基于SBAS技术的鹤岗市西南地区地面沉降监测研究_陈曦.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助作者简介：陈 曦（），女，黑龙江哈尔滨人，工程师，地理信息系统专业硕士研究生，主要从事遥感应用及测绘地理信息系统应用开发等方面的工作。通信作者：张玉红（），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，年毕业于中国科学院东北地理与农业生态研究所地图学与地理信息系统专业，主要从事遥感与 应用研究工作。基于 技术的鹤岗市西南地区地面沉降监测研究陈 曦，武丽梅，赵 琳，任向红，陆宇红，张玉红（自然资源部第三地形测量队，黑龙江 哈尔滨；哈尔滨师范大学 地理科学学院，黑龙江 哈尔滨；自然资源部第二大地测量队，黑龙江 哈尔滨；黑龙江省第五测绘地理信息工程院，黑龙江 哈尔滨；宁夏禾宇空间测绘有限公司，宁夏 银川；重庆佳渝测绘有限公司，重庆）摘要：鹤岗市西南地区是黑龙江省重要的能源工业区域，由于长期大规模开采煤炭等资源导致地面沉降问题。针对鹤岗市西南地区的地面沉降问题，本文选取覆盖该区域 年 月至 年 月的 期哨兵雷达数据，采用小基线集（）技术，开展该地区地面沉降信息监测，研究该地区的地面沉降的空间分布特征，为该地区地面沉降防控与城市规划提供基础数据与技术支持。研究表明：通过与水准数据对比，利用 技术监测得到的鹤岗市西南地区地面沉降信息的准确性和可靠性更强；鹤岗市西南地区形成大范围、连续的地面沉降区，且沉降严重，可监测到沉降速率达 ；年 年沉降区范围先增后减，且将持续下沉。关键词：小基线集；地面沉降；特征提取；影响分析；鹤岗市西南地区中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，；，；，）：，（），：（）；引 言地面沉降是十分严重的全球性地质灾害，也是我国最重要的地质灾害。它也被称为地面下陷，是在自然因素和人为因素（开采地下水、矿产资源）等作用下，固结和压缩地下松散地层，产生地表表面升高或降低的地质现象。鹤岗市别称煤城，是我国重要的产煤基地之一，具有悠久的采煤历史。尤其鹤岗市西南地区是主要的煤炭开采区，大量开采煤炭资源，使其地下形成采空区，出现大范围非均匀沉陷区，对地面交通、基础设施、建筑等稳定性产生严重影响，存在经济损失的风险。常规的地面沉降监测方式主要有水准测量和全球定位系统（，）测量，均可获取高精度的地面形变信息。然而，这些传统方式需要建立大量的地面特征点，花费时间长，耗费大量人力物力，成本费用较高，且很难获取连续、大范围的变形信息。随着技术发展和雷达数据积累，时间序列的合成孔径雷达（，）方法，如永久散射体干涉测量（，）、小基线集（，）等可获取大范围、高精度、高覆盖地表信息，已成为最重要的地面沉降监测及筛查主要手段。相对 技术，技术可在时间和空间上获取更为连续的地面形变信息，因此，在缓慢形变研究中具有很大的优势。针对鹤岗市西南地区地面沉降状况、空间分布特征及形变趋势等情况，为客观研究 技术在该区域形变应用中的监测能力，选取 年 月至 年 月获取的 雷达数据，开展该区域地面沉降研究，辅以水准测量成果验证 提取该区域地面沉降信息的可靠性和准确性，分析其地面沉降的空间分布特征及规律，以期为该区域地面沉降地质灾害的防治工作提供借鉴和数据参考。研究区与数据 研究区鹤岗矿区主要分布于鹤岗市主城区东部，由北向南依次为由兴山矿、益新矿、振兴矿、鸟山矿、南山矿、新陆矿、富力矿、兴安矿、峻德矿，而鹤岗市主城区位于鹤岗市西南地区，所以此次遴选鹤岗市西南地区为研究区。该研究区覆盖面积大约为 ，具体覆盖范围包括鹤岗市主城区和全部矿区。数 据本次研究遴选欧洲航天局的 雷达卫星数据，数据格式为单视复数据，工作波段为 波段，地面分辨率为 ，采用 成像模式、极化方式，时间跨度从 年 月 日至 年 月 日（时相即为）。研究区位于黑龙江省，四季分明，冬季时间较长，且长期有积雪覆盖，而 雷达影响波长较短，其相干性受积雪影响较大，由此部分冬季雷达影像被剔除。共遴选 期 雷达影像进行数据处理。此外，数据处理的过程会受地形影响，采用分辨率约为 的数字高程模型数据（）参与演算来削弱其影响。技术小基线集（简称“”）技术是 等于 年提出的，以提取高相干点为判别依据，进行高相干点模型处理，有效地提高时空相干性，同时地面形变监测准确性和时间分辨率得到了提升，对长时间缓慢的形变演化特征进行监测研究、。它利用同一工作区的多景雷达影像数据，设置较短时间、空间基线，形成若干个小基线集合数据，结合最小二乘（）和奇异值分解（）方法，联合若干个小基线集进行求解，得到工作区内研究时段的时间序列地表形变信息。技术实现过程：假设按时间序列，收集到研究区 幅单视复数据雷达影像，设置较短时空基线，形成小基线集合 个，得到差分干涉图 幅。若计算差分干涉图的第 幅上某一个像元（，）的干涉相位，其计算公式为：（，）（，）（，）（，）（，）（）其中公式（）中，是雷达的波长，（，）和（，）分别对应 和 时刻相位值，（，）和（，）均是以 为基准时刻，获取 方向的形变量。依照时间顺序排列，为主影像时间序列，为辅影像时间序列，且满足条件。求算第 幅差分干涉相位，其公式为：（）（），（）用矩阵表示为：（）其公式（）中，为矩阵，是 行 列的矩阵，每行有 个非零元素（和），为干涉图，且每列是相应时期的 影像数据。当，系数矩阵的秩为，采用最小二乘方法进行求解，其公式为：（）（）当矩阵 的秩小于 时，公式（）中方程系数矩阵 秩亏损，使方程有无数解。为了解决这个问题，采用 方法，求得最小范数上的最小二乘解 。利用 方法进行相位求算，获取不连续的形变量，再进行相邻 影像的像元点 向的平均速率的求算，其公式为：()，（）|（）第 期陈 曦等：基于 技术的鹤岗市西南地区地面沉降监测研究将公式（）代入公式（）得：()（）（）为矩阵，是 行 列的矩阵，如第 行，其主从影像之间的列为（，）（），且其他情况为（，）。基于此，对矩阵 的奇异值需要进行解算，来得到最小范数条件下 方向的形变速率，再利用形变算法，估计高程相位误差，积分解算各研究时段的形变速率值，从而得到 方向上时间序列的累计形变量，最后结合入射角，将 方向的形变速率和形变量转为垂直方向上的形变速率和形变量。结果分析和讨论 成果验证为了客观评价 形变结果的可靠性及精准性，利用研究区内分布较均匀、同期的水准数据，与 形变结果开展对比研究，结果为 形变结果相对于水准成果的中误差为 ，最大差值为，最小差值为 ，平均误差为 ，其一致较好，达到精度要求水平，证明了采用 技术开展鹤岗市西南地区地面沉降监测研究可行，并可保障其结果准确。地面沉降监测结果本文采用 技术对时序 影像进行处理，获取了鹤岗市西南地区在 年 月至 年 月垂直方向上沉降数据信息，其中形变速率如图 所示。可以看到，形成连片、大范围的沉降区，主要分布在鹤岗市主城区东边，局地沉降严重，形成若干个沉降漏斗；同时在监测时段内监测到最大沉降速率达 ，累计下沉达。图 年鹤岗市西南地区形变速率图 沉降趋势分析为了掌握鹤岗市西南地区沉降区演变特征，把每年累计沉降量小于 的区域进行提取，作为每年沉降区范围，对其开展对比研究。结论说明，鹤岗市西南地区沉降区主要分布在主城区东边；年沉降区面积为 ；年沉降区面积为 ，较上一年有大幅度增加，且沉降范围向东扩展；年沉降区面积为 ，较前两年有小幅度减少。这表明，年监测区的沉降区范围先增后减，年沉降区域最大，且鹤岗市主城区东边形成连续线状的沉降区。为了掌握鹤岗市西南地区沉降区域发展趋势，提取沉降严重区域内最大沉降速率点作为沉降特征点，进行历年形变发生发展分析。主要沉降特征点有兴山区（），最大沉降速率 ；东山区（、），最大沉降速 率 分 别 为 、；南山区（、），最大沉降 速 率 分 别 为 、；兴安区（、），最大沉降速率分别为 、，见表。分析其沉降特征点形变历史，发现 个沉降点具有显著的下沉趋势，且沉降点、沉降点、沉降点 下沉趋势较大。这表明，鹤岗市西南地区沉降区具有明显下沉趋势，且将持续下沉，同时沉降漏斗 区、区、区下沉发展较为严重，如图 所示。表 沉降漏斗区域最大累计沉降量信息统计表 沉降漏斗编号沉降特征点编号最大沉降速率（）沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 沉降点 图 鹤岗市西南地区沉降特征点分布示意图 地面沉降分区情况为了研究鹤岗市西南地区沉降危险性分区情况，引 测绘与空间地理信息 年用北京市水文地质工程地质大队研究成果，对该地区地面沉降程度进行分区统计。研究成果表明，严重沉降区（不小于 ）的面积为 ，较严重区（）的面积为 ，一般沉降区（）的面积为 ，轻微沉降区（不大于 ）的面积为 ，这说明鹤岗市西南地区大部分区域比较稳定，局部地区沉降较为严重，结合其速率分布图（如图 所示），可知沉降区主要分布在鹤岗市主城区东部。图 沉降特征点历史形变发展趋势图 结束语根据获取 年 月至 年 月的 雷达影像，结合 技术，监测鹤岗市西南地区地面沉降，并从精度验证、地面沉降分布特征、沉降趋势及其沉降分区情况等角度开展综合分析研究，所得结论如下：结合 技术进行鹤岗市西南地区地面沉降研究具有可行性和准确性；年鹤岗市西南地区大区域比较稳定，局地沉降严重，范围较大，形成线性带状的沉降区和若干个沉降漏斗，分布在该市市区东部地区，监测到最大沉降速率为 ，其累计下沉达；年该区域内的沉降区范围先增后减，年沉降区域最大，但该区域内沉降区仍持续下沉。综上所述，本文利用 技术对鹤岗市西南地区进行地面沉降监测研究，确定了该地区的主要沉降区和沉降特点，并对地面沉降趋势进行分析，为该地区地面沉降防治提供了可靠数据和技术支持。参考文献：朱亚威鹤岗市交通煤矿地表沉陷规律及在生态修复中的应用哈尔滨：黑龙江科技大学，李瑞河北平原地面沉降风险性评价石家庄：河北地质大学，崔振东，唐益群国内外地面沉降现状与研究西北地震学报，（）：，李庚尔、水准及 数据融合处理方法测绘通报，（）：刘平利，申晓丹，刘家橘，等 技术在地面沉降监测中的应用地理空间信息，（）：，（）：王志勇，张继贤，黄国满基于 的济宁矿区沉降精细化监测与分析中国矿业大学学报，（）：陈基伟利用 合成方法进行地面沉降研究的现状与展望测绘科学，（）：，（）：邱志伟，岳建平，汪学琴，等基于短基线集技术的城市地表沉降监测研究测绘通报，（）：杨帆，张磊，张子文，等利用短基线集 技术监测抚顺市地面沉降测绘通报，（）：莫莹，江利明，孙奇石，等 杭州湾上虞地区 地面沉降监测分析 测绘科学，（）：许军强，马涛，卢意恺，等基于 技术的豫北平原地面沉降监测吉林大学学报（地球科学版），（）：陈志谋，陈金座，罗楚楚，等 利 用 小 基 线 集 技 术（）监测泉州地区地表形变测绘工程，（）：郭乐萍，岳建平，岳顺 技术在南京河西地表沉降监测中的应用测绘通报，（）：武丽梅，金丽华，季碗栎结合 技术的鲁西南地区地面沉降监测测绘通报，（）：姜德才，张继贤，张永红，等百年煤城地表沉降融合 监测以徐州市为例测绘通报，（）：赵喜江，王斌，张在岩基于 技术的鹤岗矿区地表沉降监测与分析黑龙江科技大学学报，（）：，（）：朱叶飞，陈火根，李向前，等基于 的兰西县城区地面沉降监测研究遥感信息，（）：杨艳，贾三满，王海刚，等北京规划新城地面沉降影响分析城市规划，（）：编辑：刘莉鑫第 期陈 曦等：基于 技术的鹤岗市西南地区地面沉降监测研究