林 聪

（呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种主动式微波遥感观测技术，以其全天候全天时对地观测能力，成为一种不可或缺的对地精细测量手段。合成孔径雷达干涉测量技术（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）的兴起，更是推进了SAR 技术在地质灾害监测中的应用。永久散射体干涉测量技术（persistent scatterer inter-ferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR）和短基线集干涉测量技术（Small baseline subsets interferometric syn -thetic aperture radar，SBAS-InSAR）是近年来基于InSAR 开展城市和矿区周围地面沉降监测分析的主要研究方向。张凯翔等利用PS-InSAR 及SBAS-InSAR 技术针对鲁西南某线性工程走廊带沿线地区地面沉降进行分析，最终得到沉降时间序列与沉降速率信息，并得出该地区沉降原因。杜自豪等基于SBAS-InSAR 技术对滨州市地表沉降及其影像因数进行分析，并利用地理探测器模型分析自然与人类活动影响因素对地表沉降空间分异性的影响，从而确定出地表沉降影响原因以及交互作用机理。

本文针对陈旗宝日希勒露天矿及东明露天矿周围20 km 范围地表沉降变化开展研究，研究区地势相对平坦，对数据处理要求略低。对2019 年1 月至2021 年4 月不同月份20 景Sentinel-1B 影像开展研究，主要采用SBAS-InSAR 技术进行数据处理，采用PS-InSAR技术对处理结果进行验证，并且利用PS-InSAR 技术处理结论为SBAS-InSAR 中选择几何控制点（GCP）提供参考依据，更加提高结论的准确性。因此，本文通过运用2 种时序分析技术相互验证，最终得到沉降时间序列与沉降速率结果，并结合GIS 处理技术进行分析，形成结论。结果显示，2 种方法得出的沉降变化趋势相关性极高，与两矿区周围实际开采情况相符，该方法可有效应用于矿区周围沉降监测分析。

1 研究区概况

宝日希勒矿区位于内蒙古呼伦贝尔市陈旗煤田东部，为内蒙古自治区最大的地方煤矿基地。矿区坐标为东经119°17′37″～120°09′59″，北纬49°15′55″～49°28′27″。矿区规划范围东西长约52.2km，南北宽5.9～13.1km，面积544.9 km2，由36 个拐点圈定而成。2020 年，对宝日希勒矿区总体规划进行修编后，规划矿区为8 个井田，本文对图1 中A 处（东明露天矿）及B 处（宝日希勒露天矿）开展沉降分析研究。

图1 研究区域图

2 技术原理与数据处理流程

时序InSAR 技术充分利用了SAR 的相位信息，形成三维影像，研究区监测时间间隔跨度大，覆盖面广，可获得全球高精度的、高可靠性的连续监测地表形变信息，监测精度能达到毫米级。PS-InSAR 及SBAS-InSAR技术为时序InSAR 技术的主要研究方向。PS-InSAR 数据处理的核心在于PS 点目标选取，以及对于PS 点目标的时间/空间域形变估算。PS 技术对地面稳定散射体的密度要求较高，往往需要大量遥感数据参与运算工作，宝日希勒矿位于郊区，并且部分地区形变范围较小，相干性偏低，因此利用PS 技术难以获取足够的PS 点，导致无法完全揭示所有矿区沉降变化规律，如图2 所示。

图2 PS-InSAR、SBAS-InSAR 技术流程图

因此本文中主要用PS 技术辅助SBAS 点目标选取，以及对大部分地区2019—2021 年沉降变化规律分析及结论验证。SBAS-InSAR 数据处理方法对输入的数据数量要求偏低，主要采用多主影像的沉降分析，降低了主影像及从影像之间发生的时间及空间上的失相干的可能性，充分利用了各个像对之间的相干性，降低相位噪声，从而更清晰有效地获取地表形变的时间序列图以及各地精确沉降量，结果展示更加准确直观。

3 实验数据与处理方法

3.1 生成连接图

本文采用20 景Sentinel-1B 影像进行处理。PS 技术为单主影像，选择2019 年9 月13 日获取的雷达影像作为配准主影像，DEM 数据使用SARscape 中SRTM3 version4 生成90 m 分辨率高程数据，与主影像进行地理配准，并将其余Sentinel-1B 影像与主影像进行配准，建立主-从数据对，得到19 副相对于主影像的干涉图，如图3 所示。

图3 时空基线连接图

SBAS 技术数据处理影像原始数据及DEM 均与PS 技术相同，不同于PS 技术的单主影像，SBAS 技术将20 景Sentinel-1B 数据组合为具有多个主影像的干涉子集，本文时间基线设置为200 d，采用时空基线阈值的方式对所有影像进行最优组合来获取干涉像对，每个像对的基线长度均低于临界阈值，这种方式在控制时间和空间的情况下能有效地降低各组合影像之间地物变化的显著性，尽量避免失相干对结论造成的影响，在提升干涉相干性方面有很大的优势，数据处理结论更加清晰。

生成的连接图工具自动选择最优的组合方式进行配对，每个小集合内SAR 影像间的基线较小，集合间SAR 影像的基线较大。本文中超级主影像为2019 年7月15 日数据，在整个处理过程中，超级主影像作为参考影像，自动选择的超级主影像有足够的像对，在像对编辑的时候，可以去掉相干性较小的像对，由于文中各相对之间相干性较好，因此并未去掉像对。

3.2 生成干涉图

对所有配对的干涉像对进行干涉处理，生成相干性，经过去平、滤波、相位解缠等处理后，所有的数据均配准到主影像。数据多视的视数设置为1∶4，SBAS 中解缠分解等级设置为1，解缠相关关系阈值设置为0.2，滤波方法为Goldstein。本文中生成61 组短基线差分干涉图集，图4 为2019 年12 月30 日与2020 年1 月11 日配对结果，相位解缠结果与相干系数图生成结果越白亮，相干性越好，解缠图中黑色区域代表相干性过低，没有形成解缠结果。干涉图中生成很多形变干涉条纹。

图4 生成干涉图

3.3 轨道精炼、重去平

SBAS 中数据处理需要通过人为手动添加的GCP点，进行轨道重计算工作。轨道参数不精确可能会导致干涉图上有很大的轨道残差即分布在整个干涉图上的大条纹，通过人工选取GCP，可以有效去除轨道误差。

GCP 的选取原则为尽量选取相位稳定、相干性高的点，并且没有形变条纹，远离形变区域，没有残余地形条纹等影响，因此尽量在平坦区域进行点的选取。本文中GCP 的选取通过PS 技术生成的结论作为参考，避开形变区域，选取研究区20 个以上在PS 中没有沉降变化的GCP 点。

3.4 生成沉降结论

经过以上步骤处理后，进行2 次反演操作。第一次反演估算形变速率和残余地形，同时对干涉图进行二次解缠优化。第二次反演利用大气相位在时间上的高通滤波和空间上的低通滤波进行去除，对大气影响进行估计，获取时间序列上的位移结果。

4 研究结果与分析

4.1 InSAR 沉降结论分析

两矿区中东明露天矿周围地面沉降范围较大，主要沉降区域在矿区东部及东北部，SBAS 技术分析大部分地区2019—2021 年出现10~20 mm 沉降活动，有明显的沉降中心，形成沉降漏斗，漏斗中心出现40~50 mm 沉降活动，并且沉降规模较大。宝日希勒露天煤矿周围沉降活动范围较小，主要沉降区域位于矿区东侧。矿区沉降幅度较大，大部地区出现50 mm 以上沉降活动，2019—2021 年累计沉降最高达到122 mm。两矿区周围均没有明显地表抬升信息，如图5 所示。

图5 SBAS 陈旗矿区2019—2021 年沉降量

PS 结论显示东明露天矿沉降区域及沉降中心位置与SBAS 范围基本一致，但宝日希勒矿区沉降变化没有体现，主要原因为PS 技术不能完全揭示矿区沉降变化规律，特别是变化区域较小、数据量小或地形起伏的地区。因此，在对细小形变的研究上SBAS 技术更能显示出优势。PS 累计沉降结论显示较SBAS 结论略偏大，但总体沉降趋势一致，两矿区周围均无明显抬升信息。

4.2 形变成因分析

东明露天矿周围地表形变较为明显，与2019—2021 年气象条件相关性较小，根据沉降变率显示，矿区沉降没有明显的季节变化趋势，2019—2021 年呈现明显下降趋势，应是正在开采的工作面地面上方形成了较大范围的沉降盆地，其沉降形式都是由位于工作面上的沉降中心向四周辐射，从而形成大范围的沉降盆地，沉降中心位置和开采工作面的位置分布是一致的，主要的开采方向为矿区东北方向，开采速度较快。宝日希勒矿区2019—2021 年开采方向均为自西向东，2019年向东推进306 m，2020 年向东推进272 m，沉降幅度明显，开采方向与沉降幅度均与SBAS 结论较为一致。

5 结论

本文基于2019 年1 月至2021 年4 月20 景Sentinel-1B 数据，运用PS-InSAR 及SBAS-InSAR 技术对陈旗两矿区地表沉降分析，得到研究区2019—2021 年沉降变化范围及沉降速率。通过实地调查，验证了InSAR 技术大范围探测与监测具有可行性及可靠性。

1）矿区地表形变具有范围广、量级大的特点，易对当地的生态环境及人员安全构成威胁，普通监测手段很难进行定量研究，InSAR 技术可以捕捉到大范围毫米级微小地表形变信息，从而可以实现对研究区大范围沉降探测工作。

2）SBAS 结论显示东明露天矿沿开采方向沉降范围较大，有明显沉降漏斗，大部分地区2019—2021 年出现10~20 mm 左右沉降活动，沉降漏斗中心达到40~50 mm。宝日希勒矿沉降范围较小，但沉降幅度较大，矿区东侧累计沉降达到50~100 mm，最大沉降量达到122 mm。利用PS 方法对SBAS 进行验证，结论显示对东明露天矿形变区域沉降分析两方法有较高的一致性，但对于细小形变SBAS 方法更占优势，特别是在数据较少时，SBAS 获得的结论更具可靠性。

3）两矿区沉降方向、沉降范围均与2019—2021 年开采方向及开采速度相符，因此InSAR 技术识别监测结果具有较高的参考价值，可以为矿区生态环境变化提供数据支撑。