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论文题目InSAR 技术及其在矿区大梯度沉陷监测中的应用研究 专 业大地测量学与测量工程 硕 士 生马 飞 签名 指导教师姚顽强 签名 摘要 煤矿区的地质地貌条件复杂，开采沉陷灾害在时间域上表现为非线性，在空间域上 表现为大梯度。InSAR 技术可以快速、周期性地获取地表的形变信息，越来越丰富的卫 星影像数据为解决矿区大梯度、非线性的沉陷监测开辟了新途径。 首先，在数据处理的过程中，论文根据矿区沉陷梯度、沉陷塌陷程度选择合适的配 准、滤波、插值、解缠算法，并对其中的一些关键算法做了相应的改进。在配准过程中 采用不同信噪比分别处理数据，发现配准信噪比取值不同，干涉图的相干性也不同，以 相干性值为统计标准，当相干性不再变化时得到的信噪比，选取为最佳信噪比阈值。 其次， 论文从理论模型角度分析了影响 InSAR 技术的沉降监测梯度的主要因素， 比 较两种不同类型数据的监测能力，建立形变监测梯度模型，利用不同 SAR 数据进行研 究区实验，实验表明对于西部矿区需要采用高形变监测梯度的数据进行监测，否则失相 干严重，监测结果误差大。 最后，论文选取了覆盖陕西彬长矿区的 ALOS 卫星影像，利用优化和改进数据处理 方法处理影像，分析其相干性影响因素，发现 L 波段的数据在矿区具有良好的相干性， 且适用于矿区的大梯度形变监测， 将亭南井田水准监测点结果与处理后的差分干涉结果 进行验证后发现差分干涉结果具有一致性。 关 键 词 合成孔径雷达干涉测量技术；相位解缠；沉陷监测；形变梯度 研究类型 应用研究 Subject InSAR technology and its application in the large gradient of mining subsidence monitoring Specialty Geodesy and Surveying Engineering Name Ma Fei Signature Instructor Yao Wanqiang Signature ABSTRACT Geological and topographical conditions of the coal mining area is complex, mining subsidence disaster shows up nonlinear in the time domain, large gradient in the spatial domain. InSAR technology could get surface deation ination periodically, more and more satellite image data find a new to solve mining subsidence monitoring of large gradient and nonlinear. Firstly, in the process of data processing, the paper selects a appropriate registration , filtering , interpolation algorithm, improve some of the key algorithm. In the registration processing different SNR caused of different interferogram coherence, select the largest SNR until the coherence do not change as the best SNR threshold. Secondly, find the main influencing factors of deation monitoring gradient through the perspective of theoretical model,compare with two different types of data,establish a new model.The result showed that the high gradient deation monitoring data woks to western mining area’s advantage,otherwise decoherence is serious. Finally selected ALOS satellite images which covered Binchang mining area in Shaanxi provice ,optimized and improved processing , found that the L-band data works to Binchang mining area’s advantage.InSAR results and the level monitoring results are compared , which show fairly good agreement. Key words InSAR Phase Unwrapping Subsidence Monitoring Deation Gradient Thesis Application Research 目录 I 目录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题的目的和意义 ...................................................................................................... 1 1.2 InSAR 技术用于形变监测的研究现状 ...................................................................... 1 1.2.1 InSAR 技术发展简介 ........................................................................................ 1 1.2.2 InSAR 技术国内研究现状 ................................................................................. 3 1.2.3 InSAR 技术应用于矿区沉陷监测的国内外研究现状 ..................................... 4 1.3 本文研究的主要内容 ................................................................................................. 5 2 InSAR 基本原理及方法 ......................................................................................................... 6 2.1 引言 .............................................................................................................................. 6 2.2 InSAR 高程测量基本原理 .......................................................................................... 6 2.2.1 InSAR 技术基本原理 ......................................................................................... 7 2.2.2 干涉相干分析 .................................................................................................. 10 2.3 D-InSAR 技术原理 ................................................................................................... 11 2.3.1 二轨法 .............................................................................................................. 11 2.3.2 三轨法 .............................................................................................................. 12 2.3.3 四轨法 .............................................................................................................. 14 2.3.4 干涉相位分析 ................................................................................................... 16 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 17 3 InSAR 数据处理的关键技术及算法分析 ........................................................................... 18 3.1 提高影像配准精度的方法 ....................................................................................... 18 3.1.1 影像配准 .......................................................................................................... 18 3.1.2 影像配准的关键参数 ...................................................................................... 19 3.2 基于 ALOS/PALSAR 卫星轨道插值的算法 ........................................................... 22 3.2.1 卫星轨道插值的意义 ...................................................................................... 22 3.2.2 基于轨道参数的插值算法 .............................................................................. 23 3.3 基于 SBAS-DInSAR 方法的地表形变监测 ........................................................... 28 3.3.1 SBAS-DInSAR 方法处理流程简介................................................................. 29 3.3.2 附加约束条件的 SBAS-DInSAR 技术........................................................... 30 3.3.3 SBAS-DInSAR 方法的优缺点......................................................................... 31 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 32 4 InSAR 技术在矿区大梯度沉陷监测的应用 ....................................................................... 33 4.1 形变监测梯度的概念 ............................................................................................... 33 4.2 InSAR 技术可探测形变最大梯度和最小梯度的函数模型 .................................... 33 4.3 PALSAR 数据与 ASAR 数据形变监测能力对比 ................................................... 36 4.3.1 PALSAR 数据与 ASAR 数据参数 .................................................................. 36 目录 II 4.3.2 实验分析 .......................................................................................................... 37 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 38 5 D-InSAR 技术在彬长矿区的应用研究 .............................................................................. 39 5.1 彬长矿区概况 ........................................................................................................... 39 5.1.1 矿区地质构造及地形特点 .............................................................................. 39 5.1.2 彬长矿区井田分布及开采现状 ...................................................................... 39 5.2 数据准备及处理流程 ............................................................................................... 40 5.2.1 数据准备 .......................................................................................................... 40 5.2.2 数据处理流程 .................................................................................................. 43 5.3 差分干涉结果及分析 ............................................................................................... 44 5.3.1 干涉处理过程及结果分析 .............................................................................. 45 5.3.2 亭南井田工作面沉陷监测结果分析 .............................................................. 56 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 58 结论与展望 .............................................................................................................................. 59 致谢 .......................................................................................................................................... 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附录 .......................................................................................................................................... 65 攻读学位期间发表的论文 ...................................................................................................... 69 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的目的和意义 根据第三次全国煤炭资源预测与评价， 我国煤炭资源分布面积约60多万平方公里， 占国土面积的 6，煤炭资源总量 5.57 万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世 界第一。同时，煤矿资源的开采造成大面积地表形变，不仅影响矿区的生产安全和生态 环境，而且对周围地表建筑物、道路、农田等造成严重破坏。 目前，常用的矿区沉陷监测的方法主要是在开采区设置地表移动观测站，利用全站 仪、水准仪、GPS 等仪器获取观测值，通过严密平差解算得到微小地面沉降变化值。但 是我国西部矿区主要位于黄土高原，地貌形态复杂，塬、梁、峁、沟壑纵横，地表沉陷 往往以塌陷、地裂缝、沉陷台阶形态出现，通过离散点的监测难以满足西部矿区沉陷监 测，监测覆盖范围难以满足矿区监测预警要求。因此，西部矿区需要一种高精度、高效 率、高覆盖率的沉陷监测方法。随着遥感技术的快速发展，雷达遥感差分干涉技术 D-InSAR已在地壳形变、区域沉降、冰川运动等多个领域得到实际应用，这为西部矿 区复杂地形地貌条件下地表采动灾害的动态监测与预警提供了新途径[1]。 自上世纪 90 年代起，我国科研人员利用合成孔径雷达干涉测量技术InSAR在生成 数字高程模型DEM、监测城市地表沉降、工矿区地表沉陷灾害预警等方面研究取得很 多成果，但是对于西部特殊地质地貌条件的矿区沉陷灾害监测研究较少，西部矿区开采 引起的沉陷具有自己的特点，如地表沉陷区域不大，在时间上呈非线性状态，沉陷结果 表现为坍塌、地裂缝、沉陷台阶等状态。因此，本文的目的旨在找出一种有效应对这种 新形变形式的监测方法。 1.2 InSAR 技术用于形变监测的研究现状 1.2.1 InSAR 技术发展简介 InSAR 技术Synthetic Aperture Radar Interferometry 的简称，又称为合成孔径雷达 干涉测量技术，是 20 世纪 90 年代发展起来的一项新型遥感技术，他采用微波传感器， 主动发射电磁波信号，不受天气条件限制，具有全天时、全天候、覆盖面积大、分辨率 高等特点。 20世纪50年代美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统得到第一张全聚 焦 SAR 图像标志着合成孔径雷达原理被人们接受。20 世纪 60 年代，美国开始进行机载 SAR 试验的研究，70 年代机载 SAR 系统转向星载 SAR 系统研究。1972 年美国国家航 西安科技大学硕士学位论文 2 空航天局NASA的喷气推进实验室简称 JPL进行 L 波段机载 SAR 实验，两年后， Graham 利用机载合成孔径雷达数据获取了满足 125 万地形图要求的高程数据[2]，这一 成果标志着InSAR技术可以成功获取三维信息。 1978年航天卫星“海洋1号卫星Seasat1” 向地球发射微波实验获得成功，1988 年 Goldstein 等利用 SEASAT 星载雷达数据获取了 死亡谷 Cottonball 盆地的地形图[3]，证明了 SAR 系统在航空、航天领域均具有获取高分 辨率图像的能力。 不仅如此，80 年代以后世界各国开始进行多项 SAR 立体成像研究。1984 年美国挑 战者号航天飞机上的成像雷达 SIR-B 成功进行航天遥感实验，利用双波段C、L的合成 孔径雷达实现了SAR立体成像的数字记录和处理。 1989年Grahriel等首次发现 D-InSAR 技术具有探测微小地表形变的能力。 1991 年原苏联成功利用 ALMAZ-1 卫星上的 S 波段 SAR 系统对地球 78 N-78 S 之间的区域探测成像。 同年， 欧洲空间局ESA发射了 ERS-1 地球资源卫星，1995 年欧空局又发射了 ERS-2 地球资源卫星，这两颗卫星可以称之为 姊妹星，轨道高度均为 790KM，SAR 系统均工作于 C 波段波长 5.6cm，均采用 VV 极 化方式，入射角均为 23 ，观测带宽为 100km，距离向分辨率为 26m，方位向分辨率为 28m，这两颗卫星所获取的大量数据被世界各国广泛使用，ERS-1 于 2000 年停止运行， ERS-2 于 2011 年退役。自 ERS-1 发射升空以来，D-InSAR 技术的应用也逐渐成熟，并 且成功应用于国内外石油、天然气、煤矿等开采区、地下抽水区、火山地震区等。1993 年 Massonnet 等利用其数据获取了 1992 年加利福尼亚的 Landers 地区地震的形变场， 并 将差分干涉测量结果与其他类型的测量数据进行比较， 得出相似结果引发地震学家的关 注。 1992 年日本发射了 JERS-1 地球资源卫星， 其 SAR 系统采用 L 波段波长 23.5cmHH 极化方式，轨道高度为 568km，入射角为 38 ，观测带宽 75km，距离向和方位向分辨率 为 18m，主要用于地形测绘、农林业灾情监测等，于 1998 年退役。1995 年加拿大成功 发射 Radarsat-1 资源调查卫星，卫星上搭载的 SAR 系统采用单极化HHC 波段，具有 7 种工作模式，分辨率从 10m 到 100m 可变，观测带宽达 500km，观测视角在 10 至 60 之间变化， 他可以为全球科研人员提供冰情、 海洋和地球资源数据。 2000 年美国利用“奋 进”号航天飞机完成了全球大部分地区测绘任务SRTM 计划。 SRTM 系统同时拥有 C 波 段和 X 波段 InSAR 系统，因此 SRTM 能够利用干涉相干与频率之间相关联的特性，以 及不同频率电磁波具有不同的穿透特性来提高所提取的 DEM 精度，并获取散射过程的 物理信息，对植被覆盖地区的研究极为有利[4,5]。正是基于 SAR 系统的不断发展，20 世 纪 90 年代 Carnec、Massonnet、Fielding、Wegmuler 等人利用不同的卫星数据获得了大 量地面沉降监测成果。其中具有代表性的成果包括 1997 年 Massonnet 等对加利福尼亚 州东部平顶山地热场地面沉降监测成果；1998 年 Fielding 等利用 ERS-1 和 ESR-2 SAR 数据获取了 San Joaquin 山谷 LostHilBelridge 油田的地面快速沉降结果；1999 年 Wegmuler 等利用 1992 年-1996 年间的 ERS 数据监测意大利 Bologna 城的沉降情况，经 1 绪论 3 水准数据和 GPS 数据对比后发现形变场和形变速率结果一致。 2000 年日本的 Nakagwa 等人利用 JERS-1 L 波段 SAR 研究 Kanta 北部平原的地面沉降， 研究发现地面沉降较为 准确。 进入 21 世纪以来，随着电子技术和计算机技术的不断发展，雷达干涉测量技术得 到进一步发展，在雷达硬件方面，从开始的单极化、单模式、单波段、固定入射角，逐 渐向多极化、多模式、多波段、变入射角方向发展。2002 年 3 月欧洲空间局发射 Envisat 卫星，其上搭载了先进的合成孔径雷达系统，工作于 C 波段，多极化、多模式、采用 T/R 组建及相控技术，是目前为止较先进的星载 SAR 系统，但 2012 年 4 月 8 日欧空局 收到Envisat最后一张照片后再也没有收到它发出的讯息。 2006年日本发射ALOS卫星， PALSAR 传感器工作于 L 波段，采用多极化、多模式、多侧视角，2011 年 5 月日本宇 航探索局JAXA发现无法与 ALOS 恢复通信，决定于日本标准时间 5 月 12 日上午 10 点 50 分发出结束该卫星运行的指令。尽管如此，这两颗卫星直到退役前的存档数据全 部可用，在新的替代卫星发射之前我们仍然可以利用这两颗卫星的数据做研究。除此以 外，目前可利用的中低分辨率 SAR 卫星有 RADARSAT-1/2，高分辨率的 SAR 卫星有 Cosmo Skymed,Terrasar-X 和即将发射的 Sentinel 系列卫星等。 RADARSAT-2 是一颗搭载 C 波段传感器的高分辨率商用雷达卫星，由加拿大太空 署与 MDA 公司合作，于 2007 年 12 月 14 日在哈萨克斯坦拜科努尔基地发射升空。卫 星设计寿命 7 年而预计使用寿命可达 12 年，目前已投入运营。它具有 3 米高分辨率成 像能力，可以根据指令进行左右视切换获取图像，缩短了卫星的重访周期，增加了立体 数据的获取能力。 另外， 卫星具有强大的数据存储功能和高精度姿态测量及控制能力[35]。 TerraSAR-X 是固态有源相控阵的 X 波段合成孔径雷达SAR卫星， 分辨率可高达 1 米。TerraSAR-X 重访周期为 11 天，然而由于具有电子光束控制机制，对地面任一点的 重复观测可达到 4.5 天，90的地点可在 2 天内重访。它具有三种成像方式，高分辨率 聚束式SpotLight、条带式StripMap、扫描式ScanSAR。 COSMO-SkyMed 是意大利航天局和意大利国防部共同研发的它是高分辨率雷达卫 星星座的第二颗卫星，该卫星星座共有四颗卫星。它作为全球第一颗分辨率高达 1 米的 雷达卫星星座，将以全天候全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高时间分辨率、高 空间分辨率。 1.2.2 InSAR 技术国内研究现状 国内对 InSAR 技术应用于地面沉降监测的研究始于近些年， 且主要集中于城市地面 沉降的监测。例如，天津市采用了欧空局 ERS-1/2 卫星相隔一天的重复轨道的 SAR 数 据，差分干涉处理后得到该市 1995-1997 年的地面沉降图，并将其干涉条纹图与精密水 准测量数据得到的地面沉降等值线图对比，发现二者结果具有一致性。王超等人收集了 西安科技大学硕士学位论文 4 苏州地区 1993 年到 2000 年间的 11 景 ERS-1/2 卫星的 SAR 数据，对其地面沉降分析， 获取了该地区地面的垂直形变量及沉降速率，也得到了地面水准测量数据的验证。2001 年刘国祥等人利用 ERS-2 卫星获取的合成孔径雷达影像研究香港赤腊角机场的沉降场， 发现香港赤腊角机场填海区域内下沉量呈 0-50mm 的空间分布， 且与水准监测结果吻合， 证明 ERS-2 干涉系统对微小的地表沉降具有很高的敏感度，结果精度很高。2002 年， 路旭等采用欧空局 ERS-1/2 的天津地区雷达图像数据进行了分析研究，选取了基线长度 和时间间隔最合适多组像对差分干涉处理， 成功提取出天津不同时期的地表沉降变化值。 近年来，由于西安市范围扩张，大量抽取地下水资源，使得大雁塔等著名建筑物严重倾 斜，人们发现关中平原存在着严重的地面沉降问题，张勤教授、杨成生博士等通过利用 西安地区的 ERS-1 数据，进行 InSAR 及 D-InSAR 处理后得到了可以清楚反映西安地区 厘米级地面沉降信息的干涉图， 这一研究成果为西安市的城市发展提供了及时有效的决 策依据。 1.2.3 InSAR 技术应用于矿区沉陷监测的国内外研究现状 自 1989 年 Grabriel 等学者首次证明 D-InSAR 技术可以探测地表微小形变后，大量 专家学者开始在形变监测的各个方面开展了大量研究工作。近年来，随着 SAR 系统硬 件的迅速发展，欧美等发达国家针对 D-InSAR 技术的理论、算法也开展了大量深入的 研究，使得 D-InSAR 技术在地面沉降方面得到迅速发展，国内外许多学者也将该技术 应用于煤矿等开采区的沉陷监测研究，取得了大量的成果。 德国、波兰等欧洲一些早期工业国家率先利用 D-InSAR 技术进行了煤矿开采沉陷 试验， 结果表明这项技术不仅能监测到矿区的沉陷变化趋势和沉陷区的垂直方向的微小 变化，而且可以测出下沉随时间的增量，为工矿区的安全生产生活提供了重要保障。德 国某矿区利用差分干涉测量技术对鲁尔地区煤矿开采区进行形变监测。 他们首先利用空 间基线较短的 ERS 图像对变形速率较快的地区， 采用 35 d 或 70d 间隔进行差分干涉分 析 对老采区等地表移动较缓的地区采用时间基线为一年、 空间基线小于 50m 的 ERS 图 像进行差分干涉分析。为提高观测精度，在时间基线较长的干涉图中加入气象改正后进 行相位差分。波兰 Silcsia 大学的 Z.Perski 等学者对 Upper Silcsia 矿区开展 D-InSAR 实 验，他们成功监测到开采沉陷的漏斗边界及矿区沉陷演变趋势。Z.Perski 等得出结论 对于矿区的局部地面沉降，D-InSAR 技术比传统的测量手段更具优势，可以作为传统测 量手段的有益补充，尤其对持续 2-3 个月时间内的快速地表沉陷[6,7,8]。Linlin Ge,Hsing-chung Chang,Lijiong Qin,ChrisRizos 等利用日本 JAXA 的 JERS-1 数据对澳大利 亚的 Appin、Westcliff 和 Tower 三个开采区进行试验，此项研究利用 L 波微波信号最大 的优势在于 L 波穿透性强，使得干涉结果的相干性非常好，此实验的步骤为首先，利 用时间基线为 1 天的两幅 ERS1/2 数据生成只含有地形相位的干涉图；然后利用时间基 1 绪论 5 线为一个或多个重访周期的 JERS-1 图像来生成包含地形相位和地表形变相位的干涉图； 最后对两幅干涉图做差分干涉处理，即得到只有地表形变相位的差分干涉图，最终得到 煤矿区的沉陷监测结果。 近年来，随着国内经济发展，煤矿需求量逐年增加，致使煤矿开采区沉陷严重，严 重制约了煤矿生产安全， 引起国内相关学者关注。 董玉森等人利用 InSAR 技术对煤矿区 进行沉陷监测，结果表明该技术应用于煤矿区沉降监测具有很大优越性[9]。刘国林等学 者采用InSAR数据与GPS数据融合技术对矿区地表形变监测研究， 分析得出可靠结果。 吴立新、葛大庆等人利用在矿区 InSAR 方法对工矿区地表沉陷监测，试验表明作为数 字矿山的关键技术之一，可以利用多时相 D-InSAR 技术结合角反射器或平面反射器 方法进行工矿区地表沉陷监测[10]。 李学军将 InSAR 技术应用于大同矿区沉陷监测研究， 获取了多处形变场。长安大学张勤教授、杨成生博士等人，他们利用 D-InSAR 技术在 陕北神木矿区进行试验，得到一定的研究成果，证明了该技术对矿区塌陷、轻微矿震监 测的可行[10]。 1.3 本文研究的主要内容 本文根据西部矿区的特殊地质地貌条件， 以及对西部矿区沉陷灾害的时间非线性特 性，利用 ALOS PALSAR 数据及 ENVISAT ASAR 数据对矿区监测，提取沉陷区域。在 数据处理的过程中，根据矿区沉陷梯度、沉陷塌陷程度选择合适的配准、滤波、插值、 解缠算法， 并对其中的一些关键算法进行对比探讨和改进 首先分析 InSAR 技术的沉降 监测梯度的主要影响因素，比较两种不同类型数据的监测能力；其次对两种不同技术处 理过程中产生的误差进行分析，找出适当的剔除方案；深入分析研究区域进行，对差分 干涉测量结果进行后处理， 结合矿区地形图和水准监测资料， 分析 InSAR 监测结果的精 度。 内容安排如下 第一章介绍了西矿区的地质地貌特征及沉陷灾害表现特点， 列举国内外研究现状及 矿区的 InSAR 研究成果，分析该技术用于矿区的可行性。 第二章描述 SAR 基本原理、InSAR 的测高原理及 D-InSAR 技术的形变监测原理， 最后介绍了常见的几种差分干涉测量方法及各自用于矿区形变监测的优缺点。 第三章探讨 InSAR 技