基于SBAS-InSAR的金川龙首矿区地表沉降分析

向南松

成都理工大学  地球与行星科学学院610059

摘要：在工业化、城市化进程不断加快的今天，人们对自然资源的开采与利用已经引起了较为严重的地表沉降现象，目前地表沉降也已经成为影响人类社会发展的重要灾害之一。因此，对地表沉降现象进行监测与分析就显得尤为重要。本研究采用SBAS-InSAR技术对金川龙首矿区2019年7月至2020年2月这7个月内的10景Sentinel-1A数据进行处理，获取了金川龙首矿区的地表形变信息，并对矿区的地表形变情况进行了分析，以便于进一步寻找有效防治手段，避免地表灾害的发生。

关键词：金川龙首矿区；SBAS-InSAR；Sentinel-1A；地表沉降

0 引言

矿产资源是人类自然资源中非常宝贵的财富，它对国家经济的发展起到了很大的促进作用。然而，由于人类对矿产资源的开采，造成了地表沉降的现象，从而又影响着人们的生活，制约着生态环境的发展[1]。因此，对矿区发生的地表沉降现象进行检测分析尤为重要。

随着InSAR技术的深入发展，SBAS-InSAR技术在2002年由Berandino等人提出[2]，不久后就被Pepe等人用于美国加利福尼亚州的地表沉降监测[3]。在2016年，张金芝等人也用该技术对黄河三角洲进行了地表沉降的监测分析[4]。SBAS技术在地表沉降监测方面，相比于其他技术，表现出了很大的优越性。不仅能通过降低空间分辨率来减少监测分析过程中的运算量，还能使得到的时序沉降量这一结果达到毫米级的精度[5]。

1 研究区概况与数据来源

金川龙首矿区位于甘肃省金昌市，该矿区受地质构造影响较为严重，且受到北北、北北东向区域的挤压作用，导致经历了多期构造活动的叠加[6]，对沉降活动进行监测分析，对保障龙首矿的安全生产具有非常重要的作用。

本研究通过欧空局官方网站下载了金川龙首矿区2019年7月至2020年2月这7个月共10景的Sentinel-1A数据，此外下载了对应影像的轨道精密数据文件，用以消除处理过程中会产生的基线误差。

2 研究方法

（1）生成连接图。小基线干涉像对的配对是根据设置时空基线的阈值来进行配对的，合适的时空基线阈值是获得较好形变结果的关键。在本文中10景Sentinel-1A数据进行连接图生成工作时，将时间基线阈值设置为365天，空间基线阈值设定为临界基线的45%。

（2）干涉工作流。对生成连接图过程中所有配对的干涉像对进行干涉工作流的处理，即差分干涉处理。它包括了干涉图的生成、去平与滤波，生成相干性系数图以及相位解缠。干涉工作流的目的是为接下来的步骤做准备。

（3）轨道精炼和重去平。在完成连接图编辑，剔除了不好的像对后，得到的干涉图中仍存在着一些残余误差，如恒定相位和越变相位，所以需要通过轨道精炼和重去平来对这些残余误差进行二次去除，以保证干涉图质量，提高接下来SBAS-InSAR反演结果的精度，并且这一步对解缠后的相位是否能正确转化为形变值很关键。

（4）SBAS反演。SBAS反演一共有两次，第一次反演可以估算出研究区的形变速率以及残余地形。与此同时，第一次反演还会在解缠结果的基础上，进行二次解缠，它的目的是生成更优化的干涉图。SBAS第二次反演通过定制大气滤波，从而去除掉大气相位，然后再对形变速率和地形相位进行第二次估算，最终得到研究区较为纯净的平均形变速率。

（5）地理编码。由于SAR图像和普通的遥感图像不一样，它是SAR坐标而不是正常坐标，所以要进行接下来的地理编码。它是对SBAS的结果进行地理编码，地理编码能够完成雷达坐标向地理坐标的转换。

3 结果

在对研究区的Sentinel-1A数据处理完成后，根据处理的结果绘制出研究区的形变速率专题图如图1所示。

图1金川龙首矿区时序沉降专题图

通过对研究区的形变速率图进行观察得出，研究区的形变速率在-159.861755mm/Y到16.925323mm/Y之间。其中，在矿区的矿坑中间部分有着较大的沉降，沿着矿坑中间往外，在接近矿坑边缘的过程中，平均形变量在减小。矿区的南边大部分区域都发生了沉降，但这些区域的沉降量相对来说较为轻微。矿区的西北部发生沉降的区域更为密集，但沉降量也都非常小，在正常范围之类。而在矿区的西南部分，发生沉降的区域相对来说就少了一些，并且沉降量也非常小，在正常范围之类。在矿区的东北部分，则只有很少一部分区域出现了形变，且形变表现为上升，上升的量也比较小。

总的来说，在金川龙首矿区内，大矿坑的形变表现出了明显的沉降变化，且越接近中间，沉降变化越大，越靠近边缘，沉降变化越小。除了大矿坑以外的其他区域，在部分地区存在着形变，且形变有上升也有沉降。

4 结语

本研究利用了SBAS-InSAR技术对金川龙首矿区的Sentinel-1A数据进行了处理和分析。通过连接图生成、干涉工作流、轨道精炼与重去平、两次反演、地理编码等

步骤，成功地获取了矿区的平均形变速率图。通过绘制对应专题图，进一步分析了矿区地表沉降的情况。这一研究不仅为地质灾害监测和资源管理提供了重要参考，也为矿区的安全管理和规划提供了有力支持。

参考文献

[1]甄艾妮. 基于SBAS-InSAR技术的北京市地面沉降分析[D].中国地质大学(北京),2017.

[2]Berardino P，Fomaro G，Lanari R，et al．A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms[J]．IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing，2002，40(11)：2375—2383．

[3] Pepe A , Bertran Ortiz A , Lundgren P R ,et al.The Stripmap–ScanSAR SBAS Approach to Fill Gaps in Stripmap Deformation Time Series With ScanSAR Data[J].IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2011, 49(12):4788-4804.DOI:10.1109/TGRS.2011.2167979.

[4]张金芝,黄海军,毕海波,等.SBAS时序分析技术监测现代黄河三角洲地面沉降[J].武汉大学学报(信息科学版),2016,41(02):242-248.DOI:10.13203/j.whugis20140067.

[5]黄龙霄,张旭晴,赵强, 等.基于SBAS-InSAR的辽宁义县中东部区域地表沉降监测[J].世界地质,2020,39(1):201-207. DOI:10.3969/j.issn.1004-5589.2020.01.021.

[6]耿许可.基于时序InSAR的龙首矿区形变监测研究[D].山东:山东科技大学,2018.