1、第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2022-01-24基金项目:黑龙江工程学院省级领军人才梯队培育计划项目(2020LJ01)资助作者简介:侯建国(1968-),男,黑龙江呼兰人,教授,注册测绘师,博士,2011 年毕业于长安大学大地测量学与测量工程专业,主要从事 InSAR 和变形监测方面的科研和教学工作。基于 InSAR 技术的油田地面沉降调查与应用侯建国1,陶红志2,司海燕1,高延平1,刘 江1(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑
2、龙江 哈尔滨 150050;2.哈尔滨工大正元信息技术有限公司,黑龙江 哈尔滨 150016)摘要:InSAR 技术能够还原区域地面历史形变过程,本文采用 PS-InSAR 方法对 19 景 ALOS PALSAR 存档数据进行处理,获得某油田区域历史沉降特征信息。根据 InSAR 调查结果,确定了该油田水准和 GNSS 监测点的布设位置,为最大限度地反映油田开采区地面形变,提供了高效可靠的技术手段。关键词:合成孔径雷达干涉测量;地面沉降;套管破损;雷达数据;石油开采中图分类号:P225.1 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0004-03Investigation
3、 and Application of Oil Field Ground Subsidence Based on InSAR TechnologyHOU Jianguo1,TAO Hongzhi2,SI Haiyan1,GAO Yanping1,LIU Jiang1(1.School of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China;2.Harbin Institute of Technology Zhengyuan Information Technolo
4、gy Co.,Ltd.,Harbin 150016,China)Abstract:InSAR technology can be used to restore the historical deformation process of the region,and PS-InSAR method is used to process the archived data of 19 ALOS PALSAR to obtain the historical subsidence characteristic information of an oilfield region.Ac-cording
5、 to the INSAR survey results,the position of GNSS monitoring points and the level of the oil field are determined,which pro-vides an efficient and reliable technical means for monitoring the ground deformation in the oil field.Key words:InSAR;land subsidence;the casing damage;SAR data;oil drilling0
6、引 言近年来,某油田开采引起地面沉降比较严重,导致多数井口套管损坏。为了提高套损防控的主动性,拟通过水准和 GNSS 测量技术获得地表三维形变特征信息,并结合相关生产参数、标准层套损资料及侵水域分布,研究地表形变、地层形变、注采活动之间关系,预警标准层套损高风险区域,控制注采活动。在经费投入有限情况下,为能够确定出最大限度反映地面沉降区域的位置,利用 In-SAR 技术的全天候、全天时、大范围覆盖,以及重复观测等特点1-2,获取该区域历史地面形变特征信息,初步选定监测点布设范围,为更精准地布设水准和 GNSS 测量提供了选点依据。1 SAR 数据调查与准备1.1 数据调查根据采油区经纬度范围,
7、利用数据查询软件 DESCW和 EOLISA,对研究区域的存档数据进行查询,获得了详细的干涉雷达数据信息,包括传感器、影像获取时间、Oribit、Track、Frame、干涉基线等。综合时间基线和空间基线,订购了 19 景 ALOS PALSAR 数据,具体参数见表 1,产品级别 Level0,数据类型 RAW。表 1 ALOS PALSAR 数据参数表Tab.1 ALOS PALSAR data parameter table序号获取日期120070620220070805320070920420071221520080205620080322720080507820080622920090
8、2071020090625序号获取日期112009081012200909251320091226142010021015201003281620100513172010062818201009281920101229 1.2 DEM 数据准备在 InSAR 技术中,为去除干涉相位中的地形相位,选取 SRTM-DEM 数据 SRTM3(3 arc-seconds)作为外部DEM 数据,SRTM 的雷达系统包括 C 波段和 X 波段 2 种天线,利用 C 波段雷达数据制作出来的 DEM 覆盖全球陆地(90 m 分辨率),X 波段雷达数据被用来生成精度更高的 DEM(30 m 分辨率),前者每个像
9、素在经/纬度格网上代表 3 弧秒,后者每个像素在经/纬度格网上代表 1 弧秒1,3-4。它们的水平面参考系是 WGS-84,垂直参考系是 EGM96 大地水准面,其高程方向上,SRTM3 标称的绝对精度是16 m,相对高程精度为 10 m,在地形起伏较大的地区,精度会相应的更低一些。1.3 卫星精密轨道数据精确的轨道数据有利于提高影像的配准精度和精确的基线估算,并可有效地去除干涉图中的平地相位。在SAR 干涉数据处理中,有 3 个步骤使用卫星轨道信息1,5:1)在主影像与从影像的粗配准过程中,可借助 2次成像雷达卫星的轨道数据,根据成像几何关系,计算 2个影像中心像元在方位向和斜距向的近似偏移
10、量,为后续的精确提供初始偏移值;2)在逐像素相位差分生成干涉图的过程中,为提取仅反映地形起伏的相位分量或反映形变的相位,且便于相位解缠,需要根据卫星轨道计算并去除参考椭球面相位;3)在相位解缠完成后,需要根据卫星轨道状态矢量和成像几何关系,计算基于地面坐标框架下的数字高程模型。1.4 数据预处理订购 SAR 数据为原始的 RAW 数据,要通过一系列ANSI C 程序和由 IDL 语言编写的绘图显示子程序处理,生成可以进行后续处理的 SLC(Single Look Complex)影像,RAW 数据的高质量格式转换,对影像数据的后续精确处理起到决定性的作用。因此,在处理中要严格控制每一步的质量,
11、处理过程主要包括距离谱估计、多普勒模糊度、距离压缩/方位预滤波、方位向自动聚焦和方位压缩等6-7。2 InSAR 干涉测量结果2.1 PS-InSAR 技术数据处理对研 究 区 ALOS PALSAR 单 视 复 数 影 像,选 择20100328 日期数据作为主影像,数据干涉组合基线分布如图 1 所示。经过配准、辐射定标、PS 探测和干涉处理,并借助 DEM 进行差分干涉处理,得到差分干涉图、PS 点,以及各 PS 点在各差分干涉图中的差分干涉相位集。在考虑地表形变、高程误差、大气影响及失相关的情况,得到每个 PS 点相对于主参考点的形变速率。2.2 PS-InSAR 数据监测结果由于 AL
12、OS 数据具有较长的 L 波段,因此,在一定程度上克服了季节变化或植被生长带来的去相干因素,获得较好的干涉测量结果。从图 2 可以看出,该地区地表形变速率在-2020 mm/a 之间,存在 2 个明显的沉降中心和 4 个抬升中心。代表沉降区域;代表上升区域。图 1 ALOS PALSAR 数据干涉组合基线分布图Fig.1 ALOS PALSAR data interference combination baseline distribution map图 2 PS-InSAR 地表形变速率Fig.2 PS-InSAR surface deformation rate从沉降中心的速率来看,大约
13、为-20 mm/a,选取号区域沉降中心一点,绘制时间序列形变图,如图 3 所示。图 3 号区域沉降中心时间序列形变图Fig.3 Time series deformation map in Area 1在 4 个抬升区域中,抬升速率大约为 20 mm/a,选取区域中心一点,绘制时间序列形变图,如图 4 所示。图 4 号区域沉降中心时间序列形变图Fig.4 Time series deformation map in Area 33 InSAR 监测结果的应用通过对大范围研究区的雷达测量干涉处理,获得采油沉降区地面沉降特征信息,最后确定水准和 GNSS 点布设范围,总面积约 17 km2范围,布
14、设 27 个监测点,监测点5第 1 期侯建国等:基于 InSAR 技术的油田地面沉降调查与应用平均距离 800 m。考虑该地区冻土层厚度,确保点位不随地表融冻而变化,确保监测点稳定,监测点埋深 2.8 m,同时,为了满足水准测量和 GPS 测量要求,监测桩高出地面1.5 m,监测点顶部安装强制对中观测墩,便于 GNSS 测量安装接收机,在监测墩上焊接水准测量标志点,便于立尺。通过 3 期测量,计算各监测点垂直方向平均变化量达到 1.5 cm,其中,N15 号点变化达到 5.8 cm,各监测点累计变形如图 5 所示。图 5 监测区沉降图Fig.5 Settlement map of monito
15、ring area经过 GNSS 数据处理,得到 N15 监测点水平位移沿东北方向移动 1.6 cm,在该点附近有一生产油井,实际开采时已出现轻微套管破损现象,已经引起相关部门的注意。4 结束语作为空间对地观测的一种新手段,InSAR 技术已成为地球科学许多领域获取面域变形的主要方法8,特别是采用存档 SAR 数据可以还原历史形变过程,这对于研究煤矿开采、石油开采而引发的地表形变发生、发展规律至关重要,具有其他测量技术无法比拟的优势。本文是利用 InSAR 技术调查了研究区历史形变特征,为精准布设水准和 GNSS 测量提供了参考。此次研究也订购了欧空局的 Envisat 数据,由于处理过程中存
16、在大量失相干的情况,使得形变探测能力很弱,因此,选择 ALOS PALSAR 干 涉测量结果作为选点依据。参考文献:1 侯建国,初禹.差分干涉雷达测量与地面沉降监测M.北京:测绘出版社,2014.2 TAKAKI NISHIGUCHI,SATOSHI TSUCHIYA,FUMITOSHI IMAIZUMI.Detection and accuracy of landslide movement by InSAR analysis using PALSAR-2 dataJ.Landslides,2017,14(4):38-43.3 侯建国,刘江,陶红志,等.基于 InSAR 技术城市垃圾场存量垃圾填埋量的估计J.测绘与空间地理信息,2021,44(11):11-13.4 陈磊,赵学胜,汤益先,等.基于时序 InSAR 技术的大光包滑坡变形监测 J.矿业科学学报,2016,1(2):113-119.5 王毅鹏,张永志,赵超英,等.GPS 及 InSAR 数据支持下的甘肃黑方台滑坡监测云平台设计与分析J.测绘通报,2019(8):106-110.6郭瑞,李素敏,陈娅男,等.基于 SBAS-I
