（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于dinsar和gis技术的煤矿区地面沉降监测研究.pdf

r e s e a r c ho nl a n ds u b s i d e n c em o n i t o r i n go f c o a lm i n eb a s e do nd - - i n s a ra n dg i st e c h n i q u e s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h u a n gb a o w e i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gz h e n j i e p r o f s h a nx i n j i a n s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 蜘牛 日期：力刀侔月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名堕望堡： 指导教师签名： 主辇圭 日期：卅年6 月e t ， 日期：2o f 年厂月日 国民经济的快速发展与煤炭资源 是始终联系在一起的。煤炭资源量虽然丰富，但生态环境是脆弱的，煤炭资源的开发和 利用在给人们带来物质财富的同时，也在一定程度上破坏着人们赖以生存的自然环境， 尤其以矿区地面沉降最为严重。煤矿区地面沉降监测可以为解决安全开采和塌陷区环境 综合治理提供科学依据，保证和谐矿区、绿色矿区的可持续发展。所以，如何有效的利 用现有的新技术对煤矿区进行地面沉降监测是一个值得研究的问题。 本文在论述i n s a r 及d i n s a r 基本理论的基础上，分析了时间失相干、空间失相 干、体散射失相干以及相位误差、大气延迟误差、卫星轨道误差、d e m 误差和高相位 梯度等d i n s a r 技术监测地表形变的主要影响因素。然后介绍了本文使用的差分干涉 处理软件g a m m a 软件。针对常规d i n s a r 二轨法，详细介绍了差分干涉处理流 程及处理过程中的关键步骤。并以葛亭煤矿区为例，采用d i n s a r 技术，并结合g i s 技术，开展了地面沉降监测的应用研究。 本文收集了1 2 景c 波段e n v i s a t a s a r 数据，并选取了相干性较好的1 0 景数据。 通过d i n s a r 差分干涉处理，获得了2 0 0 4 2 0 0 5 年和2 0 0 8 2 0 0 9 年葛亭煤矿多期地面沉 降分布图。然后将d i n s a r 结果导入g i s 软件中做后处理，叠加0 2 5 m 分辨率的数字 正射影像图( d o m ) 和开采平面等其它空间信息来分析地面沉降，并以剖面图、等值 线图和3 d 可视图等进行显示。通过多期结果的相互对比验证，并与水准资料进行了比 较，结果表明：d i n s a r 结果可以清楚可靠地给出矿区沉降区域分布，并且获得的矿区 沉降位置和沉降范围与实际地下开采平面基本吻合，沉降位置和范围也随着开采的继续 在不断变化。沉降幅度较小的区域在数量级上和水准观测数据是一致的，d i n s a r 获得 的最大沉降量是2 4 m m 3 5 d ，水准测量的最大沉降量是3 3 m m 3 5 d ；而沉降幅度较大的区 域由于相位梯度太大；而导致干涉图失相干比较严重。虽然采用特定的解缠方法使解缠 相位平滑过渡到了非相干区域得到了相应的沉降值，但沉降值明显小于实际值。最后， 给出了解决高相位梯度问题的方法。研究表明：d i n s a r 结合g i s 技术监测煤矿区地面 沉降是一种比较有效快速的方法，能够满足煤矿区可持续发展的需要。 最后，本文利用d i n s a r 结合g i s 技术监测了唐山煤矿地下开采引起的地面沉降 对万达广场建设和周边地区的影响。结果表明：随着时间的推移和唐山矿区地下开采的 继续，唐山煤矿区的北部边界没有朝着唐山市万达广场方向扩展的趋势，对万达广场的 建设没有影响，从而保证了万达广场的顺利建设和周边地区安全、有序的发展。 关键词：d i n s a r ，g i s ，煤矿区地面沉降，高相位梯度，沉降图 r e s e a r c ho nl a n ds u b s i d e n c em o n i t o r i n go f c o a lm i n eb a s e do nd i n s a ra n dg i s t e c h n i q u e s h u a n gb a o w e i ( c a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e n j i ea n ds h a nx i n j i a n a b s t r a c t t h ec o a lr e s o u r c e sa r et h er i c h e s to fo u rc o u n t r y sm i n e r a lr e s o u r c e s ，t h e r a p i d d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ec o a lr e s o u r c e sa r ea l w a y sc l o s e l yl i n k e d a l t h o u g hc o a lr e s o u r c e sa r er i c h ，t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti sd e l i c a t e ，a n dt h ee x p l o i t a t i o n a n du s eo fc o a lr e s o u r c e sh a sb r o u g h tp e o p l em a t e r i a lw e a l t ha sw e l la st os o m ee x t e n t d e s t r o y i n gt h en a t u r a le n v i r o n m e n to nw h i c ho u rl i v e sd e p e n d ，a m o n gt h em a n yd e s t r u c t i o n s ， t h em o s ts e r i o u so n ei sl a n ds u b s i d e n c e l a n ds u b s i d e n c em o n i t o r i n gi nc o a lm i n i n ga r e ac a n p r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rs a f e t ym i n i n ga n de n v i r o n m e n tc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n t ，a n d g u a r a n t e es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i o u sa n dg r e e nm i n i n g t h e r e f o r e ，i ti sas u b j e c t w o r t h yo fs t u d yh o wt om o n i t o rl a n ds u b s i d e n c eb ye f f e c t i v eu s eo fe x i s t i n gn e wt e c h n o l o g y t h et h e s i sf i r s ta n a l y z e sm a j o ri n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h eu s eo fd i n s a rt om o n i t o r s u r f a c ed e f o r m a t i o ns u c ha s t e m p o r a ld e c o r r e l a t i o n ，s p a t i a ld e c o r r e l a t i o n ，v o l u m e d e c o r r e l a t i o na n dp h a s ee r r o r , a t m o s p h e r i cd e l a ye r r o r , t h es a t e l l i t e so r b i te r r o r , d e me r r o r a n dh i g hp h a s eg r a d i e n tb a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h eb a s i ct h e o r yd i n s a ra n di n s a r t h e n ，g a m m as o f t w a r e ，t h ed i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yp r o c e s s i n gs o f t w a r eu s e di nt h e t h e s i si si n t r o d u c e d t h ep r o c e s sa n dk e ys t e p so fd i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yp r o c e s s i n g a c c o r d i n gt oc o n v e n t i o n a ld i n s a rt w o p a s sm e t h o da r ea l s oi n t r o d u c e d t h et h e s i sm a i n l y f o c u so na p p l i c a t i o no fc o m b i n a t i o no fd - i n s a ra n dg i st e c h n o l o g yt ot h em o n i t o r i n gl a n d s u b s i d e n c ei ng e t t i n gc o a lm i n i n ga r e a i nt h et h e s i s ，w ea c c u m u l a t e d12s c e n e scb a n de n v i s a ta s a rd a t a , a n ds e l e c t e d10 s c e n e sw h i c hh a v et h e g o o dc o h e r e n c e t h r o u g h d - i n s a rd i f f e r e n t i a l i n t e r f e r o m e t r y p r o c e s s i n g ，a n da c q u i r e dt h em u l t i p e r i o dd i s t r i b u t i o nm a p so fl a n ds u b s i d e n c eo fg e t i n gc o a l m i n i n ga r e ao ft h ey e a r2 0 0 4 2 0 0 5a n d2 0 0 8 - 2 0 0 9 t h e nw ee x p o r tt h ed - i n s a rr e s u l t si n t o g i ss o f t w a r ef o rp o s t p r o c e s s i n g ，o v e r l a i d i n g0 2 5mr e s o l u t i o nd o m ，m i n i n gp l a n ea n d 1 1 1 o t h e rs p a c ei n f o r m a t i o nt oa n a l y z el a n ds u b s i d e n c e ，a n dd i s p l a y i n gt h er e s u l t s 州t hp r o f i l e s ， c o n t o u rl i n e sa n d3 dv i e w s ，e t c c r o s s - v a l i d a t i o no fm u l t i - p e r i o dr e s u l t sa n dt h ec o m p a r i s o n w i t hl e v e l l i n gd a t as h o wt h a td - i n s a rr e s u l t sc a ng i v et h ed i s t r i b u t i o no fm i n i n gs u b s i d e n c e a r e ac l e a r l ya n dr e l i a b l y , a n dt h el o c a t i o na n dr a n g eo ft h el a n ds u b s i d e n c ea r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lu n d e r g r o u n dm i n i n gp l a n e ，w h i c ha l ec h a n g i n gw i t ht h ec o n t i n u o u s m i n i n g t h es u b s i d e n c em a g n i t u d ei nt h ea r e a sw i t hs m a l ls u b s i d e n c ei sc o n s i s t e n t 、j r i t ht h e l e v e l l i n gd a t a t h el a r g e s ta m o u n to fs u b s i d e n c ea c q u i r e dt h r o u g hd i n s a ri s2 4 m m 35 d ， w h i c hi s3 3 m m 3 5 dm e a s u r e db yl e v e l i n g h o w e v e r , t h ei n t e r f e r o g r a m sa r cc o m p l e t e l yo f d e c o r r e l a t i o ni nt h ea r e ao fl a r g es u b s i d e n c eb e c a u s eo fh i g hp h a s eg r a d i e n t a l t h o u g ht h e u n w r a p p e dp h a s es m o o t h l yt r a n s i t st ot h ei n c o h e r e n ta r e ab ya p p l y i n gs p e c i f i cu n w r a p p i n g m e t h o d ，t h ec o r r e s p o n d i n gs u b s i d e n c ev a l u ed e r i v e di so b v i o u s l ys m a l l e rt h a nt h et r u ev a l u e f i n a l l y , a p p r o a c ht ot h ep r o b l e mo fh i g hp h a s eg r a d i e n ti si n t r o d u c e d t h er e s e a r c hs h o w st h a t d i n s a rc o m b i n i n gg i st e c h n o l o g yi sar a p i da n de f f e c t i v em e t h o dt om o n i t o rl a n d s u b s i d e n c ei nc o a lm i n i n ga r e a ，w h i c hc a l lm e e tt h ed e m a n do fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c o a lm i n ea r e a f i n a l l y , d i n s a rc o m b i n i n gg i st e c h n o l o g yi su s e dt om o n i t o rl a n ds u b s i d e n c eo f t a n g s h a nc o a lm i n i ei nt h i sp a p e r , w h i c hi si n f l u e n c eo nt h ec o n s t r u c t i o no fw a n d ap l a z aa n d t h es u r r o n d i n gr e g i o n s t h er e s u l t ss h o w et h a t ，w i t ht h et i m ep a s s e da n dt h ec o n t i n u a t i o no f u n d e r g r o u n dm i n i n gi nt a n g s h a nc o a lm i n e ，n o r t ho ft h eb o r d e ro ft h et a n g s h a nc o a ld i s t r i c t i sn ot r e n do fe x p a n s i o nm o v i n gt ot h ed i r e c t i o no fw a n d ap l a z a a n di th a sn oe f f e c to nt h e c o n s t r u c t i o no ft h ew a n d ap l a z a , t h u se n s u r i n gt h es u c c e s s f u lc o n s t r u c t i o no fw a n d ap l a z a a n dt h es u r r o u n d i n ga r e as a f ea n do r d e r l yd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：d - i n s a r ，g i s ，l a n ds u b s i d e n c ei nc o a lm i n i n ga r e a , h i g hp h a s eg r a d i e n t ， s u b s i d e n c em a p 2 2i n s a r 原理1l 2 2 1s a r 干涉测量基本原理1 1 2 2 2s a r 干涉相位的组成1 4 2 3d i n s a r 基本原理1 7 2 3 1d i n s a r 测量地表形变的基本原理1 8 2 3 2d i n s a r 测量地表形变的方法2 0 2 4c i o i i l s a r 和p s i n s a r 一2 3 2 4 1c 1 0 1 1 1 s a r 2 3 2 4 2p s i i l s a r 2 4 2 4 3 其他处理方法2 4 2 5 本章小结2 5 第三章d i n s a r 技术监测地表形变的主要影响因素2 6 3 1 相干性分析2 6 3 2 失相干因素2 7 3 2 1 热噪声失相干2 7 3 2 2 空间失相干。2 7 3 2 3 多普勒基线失相干2 8 3 2 4 时间失相干。2 9 3 2 5 体散射失相干。3 0 v 3 2 6 数据处理失相干3 0 3 3 误差因素3 1 3 3 1 相位误差31 3 3 2 大气误差影响3 2 3 3 3 卫星轨道误差。3 3 3 3 4d e m 误差3 4 3 4 高相位梯度3 4 3 5 本章小结。3 6 第四章数据处理方法和流程。3 7 4 1g a m m a 软件介绍3 7 4 1 1 组件式s a r 处理器( m s p ) 3 8 4 1 2 干涉s a r 处理器( i s p ) 一3 8 4 1 3 差分干涉和地理编码( d i f f & g e o ) 3 8 4 2 差分干涉数据处理方法及流程3 9 4 2 1 干涉图像对配准3 9 4 2 2 干涉图及相干图生成4 0 4 2 3d e m 干涉相位模拟及差分干涉图生成4 0 4 2 4 基线估计4 0 4 2 5 相位解缠4 2 4 2 6 形变图生成及其地理编码4 3 4 3d i n s a r 结果导入g i s 软件中后处理方法及流程4 3 4 3 1 空间参考转换4 4 4 3 2d i n s a r 栅格结果与g i s 矢量叠加。4 5 4 3 3 提取沉降区域4 5 4 3 4 空间分析成果显示4 6 4 4 本章小结4 7 第五章d i n s a r 结合g i s 技术在葛亭煤矿区地面沉降监测中的应用4 8 5 1 试验区概况4 8 5 2 试验数据选取。4 9 5 2 1s a r 数据选取4 9 v i 5 6 本章小结6 3 第六章d i n s a r 结合g i s 技术在万达广场及周边地区地面沉降监测中的应用6 5 6 1 试验区概况6 5 6 2 试验数据选取6 6 6 3 试验区数据处理及误差分析6 7 6 3 1s a r 数据处理。6 7 6 3 2 误差分析。6 8 6 4 结果分析6 8 6 5 本章小结7 1 结论与展望7 2 参考文献。7 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 9 致 射8 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 煤炭是我国重要的基础能源，也是我国最主要的一次性能源之一。我国能源资源的 基本特点是富煤、贫油、少气，并且将我国煤炭资源与石油、天然气和水能等一次能源 资源相比，探明的资源储量折算为标准煤，煤炭资源占8 5 以上。然而，煤炭资源的开 发及利用是一把双刃剑，虽然给人们带来了物质财富，但是在一定程度上也破坏着人类 赖以生存和发展的自然环境，它的开发和利用将会造成煤矿区地表沉陷、环境污染和生 态破坏等灾害【l ，2 】。例如地面沉降监测、废物处理、土地复原和灾害与风险评估等一系列 的环境问题，在采矿工作之前、采矿期间和采矿工作结束后必须很好的得到解决【3 】。 矿区地下开采引起的地面沉降对自然环境和社会环境的潜在影响主要表现在：破坏 矿区地表( 农田、耕地等) 、影响矿区周围的生态环境；还危及公路、铁路交通运输、 地面输电线路；危及工用民用建筑和生活生产设施等【4 】。地面沉降幅度取决于很多因素， 例如地面覆盖层的深度、覆盖层的地质条件、煤层厚度、巷道宽度和煤柱的大小及地表 的地形等【5 】。煤矿区地面沉降是一种常见的自然现象，它指的是在自然因素和人为因素 的共同影响下，煤矿区地层中岩体或土体应力状态发生改变而引起的地表缓慢的或者突 发的垂直下降现象。由于地下开采引起的矿区地面沉降空间范围小、强度大，所以它直 接影响了矿区周围人们正常的生产和生活【6 】。 地面沉降监测可以提供地下煤矿开采的位置，这对地方政府决策开采是否在许可区 域内进行是很重要的，并且对煤炭开采环境影响的评估和煤炭开采位置的正上方地面上 建筑物的可能性破坏也是很有用的【7 1 。虽然矿区地面沉降变化具有地点和时间的不确定 性，但是通过周期性地获取多期较大范围内地面沉降分布图，结合实际的矿区作业方式， 将对矿区地面沉降的监测和预测具有非常大的帮助【s 】。 为了研究地下开采引起的地面沉降，必须采用合理的监测手段来获取地面沉降的位 置和幅度，从而减弱并控制这种破坏带来的危害，保证煤矿区的可持续发展。传统的地 表形变监测方法，如水准测量、全站仪和g p s 等，都是通过布设离散点来监测形变体 的变化的。对于微小形变而言，其观测精度可以达到毫米甚至亚毫米级；对于大空间尺 度下的微小形变监测而言，难以布设较大数量的有效观测点，且观测周期长，观测结果 只能反映测站点的形变量，难以得到大范围内的整体形变结果。然而，合成孔径雷达干 第一章绪论 涉测量( i n s a r ，i n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 技术作为新兴的空间对地观测 技术，具有全天候、全天时、高分辨率、高精度、低成本、快速准确以及大尺度连续覆 盖的能力。合成孔径雷达差分干涉测量( d i n s a r ，d i f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i c a p e r t u r er a d a r ) 技术是合成孔径雷达干涉测量应用的一个拓展，它可以对地表形变进行 长期监测，这使的该技术在地表微小形变监测中具有非常大的优势，无疑将成为一种未 来煤矿区地面沉降监测极具潜力的空间对地观测技术1 6 , 9 - 1 2 1 。d i n s a r 测量与常规水准测 量及g p s 测量的优势比较如表1 1 所示。d i n s a r 技术是当前国内外研究的热点，但将 d i n s a r 技术用于煤矿区开采地面沉降监测领域还不是很成熟，对此进行研究具有重要 的理论和实际意义。 表1 - 1d - i n s a r 与常规水准测量及g p s 测量的比较 t a b l e l 一1t h ec o m p a r a t i o no fc o n v e n t i o n a ll e v e l i n ga n dg p sm e a s u r e m e n tw i t hd - i n s a r 测量方式 d i n s a r经典精密水准g p s 沉降信息量点、线、面信息点、线信息点、线信息 精度亚毫米、毫米毫米毫米 周期速度短快长慢较短快 作业条件全天候依据天气全天候 成本低高较高 数据处理快慢快 1 2d i n s a r 技术用于煤矿区开采沉降监测的国内外现状 1 9 8 9 年g r a b r i e l 等学者首次论证了d i n s a r 技术可以用于探测地表形变，自此 在形变监测的诸多领域许多国家展开了大量的研究工作，近2 0 年内欧美等国家针对 d i n s a r 技术在地表形变监测中的应用进行了初步研究，并且在d i n s a r 理论、算法 及应用方面取得了许多研究成果，这使得d i n s a r 技术得到了快速的发展【1 3 1 。随着 d i n s a r 技术在地面沉降形变监测应用中的讯速发展，国内外许多学者开始将该技术应 用于煤矿区地面沉降监测的研究，取得了比较满意的结果。 l i n l i ng e ，h s i n g c h u n gc h a n g ，l i j i o n gq i n ，c h r i s r i z o s 等使用i n s a r 技术主要对澳大 利亚的a p p i n 、w e s t c l i f f 和t o w e r ( s o u t h w e s to f s y d e n y ) 三个煤矿区进行了开采沉陷监 测研究。在差分干涉处理过程中采用了日本j a x a 的j e r s 1 数据，这是该研究的最大 亮点，主要是因为j e r s 1 是l 波段微波信号，波长为2 3 5 e r a ，具有很强的相干性。他 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 们使用了时间间隔为1 天的两幅e r s 1 2 串行数据来生成一个具有地形信息( 假设没有 地形变化) 的干涉图，时间间隔为卫星一个或多个重访周期即4 4 天( 或更长) 的j e r s 1 图像来生成既包含地形信息又包含地形变化信息的干涉图，上述两种干涉图做差分干涉 处理，就可以得到只有地形变化信息的差分干涉图，这就是三轨差分干涉方法，从而对 煤矿区进行地面沉陷监测，得到了精度为1 c m 的结果【1 4 16 1 。 德国d s k 煤矿公司曾用d i n s a r 技术监测r u h r g e b i e t 地区由于开采导致的地面沉 降。r u h r g e b i e t 地区覆盖了三个煤矿，分别位于g e l s e n k i r c h e n 、d o r s t e n 和r e c k l i n g h a u s e n 城市中。2 0 0 0 年，他们使用e r s l 2 雷达图像进行了开采沉降监测( w e g m u l l e r , e ta 1 2 0 0 0 ) 。对于形变速率较快的地区，采用3 5 天或7 0 天即e r s l 2 卫星的1 个或两个重访 周期间隔获取的e r s 图像进行差分干涉分析，其选取的基线小于2 0 0 m ：对于地表形变 速率较缓慢的地区( 如老采区) ，选取了一年时间间隔的e r s 图像进行差分干涉分析，其 基线小于5 0 m 。为了提高矿区地面沉降速度的观测精度，他们在进行差分干涉过程中还 对某些干涉对加入了气象条件进行改正。r u h r g e b i e t 地区进行地表变形监测的一般步骤 如下：a ) 将得到的差分干涉图投影到高斯克吕格坐标系来获取研究区2 5 m 空间分辨率 的差分干涉图；b ) 对转化后的差分干涉图进行相位解缠，求出年平均形变速度；c ) 利 用各矿区已有的实测资料求得地表沉降模型和同期水准观测获得的沉降资料对相位解 缠后求得的地面沉降速度进行改i - - e 1 7 - 1 8 。 以z p e r s k i 为代表的波兰s i l e s i a 大学选取u p p e rs i l e s i a 矿区为试验区，开展了 d i n s a r 技术在煤矿开采地表沉陷监测中的研究工作。该试验结果表明：d i n s a r 技术 能够监测到开采沉陷漏斗边界微小的形变以及矿区沉陷地表的演变趋势，并可测得地面 沉降速度。z p e r s k i 等总结出：对于煤矿区局部的地面沉降，d i n s a r 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，尤其对于持续2 至3 个月时间内 的快速地表沉陷 6 , 1 9 - 2 0 。 g f z 的夏耶等通过在矿区地表面布设角反射器( c o m e rr e f l e e t o r , c r ) 网，并通过 g p s 观测来识别角反射器在干涉图像上的差分相位，使用c r i n s a r 技术来研究矿区这 些点的沉降和形变情况，获得的形变监测结果达到了m m 级1 2 。由于在差分干涉过程中 天气和地物变化等因素对干涉相干性的影响较大，所以为了减小它们对最终沉降结果的 影响，永久性散射体( p e r m a n e n ts c a t t e r e r s ，p s ) 方法也被应用到了煤矿区地面沉降监测 2 2 1 。和p s i n s a r 技术类似的i p t a ( i n t e r f e r o m e t r i ep o i n tt a r g e ta n a l y s i s ) 方法也被用到 了煤矿区地面沉降监测中，如m k i r c h e r 等利用i p t a 方法来监测鲁尔矿区的地面沉降 3 第一章绪论 情况，并将结果与实测水准资料进行比较分析，结果发现二者表现出良好的一致性【2 3 1 。 二十世纪九十年代末，我国研究人员也开始了s a r 干涉测量和s a r 差分干涉测量 的研究和实践。他们主要在地震形变监测、因地下水开采而引起的城市地表沉陷监测、 火山地表形变监测、南极冰川运动监测及山体滑坡监测等领域进行了研究。中国地震局 地质研究所的单新建研究员等( 2 0 0 2 ) 利用d i n s a r 技术对张北尚义地震同震形变场 进行了实验研列2 4 l ，地壳应力研究所的张景发等( 2 0 0 2 ) 也是利用d i n s a r 技术对西 藏玛尼地震形变场进行了研究【2 5 1 ，他们的研究对我国d i n s a r 技术的发展起到了推动 作用。路旭等( 2 0 0 2 ) 应用d i n s a r 技术对天津地区进行了实验研究，由于天津地下水的 抽取，天津部分地区开始出现沉降现象，选取了欧空局e r s 1 和e r s 2 重复轨道s a r 数据，获得了多期地面沉降变化值，并将d i n s a r 监测结果和实测水准测量资料相比， 得出了比较接近的结果【2 6 。香港理工大学的丁晓利、刘国祥等( 2 0 0 1 ) 利用e r s 2 卫星 s a r 数据，通过d i n s a r 技术获取的差分干涉图来分析香港填海地区和赤腊角机场的 地面沉降，得到了比较理想的监测结果，他们还结合了实测g p s 连续运行参考站，利 用获得的g p s 数据分析了大气延迟对差分干涉结果的影响，取得了比较好的结果，并 为以后的d i n s a r 研究提供了很有价值的资料2 7 1 。 随着i n s a r 技术的发展，d i n s a r 技术在我国煤矿区地面沉降监测中的应用也逐 渐开展起来，吴立新、葛大庆等分析了d i n s a r 技术在煤矿区开采沉降监测中应用的 可行性及其能力，开展了以唐山矿和开滦矿等煤矿区为研究区域的矿区地表演变与地下 开采沉降d i n s a r 技术监测试验的初步研究，这为我国d i n s a r 技术在煤矿区地面沉 降监测中的应用奠定了良好的基础。 1 3 论文的研究内容和意义 1 3 1 研究内容 根据煤矿区地面沉降的特点，为进一步研究d i n s a r 技术在煤矿区地面沉降监测 中应用的可行性及其能力。本文的主要研究内容为： ( 1 ) 介绍了i n s a r 技术的发展历程r h s a r 和d i n s a r 技术的基本原理及流程， 分析了d i n s a r 技术监测地表形变的主要影响因素失相干因素和误差因素，并且 对高相位梯度的定义及其影响进行了介绍。 ( 2 ) 论述了本文的数据处理方法和流程，简要介绍了本文用到的s a r 数据处理软 件g a m m a 软件，详细叙述了差分干涉处理过程中的关键技术，并且介绍了将 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 d i n s a r 结果导入g i s 软件中进行后处理的方法及流程。 ( 3 ) 对本文的研究区域葛亭煤矿的概况进行了简要叙述，介绍了试验区s a r 数据的选取情况并对其进行差分干涉处理，结合g i s 技术对d i n s a r 结果分别进行了 定性和定量分析以及将结果使用剖面图、等值线图和3 d 可视图等多种方式进行可视化。 最后对结果进行了误差分析并提出了减小误差的方法。 ( 4 ) 最后，利用d i n s a r 结合g i s 技术监测了唐山煤矿地下开采引起的地面沉 降对万达广场建设和周边地区的影响。 本文基于d i n s a r 和g i s 技术来进行煤矿区地面沉降监测，将d i n s a r 结果导入 g i s 中作后处理，叠加数字正射影像图( d o m ) 、开采平面图和矿区边界图等其它的空 间信息来解译地面沉降，这一综合技术可以以多种形式对d i n s a r 结果进行分析和可 视化，提高矿区地面沉降的评估过程，因此可以避免或减小沉降对人们带来的潜在危险 和对自然环境的影响j 为煤矿区开采引起的地面沉降监测提供全新快速有效的方法，也 为数字矿山的建设提供数据保障，保证和谐矿区、绿色矿区的可持续发展。 1 3 2 研究意义 煤矿区地面沉降受地下开采活动的影响，与地质、地震和滑坡等方面的形变监测相 比，有沉降速度快、沉降范围小等特点。然而，如何利用获得的不同时期的s a r 数据 来分析煤矿区长期地面沉降的时空演变趋势，以及如何利用d i n s a r 技术对煤矿区地 面沉降进行动态监测，这是个亟待研究的问题。所以，根据国内外应用d i n s a r 技术 监测煤矿区地面沉降的现状以及随着现代i n s a r 技术的快速发展，我国有必要应用 d i n s a r 技术来监测煤矿区的地面沉降f 2 8 】。其具体意义如下： 第一，我国目前主要使用的常规监测手段水准测量、全站仪和g p s 监测网等 只能得到离散点位数据且监测周期较长，难以大范围监测矿区的地面沉降，而i n s a r 技术可以弥补其不足，可以作为常规监测手段的有益补充； 第二，随着航天航空遥感事业的快速发展、i n s a r 技术的不断成熟和s a r 数据源 的多样化，为我们提供了快速监测煤矿区地面沉降的手段和技术； 第三，矿区地面沉降随着地下煤炭的开采还会不断加剧，应用d i n s a r 技术来监 测矿区地面沉降可以避免或减小沉降对人们带来的潜在危险和对自然环境的影响，从而