结合星载与地基InSAR技术的露天矿地表形变监测

武丽梅 金丽华 王晓波 岳 昊 关辅兴

(自然资源部第二大地测量队, 哈尔滨 150025)

摘要：为了保障露天矿区安全生产及运营,针对露天矿区形变区难以及时识别与监测问题,采用星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)和地基 InSAR联合监测模式,对露天矿区开展不同阶段、多尺度的形变区域识别与监测,分析形变趋势,研究二者InSAR技术在露天矿区形变区调查、重点形变区确定及监测预警的应用效能。研究结果表明：星载InSAR技术实现对露天矿区的广域地表形变监测,且识别出重点形变区,分析形变发展趋势;地基InSAR实现了对露天矿区重点边坡形变区进行近实时、高频率的监测,根据监测数据变化趋势,判别形变发展阶段;两者InSAR技术结合应用,充分发挥各自优势,星载InSAR实现面域形变区识别与监测,地基InSAR实现重点形变区的高频监测及无法形成有效干涉形变区的补充监测,获取了更为详细、全面的形变信息,为露天矿区形变灾害监测预警提供高效、可靠的监测数据,提升露天矿区防灾减灾的能力。

0 引言

露天矿区资源开采不仅给社会发展和经济建设带来了重要物质基础,同时也改变和破坏了矿区的地表及地下环境的自然平衡,长时间持续开采,将会形成一系列的地质灾害(如坍塌、破裂、连续形变、边坡滑坡等),严重威胁矿区生产安全和周边地基稳定。如何准确掌握露天矿形变位置、范围和趋势,以及准确对重点形变区域进行实时监测预警预报等问题是露天矿安全生产的重要工作内容。因此,开展露天矿区地表形变及重点形变区域的实时动态监测预警预报十分必要的[1-2]。

星载合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)是一种远程非接触、面阵同时获取测量的形变监测技术,具有受天气影响小、覆盖范围大、测量精度高(精度可达到毫米级)等优势,适用于矿区大区域形变区识别及重点形变区域确定,在矿区形变灾害普查调查和监测具有重要价值[3-4]。由于雷达卫星较长的重坊周期,使连续测量能力不足;雷达卫星飞行方向固定,监测方向不灵活,使星载InSAR技术难以满足露天矿区边坡重点形变区高频、近实时动态和应急监测,需要辅助其他技术。地基合成孔径雷达测量技术是由星载InSAR技术转化为地基测量的一种手段,是一种远程非接触、小区域同时监测的技术,具有观测视角灵活、高时间、高空间分辨率的形变信息监测能力[5],监测精度达到了亚毫米级[6],实现对露天矿边坡重点形变区监测与预警预报[7],但监测范围有限。针对星载InSAR和地基InSAR各自优势,利用星载InSAR对露天矿区开展广域形变识别与监测,定位矿区的形变位置;再结合地基 InSAR技术具有观测灵活、高时空、测量精度高等优势,对露天矿区重点形变区进行高频、高精度形变监测。本文通过星载InSAR和地基InSAR联合监测手段,获取露天矿区不同阶段、不同尺度的形变信息,研究露天矿区形变情况及发展趋势,探索星载InSAR和地基InSAR联合监测模式的优势,验证了星载InSAR和地基InSAR联合监测手段在露天矿区地表形变监测中重要价值。

1 基本原理

1.1 星载InSAR技术

星载时间序列InSAR技术是以常规的雷达差分干涉测量(differential interferometry synthetic aperture radar,D-InSAR)技术为基础发展的多时相SAR影像差分干涉处理技术。由于时空失相干、大气、地形等因素,影响了常规D-InSAR技术形变监测精度[8-9]。为了削弱常规D-InSAR技术的限制因素,提高其形变监测精度,可通过利用多次重复轨道观测,形成冗余观测次数来实现。其中短基线集干涉测量(small baseline subsets InSAR,SBAS-InSAR)是常用、典型的时间序列InSAR技术[10-12]。它是一种以多主影像为基础,构成较多干涉对,提取高相干点,获取研究区的时间序列形变信息,其原理是：首先对覆盖研究区的不同监测时段的多期SAR影像计算时间和空间基线,设置恰当的时间和空间基线的阈值,组合得到较多的干涉像对;然后对干涉像对进行差分干涉处理,得到干涉图集,再对干涉图进行选取,将选取好的干涉图进行相位解缠,得到差分相位图;最后对所有差分相位图组成相位方程采用最小二乘平差法和奇异值(SVD)分解法进行形变信息的估计,从而得到形变信息数据[3]。在实际处理中,采用数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据去除地形因素的影响,结合时空滤波方法排除大气延迟的影响,得到非线性形变信息,估算的形变速率与该非线性形变信息为该研究区的形变信息。

1.2 地基InSAR技术

地基InSAR技术是一种高级微波干涉、远程监控的高精度微形变雷达监测技术[13-16],它集成了步进频率连续波(step frequency continuous wave,SFCW)技术、合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)技术等[13]。地基InSAR系统是对同一研究区域进行连续观测,在监测时段内持续获取研究区SAR图像,这就是地基InSAR系统的获取数据的原理[14]。地基InSAR数据处理的原理与星载InSAR基本一致,但由于地基雷达系统为零空间基线,且已知的轨道参数,因此,在数据处理时不需要考虑基线估计、去地平效应等因素。经过图像配准、差分干涉、相位滤波、相位解缠、大气相位补偿、形变结果反演计算、地形数据和形变结果配准等数据处理过程,得到研究区的形变信息[15]。

2 研究区概况和数据

2.1 研究区

选取巴润露天矿为研究对象,属于内蒙古自治区包头市白云鄂博矿区,位于阴山山脉之北,乌兰察布草原西北部,坐落于蒙古高原南部,南部、西部为延绵起伏的草原。该露天矿区呈近东西狭长带状,长9.8 km,宽1.9 km,面积17.45 km2,见图1。

图1 研究区示意图

2.2 星载InSAR数据

采用覆盖露天矿区的Sentinel-1卫星C(波长5.6 cm)波段IW模式SAR影像,空间分辨率为5 m×20 m,研究时间为2021年3月3日—2021年12月4日,重复轨道最短时间12 d,最长时间36 d,共选用17期SAR影像(表1)。受时间、空间基线等因素影响,选取2021年3月3日的SAR影像作为主影像,开展SBAS-InSAR数据处理。时间序列处理使用ALOS World 3D DEM数据,空间分辨率为30 m×30 m。星载SAR数据基本参数见表2。

表1 选取影像基本参数

表2 星载SAR数据基本参数

2.3 地基InSAR数据

采用中国安全生产科学研究院自主研发的边坡雷达系统(S-SARⅡ), 该系统工作在Ku波段,最远监测距离为5 km,1 km处的方位向分辨率为3 m,距离向分辨率为0.3 m,图像获取周期为5～10 min。利用该地基雷达系统对该露天矿区南帮边坡开展连续监测(图2),监测时间为2021年4月23日—4月28日,采集间隔是10 min,共获取了672期地基雷达影像数据,影像距离向分辨为0.3 m,方位向分辨率为8.8 mrad。地基InSAR系统配置参数见表3。

图2 地基InSAR观测视角图

表3 地基InSAR系统配置参数

3 结果分析与讨论

3.1 星载InSAR监测结果

利用星载时序InSAR技术对2021年3月—2021年12月期间获取的覆盖该露天矿区的升轨Sentinel-1 SAR影像数据在SARscape平台上进行时间序列处理,得到了该露天矿区长时间序列的地表形变特征信息(图3),其形变结果满足内符合精度。图3中,形变速率正值(白色)表示地物向卫星运动方向靠近,形变速率负值(黑色)表示地物向卫星运动方向远离。结果显示,该露天矿整体区域比较稳定,局部区域形变严重,形成了三个严重的形变区域(A区、B区、C区);该露天矿地区监测到形变速率范围在-35.7 mm/a～4.3 mm/a之间,其中A区监测到形变速率最大值达-35.7 mm/a,位于该矿南帮边坡区域;B区监测到形变速率最大值是-18.5 mm/a;C区监测到形变速率最大值是-14.8 mm/a,且B区和C区位于该矿区周边。

图3 研究区形变速率图

为了研究该矿区形变时空特征及其稳定情况,对该矿区南帮边坡区域形变A区进行剖面及时间序列分析。沿A形变区的西-东方向(即该矿区南帮边坡横向方向)和南-北方向(即沿该矿区南帮边坡纵向方向,为从边坡上边到矿底方向)选取两条剖面线A1-A1’和A2-A2’,绘制了两条典型剖面线,提取了地表形变速率和地形信息。剖面线图4(a)中未发现该边坡横向方向形变速率变化与地形信息有相关性,且该方向形变速率绝对值由中间部位向两侧逐渐减小。由剖面线图4(b)可知,该边坡纵向方向形变速率变化与地形信息具有明显相关性,该区域形变速率绝对值随着高程(逐渐延伸矿区底部)减小,逐渐增大。同时选取该边坡最大形变速率绝对值作为形变特征点(图3五角星位置),研究该边坡在研究时间内是否稳定。由图5可知,形变特征点在研究时段内无明显突变点和加速阶段,且统计线性回归模型R2为0.986,表示该A区形变情况呈现显著的近线性趋势。说明该边坡形变处于等速形变阶段,该边坡处于稳定形变状态。

(a)A1-A1’

(b)A2-A2’

图4 研究区A形变区形变速率剖面线图

图5 形变特征点的时序形变演化过程曲线图

3.2 地基InSAR监测结果

图6为地基InSAR获取该露天矿区累计形变量,地基InSAR系统安置在该露天矿区南帮对面,形变量正值(白色)表示向天线方向靠近移动,即矿区边坡向下移动;形变量负值(黑色)表示向天线方向远离移动。在监测时间段(2021年4月23日—4月28日)内该露天矿南帮边坡无明显的向下滑动趋势,且得到了较为完整的边坡整体的形变信息。监测结果显示,地基InSAR监测点的累计形变量绝对值大部分集中在5 mm以内,表示该边坡在监测时间内整体处于稳定形变期,但局部区域形变较为严重,最大累计形变量为64.8 mm。

图6 矿区南帮监测区域形变量图

为进一步明确形变区域的形变趋势及稳定性,遴选了形变区域内2个典型形变特征点,分析其时序特征,发现该两个形变特征点的形变量整体上呈现逐渐累加的情况,其形变趋势基本表现为近线性趋势,无突变点及加速点,即处于等速形变阶段,研究时段内最大形变量分别为36.5 mm、42.1 mm。

3.3 星载与地基InSAR的联合分析结果

通过星载InSAR技术监测到该露天矿地区存在3个严重形变区域,其中A区域形变最为严重,处于该露天矿区内,分布在该露天矿区南帮边坡,且该区域形变速率随着高程减小(逐渐延伸矿区内),逐渐增大,直到失相干。为研究失相干区域形变量情况,采用地基InSAR技术对该露天矿区南帮边坡进行形变监测研究,得到了该露天矿区南帮边坡形变结果。监测结果显示,大部分测量点的累计形变量绝对值集中在5 mm以内,表示该边坡在监测时间内整体处于稳定形变阶段,且统计星载InSAR结果重叠区域形变量绝对值均在8 mm以内;但局部区域形变较为严重,沿着该露天矿南帮边坡从上向下(高程逐渐减小),形变量逐渐变大,形变范围逐渐变大,最大累计形变量为64.8 mm,该最大值位于星载InSAR结果失相干区域。在仅考虑量值的情况下,星载InSAR技术采用是C波段的Sentinel-1雷达影像,波长(λ)为5.6 cm,失相干区域由于形变变化较快,超过了星载InSAR技术的极限。结合星载与地基InSAR技术得到形变区域的形变趋势及稳定性分析,说明该露天矿区南帮边坡在2021年4月23日—4月28日期间比较稳定,且星载InSAR结果在2021年4月20日至5月14日的形变量变化量为2 mm以内,表示了在该时间段内该矿区南帮边坡是稳定的,进一步互相验证了星载InSAR和地基InSAR监测结论是可靠、有效的。因此,星载InSAR技术在失相干区域无形变点,地基InSAR技术可获取该区域形变点,进一步体现了将星载InSAR技术和地基InSAR技术联合监测,实现了优势互补,采用星载InSAR技术进行大区域面阵同时地表形变普查调查监测,采用地基InSAR开展重点区域的高频监测和无法形成有效干涉形变区域的补充监测,可得到更为全面的地表形变信息,为矿区形变灾害监测预警提供高效、可靠的监测数据,提升矿区防灾减灾的能力。

4 结束语

本文将星载和地基InSAR结合应用于露天矿区形变监测,充分展现两种InSAR技术的各自优势,从不同尺度上获取到更为全面、具体的地表形变信息,对于露天矿地区地表形变灾害的普查调查和局部重点形变区域近实时监测预警具有重要意义。以巴润露天矿为例,探讨了星载和地基InSAR联合监测的应用模式。采用2021年3—12月的Sentinel-1 影像进行星载InSAR分析,成功识别出该露天矿区3处形变区域,其中1处形变区域处于矿区南帮边坡区域,监测到最大值形变速率为-35.7 mm/a,且存在失相干区域。结合地基InSAR技术对该矿南帮边坡进行近实时高频监测,获取2021年4月23—28日该边坡形变信息,监测到形变量64.8 mm,该值位于失相干区域,同时两种InSAR技术均表示该边坡形变处于等速形变阶段,结论一致,互相验证两种InSAR监测结论是可靠的。联合星载InSAR技术和地基InSAR技术,可实现对露天矿区开展不同阶段、不同尺度、多维度的形变区识别和高频近实时监测,为露天矿区形变灾害的普查调查和防灾减灾提供了有效的技术借鉴。

引文格式： 武丽梅,金丽华,王晓波.结合星载与地基InSAR技术的露天矿地表形变监测[J].北京测绘,2023,37(3)：448-453.

作者简介：武丽梅(1990—),女,黑龙江佳木斯人,硕士,工程师,从事InSAR技术应用研究工作。E-mail：wulm14@lzu.edu.cn

转自：“测绘学术资讯”微信公众号

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