利用InSAR技术监测徐州市矿区地表变形.pdf

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1、99一103．2012地质学刊第36卷第1期doi：10．3969／j．jssn．1674-3636．2012．01．99利用InSAR技术监测徐州市矿区地表变形郭炳跃1。何敏2。刘建东1(1．江苏省地质矿产调查研究所，江苏南京210018；2．河海大学测量工程系，江苏南京210098)摘要：徐州煤矿资源丰富，煤矿的开采和利用，在产生巨大经济和社会效益的同时，却造成了大规模的地面沉陷，区内大量的农田、建筑物、道路等受到影响和破坏。InSAR测量技术的差分干涉图用于监测厘米级甚至更微小的地面形变，具有全天候、

2、大面积监测地面沉陷的优势。以徐州地面沉陷监测为例，介绍了InSAR测量技术在矿区地面沉陷监测领域中的实际应用。关键词：地面沉陷；InSAR技术；江苏徐州中图分类号：TP79：TD325．2文献标识码：A文章编号：1674—3636(2012)Ol一0099—050引言徐州煤矿资源丰富，煤矿的开采和利用，在产生巨大经济和社会效益的同时，却造成了大规模的地面沉陷，区内大量的农田、建筑物、道路等受到影响和破坏，严重影响社会的可持续发展。因此，急需对徐州地面沉陷灾害进行监测、治理和修复。传统的地表沉降监测主要采用重

3、复精密水准测量方法，通过布设一、二等水准网后采用严密的平差程序，最终提取出每一期的微小地面沉降变化值。这种方法野外作业周期长，而且需要耗费大量的人力、物力，测量精度也有限，因此这种方法被作业周期短、精度高、布网迅速的GPS所替代。但无论是GPS还是水准测量，都只能获得观测点的地表形变而无法获得整个区域的沉降趋势，而且对于监测网的维持每年也需要消耗大量的人力、财力。随着空间对地技术的发展，尤其是合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)的发展，为区域性的地表沉降监测带来了新的技术支持。利用InSAR技术进行区域性

4、地表沉降监测相对于传统的点监测具有低成本、覆盖广和分辨率高等优点(陈强等，2007；罗小军等，2009；张诗玉等，2008)。1InSAR技术原理所谓合成孔径雷达干涉测量(InSAR)，就是利用两幅来自同一照射点的雷达回波信号，分两次观测传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，利用复图像经过干涉处理后形成的干涉条纹图，得到斜距向上的点与两天线之间的距离差，从而精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。目前，根据所获得两幅SAR图像的方式，可以将InSAR的工作方式分为沿轨道干涉测量、垂

5、直轨道干涉测量和重复轨道干涉测量3种模式。笔者所采用的ERS-2和ENVISAT星载数据就是采用重复轨道干涉测量。通常，重复轨道InSAR观测的集合关系如图1所示。A，、A：为两次观测时天线的位置，日为A，的高度，P为目标点，h为目标点P的高程，0为A，的入射角，启为两天线间的距离，即基线，a为基线曰相对于水平方向的夹角，P为A。到P的斜距，P+劲为A，到P的斜距。地面目标点P的高程h为：h=H--pcos0(1)由于(P+酗)2=p2+B。+2pBsin(a一0)(2)所以收稿日期：2011—03—31；

6、修回日期：2011一04—12；编辑：侯鹏飞作者简介：郭炳跃(1980一)，男，工程师，硕士，主要从事地质环境与地质灾害防治研究工作，E-mail：guobyll21@tom．cornloo地质学刊2012年3月图IInSAR技术的基本原理p：磊乎≥譬瓦(3)p2西五茁刁而LjJ如果A。、A：对P的测量相位差9为：妒=‰(4)妒2砷L4J其中，A为雷达信号波长，则劫=筹(5)将式(5)代入式(3)后再代人式(1)，得⋯一㈢：竺一口㈤2Bsin(d—p)一竽由式(6)，只要天线高度日、相位差妒、基线曰、两天线

7、的相对定向角度a、天线的入射角0精确可知，就可以计算出地面目标点P的高程h。需要说明的是，p是解缠后的相位，而干涉雷达测量得到的相位值只在主值范围内，即是模糊的，必须经过相位解缠后才能获得真实相位以及得到目标的高程信息(Ferrettietal，2001，2002；Werneretal，2003)。2矿区地面沉陷概况大屯中心区位于江苏沛县北部与山东微山接壤部分的微山湖畔，是上海大屯煤电公司的办公、生活及辅助生产企业所在地，东距微山湖5km。徐州大屯中心区从1976年开始观测地面沉降，1988年建立了地面沉降

8、观测系统，分别沿区内主要线路布设A、B、C、D共4条观测线，建立了比较完整的地面沉降观测系统，各线路控制点均远离中心区抽水井，地表结构相对稳定，整个观测线路总长30km，各线路的高程控制点均为矿区三等水准网中的点(张茂永等，2007)。沉降量均为以1976年为起始高程计算的结果。据1988年’2006年的系统观测资料(表1)显示，徐州在屯中心区地面沉降在逐年加剧，沉降速率有较大波动。根据历年观测数据，利用绘图软件