
步骤二：对干涉图去平、滤波、相位解缠
采用精密轨道数据通过去平地效应，去除参考面相位；采用自适应滤波器对干涉相位图进行噪声抑制，减少噪声相位对形变监测结果的影响；采用最小费用流方法，以相干系数为权，对干涉相位进行相位解缠。
步骤三：两轨法差分，获得形变图
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采用两轨法消除干涉相位中地形相位的影响。首先利用SRTM3 DEM数据反演模拟地形相位，然后将之与经过相位解缠后的干涉相位图进行差分，获得形变图。由于实验区位于平原地带，地形起伏很小，研究中由DEM误差引入的相位误差可被忽略。
3沉陷监测结果与分析
100
图2矿区沉陷图
Fig.2 mining subsidence map
从图2的矿区沉降图可以清楚地发现，在2010年1月13日到2010年2月28日这一监105
测时间段内，钱营孜矿区的某一区域有着明显的地面沉陷（图中亮黄色似圆形区域）。
图3 联合地理要素的沉陷图
Fig.3 subsidence map of geographical factors combined
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图3是联合雷达后向散射图并与钱营孜矿区图进行过配准后的沉陷信息图，从中可知图2中的沉陷范围区位于矿区开采中的工作面的北半部分。超过30 cm的核心沉陷区位于该工作面开采区的正上方，沉降中心的最大沉降量达到48厘米。
钱营孜矿区在开采工作面的上方建有地表移动观测站，采用GPS技术、全站仪测量系
统、水准测量等方式，按规定的周期与精度要求采集观测站监测点移动信息。
该观测站首次测量时间为2009年11月，现有多组观测数据，为了将D-InSAR 监测结115
果与地面监测站的结果进行有效地比较，选取2010年1月14日和2月26日的观测形变量进行分析。
‐0.6
‐0.5‐0.4‐0.3‐0.2
‐0.100.1Z 102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133K 3K 2K 1
沉降量
地面点号
3212工作面地面监测数据与D ‐InSAR 沉降数据比较图
地面监测量
D ‐InSAR 监测量
图4 地面站监测数据与D-InSAR 监测数据比较
Fig.4 comparison of subsidence curves between leveling and D-InSAR
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将试验中获取的地表沉陷量与相同时期地面监测站监测到的形变量进行对比分析，如图4所示，发现两者存在高度的一致性。
4 结论
本文以钱营孜煤矿为试验区，研究了在新开采煤矿区进行D-InSAR 地表沉陷监测的技125
术。在试验中为了提高监测结果的精度，选用了在平原地区更为有利的L 波段的SAR 影像，同时试验时间段选择在了植被覆盖较为稀疏时的冬季。最终利用两轨法D-InSAR 技术提取了开采区的沉陷信息，在将监测沉陷量与同时期矿区地面监测站监测的结果进行比较后，发
现两者相吻合。 130
[参考文献] (References)
[1] A K Gabriel, R M Goldstein, H A Zebeker ．Mapping small elevation changes over large areas: Differential radar interferometry[J]． Journal of Geophysical Research, 1989, 94: 9183-9191．
[2] 吴立新，高均海，葛大庆等．工矿区地表沉陷D-InSAR 监测实验研究[J]．东北大学学报（自然科学版），
2005（8）：778-781．
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[3] 姜岩，高均海．合成孔径雷达干涉测量技术在矿山开采地表沉陷监测中的应用[J]．矿山测量，2003（1）：5-7．
[4] 范景辉，郭华东，郭小方等．基于相干目标的干涉图叠加方法监测天津地区地面沉降[J]．遥感学报，2008（1）：111-118．
[5] 刘国祥．Monitoring of Ground Deformations with Radar Interferometry[M]．北京：测绘出版社，2006． 140
[6] 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，2002.
[7] Nakagawa H, Murakami M, Fujiwara S, et al ．Land subsidence of the Northern Kanto Plains caused by ground water extraction detected by JERS-1 SAR interferometry [J]．International Geosciences and Remote sensing symposium, 2000(5)：2233-2235．
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