利用InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

朱建軍，邢學敏，胡 俊，李志偉

(中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

利用InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

朱建軍，邢學敏，胡 俊，李志偉

(中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

介紹了InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的應用現(xiàn)狀及進展，分析了D-InSAR技術相比于傳統(tǒng)測量手段的優(yōu)勢，并指出其在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的不足。針對傳統(tǒng)D-InSAR技術的局限性，重點討論了短基線(SBAS)、永久散射體(PS)和角反射器(CR)等高級差分干涉技術，并結合礦區(qū)沉降監(jiān)測實例，分析了其特點與應用現(xiàn)狀，討論了現(xiàn)有研究中仍存在的問題。高級InSAR技術和高分辨率SAR影像的結合將是礦區(qū)地表形變監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

InSAR技術；D-InSAR技術；礦區(qū)；地表形變監(jiān)測；短基線；永久散射體；角反射器

礦產(chǎn)資源的過度開采容易破壞礦區(qū)地下地質(zhì)結構，進而引發(fā)地表塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面沉降和地面積水等事故。如果開采不慎，極易觸及地下含水層，嚴重者甚至導致礦區(qū)透水事故，造成嚴重的安全隱患甚至人員傷亡。通過對礦區(qū)長期、動態(tài)的沉降監(jiān)測，對礦區(qū)沉降規(guī)律進行分析，可及時掌握礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的破壞程度，從而針對實際情況制定相應應急處理方案。同時，礦區(qū)沉降監(jiān)測獲取到的地表形變數(shù)據(jù)信息可為礦區(qū)的規(guī)劃、治理和發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐，有利于促進礦山地質(zhì)災害環(huán)境的一體化管理。因此，礦區(qū)沉降監(jiān)測是礦區(qū)開采和可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，礦區(qū)沉降監(jiān)測對預防潛在地質(zhì)災害具有重要意義。

目前，針對礦區(qū)地表形變監(jiān)測的主要手段有傳統(tǒng)的水準測量、GPS測量和電子測距測量等。盡管這幾種監(jiān)測方法的成熟度和高精度毋庸置疑，但它們存在以下不足：1) 需要大量的人力、物力的支持，需要測量人員進入監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，加大了監(jiān)測工作的難度，存在一定的安全隱患；2) 監(jiān)測范圍小、空間分辨率低、不適合用于對礦區(qū)進行快速、準確、大范圍的監(jiān)測；3) 水準和 GPS 觀測的成本較高，臺站分布和觀測周期受到人力、 財力和氣候環(huán)境等因素的限制，對于采空區(qū)大面積長期形變監(jiān)測顯得十分不足[1]。

合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技術是近幾年發(fā)展起來的一種新型大地測量手段。該技術通過傳感器的軌道參數(shù)和成像幾何關系實現(xiàn)對地表點目標坐標位置，高程及形變的測量，成功地綜合了合成孔徑雷達成像原理和干涉測量技術，可精確測量地表某一點的三維空間位置及微小變化[2]。尤其是在最近十多年，InSAR技術取得了重大突破，已成為雷達遙感領域中引人矚目的重要分支[3]。差分干涉測量(Differential InSAR, D-InSAR)技術作為InSAR技術的一個延伸，主要用于監(jiān)測雷達視線方向厘米級或更微小的地球表面形變，以揭示許多地球物理現(xiàn)象，如地震形變、火山運動、冰川漂移、地面沉降以及山體滑坡等[4]。在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中，D-InSAR技術也取得了大量的成功范例，其監(jiān)測范圍大、空間分辨率高、無接觸式測量等特點，大大彌補傳了統(tǒng)測量手段的不足。但是，D-InSAR技術受到時空失相關和大氣延遲的影響，使得其精度和適用性顯著降低[5]。而近十年以來，隨著小基線集(SBAS)、永久散射體(PS)和人工角反射器(CR)等高級InSAR技術的發(fā)展，使得礦區(qū)地表形變監(jiān)測的水平得到了進一步的提高。

本文作者首先簡要闡述 D-InSAR技術的基本原理，介紹其在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的研究現(xiàn)狀，同時將指出該技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的局限性。隨后，通過介紹SBAS、PS和CR等高級InSAR技術的基本原理，結合其在礦區(qū)監(jiān)測中的具體應用實例對其在礦區(qū)形變監(jiān)測中的特點以及不足進行重點分析與探討。最后，通過分析目前InSAR監(jiān)測礦區(qū)地表沉降應用中存在的主要問題，指出其未來的發(fā)展趨勢。

1 D-InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

1.1 D-InSAR技術

D-InSAR技術是在InSAR技術基礎上發(fā)展起來的一種專門應用于探測地表位移變化的手段。其基本原理是利用同一地區(qū)的兩幅或兩幅以上 SAR圖像組成干涉圖，而干涉圖中不僅包含因地形起伏引起的干涉相位，還包含了由地表位移而引起的形變相位，通過對干涉圖進行差分處理(去除地形影響)來獲取地表微量形變。對于一幅干涉圖而言，是通過已配準的主輔SAR影像的共軛相乘所得到的[6]：

式中：(r, n)表示像素坐標；M和S分別為復數(shù)形式的主輔SAR影像；IF為復數(shù)形式的干涉影像，而其相位?φ可以寫成以下的形式[7]：

式中：λ表示雷達波長；R為斜距；θ為雷達入射角；k為整周模糊度；B⊥和//B分別為干涉對的垂直基線和平行基線；noise?代表相位噪聲；atm?為大氣相位。

在式(2)中，等號右側第一項表示形變相位，是指在主輔影像所間隔的時間范圍內(nèi)，地表在雷達視線方向(Line-Of-Sight, LOS)上的位移 D所引起的干涉相位。第二項表示由地表高程H引起的相位變化，即地形相位。去除地形相位的方法有兩種：一種是利用僅包含地形信息的 SAR影像對生成干涉圖進而得到地形相位；另一種是利用已有的外部 DEM模擬地形信息從而實現(xiàn)地形相位的去除。因此差分干涉方法可歸結為兩種模式：使用外部 DEM的二軌方法；使用多圖像干涉生成地形影像對的三軌或四軌方法[8]。第三項表示平地相位，是由不同像素在參考橢球面的斜距差所引起的。//B 可通過衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)求得[9?10]；也有一些學者利用地面控制點來優(yōu)化基線[11]。對于重復軌道干涉圖而言，大氣相位(atm?)是最主要的誤差源之一，嚴重時可以給干涉圖帶來0.5到1個干涉條紋的影響。

GPS、MODIS或MERIS等水汽資料可用來有效的去除大氣效應，但受限于外部條件的制約[12]；干涉圖堆疊是另一種常用的大氣相位去除方法[13]。相位噪聲(noise?)包括熱噪聲、時空失相關噪聲、多普勒失相關噪聲以及數(shù)據(jù)處理過程產(chǎn)生的噪聲等。多視和濾波都可以達到去噪的效果。而濾波方法主要分為頻域(如Goldstein 濾波[14?15])和空域(如 Lee 濾波[16])兩類。最后一項為π2整數(shù)倍的整周模糊相位。這是由于干涉相位圖的相位往往是纏繞的，反映的只是真實相位值的小數(shù)部分，因此要通過解纏來還原相位的真值。目前常用的解纏方法有枝切法[17]和最小費用流法[18]等。

很明顯，要通過干涉相位得到準確的地表形變值D，首先需要去除地形相位、平地相位、大氣相位、噪聲以及整周模糊相位。在實際數(shù)據(jù)處理中，可能仍然會存在一些相位殘余，其大小決定了地表形變監(jiān)測的精度。而相比于傳統(tǒng)測量手段，D-InSAR技術具有以下優(yōu)勢[19]：1) 能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域進行全天時、全天候觀測，測量過程中以面為基礎；2) 能夠在短時間內(nèi)監(jiān)測到成千上萬平方公里的地表變形，是一種無接觸式的監(jiān)測手段，基本上不需要地面控制點，精度高；3) 能夠達到厘米甚至毫米級精度，數(shù)據(jù)處理的自動化程度高。近二十年來，D-InSAR技術的發(fā)展大大促進了InSAR技術由理論研究向?qū)嶋H應用的發(fā)展，目前已經(jīng)在全球各地被廣泛應用起來。

1.2 D-InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

D-InSAR技術在礦區(qū)沉陷引發(fā)的地質(zhì)災害監(jiān)測方面的研究始于1996年，CARNEC等用相隔35 d的SAR影像獲取了法國Gardanne附近煤礦的地面沉降，發(fā)現(xiàn)了一個大范圍的沉降變形環(huán)區(qū)域，沉降漏斗的最大變形達42 mm[20]。2000年，CARNEC和DELACOURT[21]又用相同的方法得到了該煤礦 1992—1995年的地面沉陷變化，與地面沉陷的發(fā)展和采煤工作面的推進吻合較好，并且和地面的水準觀測結果基本保持一致。2003年，RAUCOULES等[22]用D-InSAR技術對法國Vauvert地區(qū)一個鹽礦進行地面沉陷監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果修改了地面水準觀測方案。2004年，GE等[23]介紹了用GIS技術來輔助解釋D-InSAR技術獲取的礦區(qū)沉陷，通過GIS技術把D-InSAR測得的礦區(qū)沉陷和采礦工作區(qū)疊加起來，使采礦對地面沉陷影響的表達更加清晰。隨后，在2007年，他們對采用多源SAR數(shù)據(jù)(JERS、ERS、Radarsat-1、ENVISAT ASAR)監(jiān)測礦區(qū)沉陷進行了研究，發(fā)現(xiàn)在礦區(qū)存在植被的情況下，L波段的數(shù)據(jù)受時間失相干影響較小，得到的結果更加穩(wěn)定[24]。

迄今為止，我國學者也已開展了大量用D-InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)沉降的研究，吳立新等[25]、董玉森等[26]、劉國林等[27]、寧樹正等[28]以及李晶晶和郭增長[29]均就D-InSAR技術在礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測中的應用進行分析和實驗，并成功應用于唐山、開灤、潞安等礦區(qū)的地表沉降監(jiān)測。此外，YANG等[30]和侯建國等[31]應用二軌差分干涉技術對陜西神木礦區(qū)坍塌情況進行開采沉陷監(jiān)測分析。這些成功應用的實例都體現(xiàn)了D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的優(yōu)勢與實力。圖1所示為利用 D-InSAR技術反演獲取的湖南省冷水江礦區(qū)在2007年至2009年間的沉降結果。從圖1中可以明顯看出，沉降區(qū)域主要可劃分為4個沉降漏斗區(qū)。圖2所示為這4個主要沉降區(qū)域的沉降等值線圖。圖3所示為冷水江礦區(qū)中的重點研究區(qū)域?qū)毚笈d礦區(qū)(見圖1)的沉降等值線結果。這些結果均對冷水江礦區(qū)由于礦產(chǎn)資源開采而引起的大幅度沉降的監(jiān)測工作提供了有利的數(shù)據(jù)資源[32]。

圖1 利用 D-InSAR技術獲得的湖南省冷水江礦區(qū)在2007—2009年間的地面沉降圖[32]Fig.1 Ground subsidence map in Lengshuijiang mining area of Hunan Province from 2007 to 2009 gained by D-InSAR technology[32]

1.3 D-InSAR監(jiān)測礦區(qū)沉降的局限性

盡管 D-InSAR技術在礦區(qū)地表形變監(jiān)測方面取得了很多可喜的成績，體現(xiàn)了其在地表形變監(jiān)測中極大的應用潛力，但仍存在一些不足與局限：1) 重復軌道觀測模式中，地物在時間序列上的變化會導致其散射特性的變化，一般當時間基線長于1 a時就會大大降低地物在時間上的相干性，導致D-InSAR處理出來的差分干涉圖效果很差，失去其形變監(jiān)測的優(yōu)勢[33]；2) 當研究區(qū)域內(nèi)有植被或冰雪覆蓋時，其空間上的相干性會大大減弱，而較長的空間基線同樣會導致空間失相關現(xiàn)象嚴重，進而嚴重影響 D-InSAR處理的效果；3) D-InSAR技術極易受到研究區(qū)域內(nèi)大氣延遲相位的影響，會降低獲取的形變精度；4) 礦區(qū)開采引起的地面沉降往往速率較快，可能超出D-InSAR的形變監(jiān)測能力范圍。綜上所述可知，針對礦區(qū)這一特殊環(huán)境中，由于采礦常常造成地面沉陷、滑坡、崩塌、塌陷、地裂縫、泥石流等地質(zhì)災害，環(huán)境非常惡劣，加上礦區(qū)經(jīng)常有礦石堆積或植被覆蓋，極易造成失相關，從而可能使得傳統(tǒng)的D-InSAR技術很難發(fā)揮作用。

圖2 圖1中沉降漏斗區(qū)A～D的等值線圖(2007年1月25日至2009年1月30日)[32]Fig.2 Contour maps of subsidence bowls A?D shown in Fig.1 (from Jan. 25, 2007 to Jan. 30, 2009)[32]: (a) Bowl A; (b) Bowl B; (c)Bowl C; (d) Bowl D

圖3 湖南省寶大興礦區(qū)的沉降等值線圖(2007年1月25日至2009年1月30日)[32]Fig.3 Contour map of Baodaxing mining area of Hunan Province (from Jan. 25, 2007 to Jan. 30, 2009)[32]

2 高級 InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變

針對上述 D-InSAR技術在礦區(qū)監(jiān)測應用中存在的問題，國內(nèi)外學者們開始嘗試采用多幅時序SAR影像對礦區(qū)進行時間序列沉降分析。即在具體數(shù)據(jù)處理中，放棄了影像中質(zhì)量差的點，僅僅保留研究區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定性較好的點目標作為處理對象，結合多幅SAR影像的時間序列分析方法，以彌補傳統(tǒng)D-InSAR技術的時空失相干和大氣延遲問題，提高形變監(jiān)測的精度。目前，采用多幅SAR影像進行時序差分干涉處理的手段主要包括：小基線集(SBAS)技術，永久散射體(PS)技術及人工角反射器(CR)技術，在這里本文作者將這些技術統(tǒng)一稱為高級InSAR技術。

2.1 SBAS技術監(jiān)測礦區(qū)形變

SBAS方法是BERARDINO等[34]在2002年提出的利用多幅干涉 SAR圖像反演地表形變的時間序列分析方法。該方法將求解單個 SAR 圖像形變的問題轉化為一個最小二乘的問題。首先將所有獲得的N+1景SAR數(shù)據(jù)進行兩兩組合，并剔除掉超過時空基線閾值的干涉對，在去除地形等相位后，剩余的M景小基線干涉圖在像素(r, n)的干涉相位可以表示為

式中：Δ?j表示第j個干涉相位圖；d(tA,r, n)和d(tB,r, n)分別表示tA和tB時刻相對于參考時間t0的地表LOS向形變累計量，一般假設 d (t0,r, n) = 0 。那么對于所有的M景干涉圖，可以寫成如下的矩陣形式：

其中：MN×B為觀測系數(shù)矩陣，其行和列分別對應于干涉圖和SAR影像。

對于式(4)而言，如果小基線干涉對都在同一個集合之中，即rank()B N= 時，直接利用最小二乘方法就可以進行解算。如果小基線干涉對根據(jù)基線分布情況分為若干個集合，即rank()B＜N時，就需要利用奇異值分解(Singular value decomposition, SVD)方法解決總體法方程秩虧的問題，將多個小基線集聯(lián)合起來求解，得到覆蓋整個觀測時間的沉降序列。此時，還需要將相位(形變)轉換為速度，以避免 SVD解出現(xiàn)跳躍[34]。目前很多國外學者已應用 SBAS技術取代D-InSAR技術，進行城市地表形變監(jiān)測。

盡管國外學者已開始嘗試應用 SBAS技術取代D-InSAR技術監(jiān)測城市地表形變[35]，但將 SBAS技術應用于礦區(qū)形變監(jiān)測的實例并不多見。我國在SBAS技術方面的應用雖起步較晚，但已經(jīng)取得了較成功的案例。河南省國土資源科學研究院的趙鴻燕等[36]選用2004—2006年的6景ASAR數(shù)據(jù)，采用基于相干目標的多基線距D-InSAR技術對河南永城煤礦區(qū)的地表形變進行反演，獲取了該區(qū)域內(nèi)礦區(qū)的沉降情況，為當?shù)氐牡V區(qū)地質(zhì)災害監(jiān)測提供了有利的數(shù)據(jù)支持。

2006年，尹宏杰等[37]利用冷水江地區(qū)的 9景PALSAR影像，采用SBAS技術對冷水江地區(qū)的寶大興礦區(qū)進行差分干涉測量時序分析，得到高相干點在SAR影像獲取時間上的沉降速率和累積沉降量。圖4所示為應用SBAS技術獲取的湖南冷水江寶大興礦區(qū)附近區(qū)域的時間序列沉降圖。從圖4中可明顯看出，沉降漏斗的發(fā)育演化情況，部分區(qū)域的累積沉降量高達30 cm。圖5～7所示為針對研究區(qū)域中沉降明顯的漏斗區(qū)域A、B和寶大興礦區(qū)C處沿行、列方向的剖面分析結果。

圖4 湖南省冷水江寶大興礦區(qū)附近區(qū)域時間序列沉降圖[37]Fig.4 Time series of subsidence near Baodaxing mining area in Lengshuijiang, Hunan Province[37]

圖5 沉降漏斗A在行(a)和列(b)方向的時間序列沉降量剖面圖[37]Fig.5 Time series of subsidence profiles at subsidence bowl A along row (a) and column (b) directions[37]

2.2 PS技術監(jiān)測礦區(qū)形變

PS技術是1999年FERRETTI等[38]提出的一項新技術。該技術通過提取研究區(qū)域內(nèi)一定數(shù)量的后向散射特性在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定的點(PS點)，并結合多幅SAR影像進行綜合相位分析，分離出地形殘差、大氣等相位分量，從而提取出形變信息。具體包括對 PS點進行布網(wǎng)，建立相鄰兩點間的相位差與形變速率和高程改正的函數(shù)關系模型，通過對模型進行求解實現(xiàn)各相位分量的分離，最終確定出形變分量。

應用 PS技術進行形變解算基本原理如下：首先需在時序SAR影像中選取出一幅主影像，其余影像為從影像，將從影像分別配準并重采樣到主影像上，與主影像進行干涉，去除平地和地形相位，進而得到一組時間序列差分干涉圖。然后，通過某種閾值(如振幅離差指數(shù))在影像上篩選出一定數(shù)量的PS點，并將相鄰PS點連接成PS基線，從而構成PS基線網(wǎng)絡。對于PS網(wǎng)絡中任意一條PS基線(含PS點i和j)，對這兩點的相位值作差，可建立如下模型[38]：

圖6 沉降漏斗B時間序列沉降量剖面圖(行方向)[37]Fig.6 Time series of subsidence profiles at subsidencing bowl B along row direction[37]

圖7 沉降漏斗C時間序列沉降量剖面圖(行方向)[37]Fig.7 Time series of subsidence profiles at Baodaxing mining area C along row direction[37]

在實際計算中，對未知參數(shù)Δvi,j和ΔδHi,j的求解過程為時間維相位解纏過程，目前較常用的方法有優(yōu)化搜索方法[38]和整數(shù)最小二乘搜索(The least squares ambiguity decorrelation adjustment, LAMBDA)方法[39]。在獲取了任一 PS基線的速率增量信息后，將任一基線邊上速率增量恢復到任一 PS點上的過程為空間維相位解纏，目前采用的方法主要為在研究區(qū)域內(nèi)選取出一個假設參考點作為起算數(shù)據(jù)點進而應用總體空間平差方法求得所有PS點上的線性形變速率值。

PS技術在處理過程中不受時間與空間基線的影響，通過對相鄰點間相位作差減小了大氣延遲相位誤差，同時在模型求解過程中考慮到對外部 DEM數(shù)據(jù)進行改正，因而克服了外部 DEM數(shù)據(jù)時效性不強這一缺點，其監(jiān)測形變的精度明顯優(yōu)于D-InSAR技術，在低相干地區(qū)具備較強的優(yōu)勢，近年來在監(jiān)測地表變形方面已經(jīng)獲得廣泛的應用。

在應用 PS-InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)地表形變方面，2005年，COLESANTI等[40]采用PS-InSAR方法分析了 57景 ERS-1/2的降軌 SAR影像，研究了法國Lorraine鐵礦一個面積約300 m×300 m的塌陷區(qū)域的歷史變形，并通過時序分析反演得到塌陷區(qū)的兩個PS點的塌陷過程。韓世大學的JUNG等[41]使用1992年到1998年的25對JERS干涉數(shù)據(jù)，研究了韓國Gaeun煤礦區(qū)大約1km2范圍的地面沉降變形，由選擇出來的135個PS點，測得6年間該礦區(qū)最大的變形為11.2 cm，礦區(qū)地裂縫高度發(fā)育區(qū)地面平均變形速率為 0.5 mm/a[41]。盡管我國學者已嘗試開展了應用 PS-InSAR技術進行地表形變監(jiān)測方面的應用研究，但多為對城市緩慢地表形變的監(jiān)測，從公開發(fā)表的文獻來看，應用PS-InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)沉降的工作比較少見。

2.3 CR技術監(jiān)測礦區(qū)形變

與PS-InSAR技術類似的CR技術同樣是一種基于高相干目標對時間序列影像進行相位分析進而獲取地面沉降信息的方法。該技術通過在監(jiān)測地區(qū)布設穩(wěn)定可靠的人工角反射器(CR點)，建立CR點上的相位變化與形變量之間關系的模型以達到對離散點進行形變監(jiān)測的目的。CR技術有著PS技術的所有優(yōu)點，可將其視為人造的標準最佳 PS點，依靠此技術可以精確地測量某一時間段內(nèi)地表毫米級的位移。由于這些CR 點對雷達波反射很強，經(jīng)過幾年的時間后，它們?nèi)匀槐３种芨叩南喔尚?，有利于對研究區(qū)域進行長時間序列的持續(xù)監(jiān)測，且不受時間、空間失相關影響，適用于低相干區(qū)的長時間序列形變監(jiān)測。CR點安裝靈活，可自由選取研究區(qū)域進行安裝，特別適合于對水庫，活動構造，大壩，管線，公路，橋梁，核電站，滑坡及斷層等特定區(qū)域或目標的活動監(jiān)測。由于這些地區(qū)往往缺少足夠數(shù)量且穩(wěn)定的地面散射體，使得PS技術難以實現(xiàn)[42]。這時可以通過人為地布設一定數(shù)量、尺寸、規(guī)格嚴格統(tǒng)一并具有穩(wěn)定散射特征的角反射器，通過對這些角反射器的回波相位進行干涉測量，從而獲得高精度的視線方向形變量，彌補了 PS技術的不足。

CR-InSAR技術進行形變監(jiān)測的前期處理與PS技術類似，假設有N+1幅SAR影像，并埋設了M+1個CR點，選取其中一個CR點為參考點，一幅SAR影像為主影像，將其余N幅影像與主影像配準并重采樣，再進行干涉處理，可形成N組干涉對，計算結果為其余M個CR點相對于參考點在時間序列上的形變值。具體處理過程中，需要預先在SAR影像上進行CR點的識別，并提取出其行列號信息，進而建立如下函數(shù)關系模型[43]：

在實際計算中，式(5)中未知參數(shù)僅為整周模糊度?k、形變速率v和系統(tǒng)誤差參數(shù)S。求解模型式(5)中未知參數(shù)的過程與2.2節(jié)中PS技術時間維相位解纏的過程相似，可應用整周模糊度搜索方法逐步分離出未知參數(shù)，進而得出CR點上的最終的形變速率值v。

CR技術在地表形變監(jiān)測方面的應用始于1993年初，德國波茨坦地學研究中心的XIA等[43]結合ERS?1的SAR圖像和人工角反射器進行了試驗研究工作，發(fā)現(xiàn)在相隔35 d的SAR圖像中可以監(jiān)測到1 cm精度的人工角反射器的上升和下降。隨后，XIA等[43]在2000年又把這一技術用于礦區(qū)的沉降監(jiān)測，并取得了很好的結果。2004年，他們再次應用CR技術監(jiān)測了三峽地區(qū)的沉降，并提出該技術的算法模型[44]，2008年，XIA[45]又在原有模型基礎上進行了改進，并通過實驗驗證了這項技術用于監(jiān)測地表沉降的實用性和可靠性。此外，1996年，TIMMEN等[46]利用CR技術對德國的圖林根州維斯馬特礦區(qū)進行了微形變的監(jiān)測，與GPS的數(shù)據(jù)進行了比較，精度達到5 mm。而在國內(nèi)，CR監(jiān)測礦區(qū)地表形變的研究尚處于起步階段。

2.4 綜合PS和CR技術監(jiān)測礦區(qū)形變

CR技術在一定程度上可彌補PS技術中PS點分布的局限性，同時CR點上獲取到的準確高程信息和通過CR技術獲取的形變量參數(shù)均可對整個高相干目標基線網(wǎng)絡起到約束作用。因此，將PS與CR技術綜合應用于形變監(jiān)測將會彌補前述 PS技術中的局限，并且可以發(fā)揮兩種方法的互補優(yōu)勢，提高形變監(jiān)測的精度。

對 PS基線網(wǎng)絡進行空間維解纏時，需要有起算數(shù)據(jù)點才可應用間接平差最小二乘法進行準確求解。因此綜合PS與CR技術進行形變監(jiān)測的基本原理可表示如圖8所示，在網(wǎng)絡布設過程中可將 CR點與 PS點共同布網(wǎng)，將CR點上獲取的形變速率值及其通過GPS接收機獲取的高程值作為PS基線網(wǎng)絡的約束數(shù)據(jù)，進而通過最小二乘的方法求解出所有待求PS點上的未知參數(shù)v和δH。這樣可有效地將CR-InSAR與PS-InSAR兩種技術結合，解決研究區(qū)域內(nèi)無起算數(shù)據(jù)點的問題。

圖8 PS基線網(wǎng)絡模擬分布[51]Fig.8 Simulate distribution of PS network[51]

目前，國內(nèi)外針對PS與CR技術的融合處理，并用于形變監(jiān)測方面所做的研究工作并不多見。2003年，GE等[47]利用永久散射體(PS)和人工角反射器(CR)輔助 InSAR 技術，結合 GPS 資料對澳大利亞悉尼城開展了地面沉降觀測研究，取得了較好的觀測結果。2009年，CHEN等[48]和陳強等[49]應用PS-InSAR技術對香港地區(qū)形變進行監(jiān)測，應用區(qū)域內(nèi)的兩個GPS控制點作為起算數(shù)據(jù)對PS網(wǎng)進行約束平差，并將 GPS用于研究區(qū)域內(nèi)的大氣校正，有效地將 GPS與PS-InSAR技術融合起來。在將PS與CR技術融合應用于礦區(qū)地表形變監(jiān)測方面，2010年，XING和ZHU[50]以及邢學敏等[51]提出了一種聯(lián)合 CR和 PS技術的解算模型，并成功應用于河南白沙水庫周邊的礦區(qū)分布密集區(qū)域的地面沉降監(jiān)測中。該算法將CR點上計算得出的形變速率值及高程改正值作為研究區(qū)域PS基線網(wǎng)絡的約束，進而通過間接觀測平差法估計出PS網(wǎng)沉降速率和高程改正值的全局最優(yōu)解，有效實現(xiàn)了兩種高相干技術的結合。

圖9 河南省白沙水庫附近煤礦沉降速率圖[51]Fig.9 Deformation velocities of collieries around Baisha reservoir in Henan Province[51]

在實驗中，采用2007年2月至2010年2月相隔3年的14景PALSAR影像，獲取了該地區(qū)的線性速率場。圖9所示為其獲取的煤礦分布密集區(qū)的線性速率結果。從圖9中可明顯看出，研究區(qū)域內(nèi)沉降最為明顯的漏斗區(qū)域為東南角的方山鎮(zhèn)二礦所在位置。其年累積沉降量在斜距方向約4 cm，沉降的明顯程度是不容忽視的。圖10所示為其應用兩個時間段內(nèi)的水準驗證數(shù)據(jù)對加入CR點約束前后的PS網(wǎng)速率場進行的外部精度對比分析結果(SZ代表水準點)。結果表明，加入CR點約束后，PS點測量結果相比于傳統(tǒng)方法精度有明顯提高，證明了應用CR點速率作為約束數(shù)據(jù)的合理 性，可修正由于參考點選取不當而出現(xiàn)的不合理抬升點，更加合理地反應研究區(qū)域內(nèi)礦區(qū)的真實沉降情況。

圖10 加入約束前后 PS-InSAR結果與水準實測結果對比[51]Fig.10 Results comparison between PS-InSAR algorithm and leveling before and after being constrained[51]

3 InSAR監(jiān)測礦區(qū)形變的主要問題與發(fā)展趨勢

3.1 InSAR監(jiān)測礦區(qū)形變的主要問題

由前所述，礦區(qū)由于采礦活動常常造成地面沉陷、滑坡、崩塌、塌陷等地質(zhì)災害，傳統(tǒng)的D-InSAR技術受限于失相關和大氣等影響，可能很難發(fā)揮作用，而PS、CR及SBAS等高級InSAR技術很好的彌補了傳統(tǒng)D-InSAR技術的局限性，在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中取得了一些成功的經(jīng)驗和成果。但是還存在如下不足和缺陷。

1) 對SBAS技術而言，其應用是在D-InSAR處理結果的基礎上進行后處理，在選擇干涉數(shù)據(jù)配對組合時要求非常嚴格，且在差分干涉處理過程中要進行相位解纏，這兩個問題是制約其發(fā)展的重要因素，因此仍部分依賴于研究區(qū)域的相干性。

2) 對PS技術而言，其形變監(jiān)測結果的精度取決于SAR影像的數(shù)目。一般而言，至少綜合30副影像才能夠得到有益的結果，這將不利于短時間內(nèi)監(jiān)測礦區(qū)地表形變。

3) 對CR技術而言，人工角反射器的安全性存在一定問題, 難以進行有效的管理和維護。

4) 對形變速率獲取而言，由于目前礦區(qū)的地面形變復雜，傳統(tǒng)的線性形變模型不能很好的反映出礦區(qū)地表真實形變信息，因此在一定程度上降低了高級InSAR技術的精度和可靠性。

5) 對時間序列形變獲取而言，大氣延遲相位的去除是通過時空濾波來完成的，其可靠性一直以來都沒有得到很好的證明，目前仍是制約高級InSAR技術監(jiān)測礦區(qū)形變精度的主要問題。

6) 相對于礦山地質(zhì)災害的影響范圍，目前主要SAR衛(wèi)星影像分辨率較低。一般SAR衛(wèi)星的空間分辨率為幾十米(多視后)，而對于一些范圍只有幾平方公里的礦山區(qū)域，很難獲得礦山區(qū)域地表形變細節(jié)。類似地，現(xiàn)有研究中采用的主要SAR衛(wèi)星影像的重返周期較長(一般都在一個月以上)，礦山區(qū)域的地表形變速度都較大(每個月的沉降可多達數(shù)十厘米)，如果SAR衛(wèi)星的重返周期太長將使地表形變超過 InSAR技術能監(jiān)測的能力，并且相隔時間過長容易造成時間失相干，更重要的是無法實現(xiàn)對礦山地表形變的動態(tài)監(jiān)測和預測。

3.2 InSAR監(jiān)測礦區(qū)形變的發(fā)展趨勢

常規(guī) D-InSAR技術受時空失相關和大氣延遲相位影響等問題的影響，嚴重制約著其在形變監(jiān)測結果中的精度和可靠性；基于多幅影像數(shù)據(jù)進行時序分析的高級InSAR技術(包括SBAS、PS和CR技術)的應用很大程度的彌補了傳統(tǒng)D-InSAR技術的不足，將是今后礦區(qū)地表形變監(jiān)測的主要技術手段。CR技術可彌補PS技術空間上的分辨率，且CR的強反射特性和安裝的靈活性可作為PS技術的約束，進一步提高PS技術形變監(jiān)測的精度，因此，綜合利用PS與CR技術也將在礦區(qū)形變監(jiān)測中發(fā)揮強有利的優(yōu)勢，有著極大的應用前景。而針對目前主要SAR衛(wèi)星影像時空分辨率較低的問題，新一代的SAR衛(wèi)星對硬件上的缺陷和不足都有很大提高和改進。如COSMO-SkyMed衛(wèi)星的空間分辨率達到3 m(strip map)甚至1 m(Spotlight)，即使多視后也可以達到5～10 m；不僅如此，新一代高分辨率 SAR衛(wèi)星在重返周期上也有大幅提升，目前COSMO-SkyMed的重返周期已經(jīng)達到8 d，未來還可以實現(xiàn)1～2 d的重返周期。由于傳統(tǒng)SAR數(shù)據(jù)的時空分辨率限制，近幾年來，國際上陸續(xù)應用高分辨率TerraSAR，COSMO-SkyMed衛(wèi)星數(shù)據(jù)結合高級InSAR技術進行形變監(jiān)測，獲取的形變信息更加真實，精度也有較大改善。TAXIO等[52]通過處理30景TerraSAR影像，檢測出威尼斯沿岸大壩在2008年3月至2009年1月間存在著厘米級的形變。PRATI等[53]通過對意大利多塞納的實驗仔細的對比分析了采用高分辨率影像與傳統(tǒng)C波段衛(wèi)星影像處理的結果，指出高分辨率影像提取出的 PS點密度高，更適用于非城區(qū)的形變監(jiān)測。由此可見，新一代高分辨率SAR衛(wèi)星可以滿足礦山區(qū)域高時空分辨率以及高精度地表形變監(jiān)測的需求。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，高分辨率影像在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中的應用并不多見。因此，將新一代高分辨率 SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)引入礦區(qū)地表形變監(jiān)測中將有著極大的應用前景。

綜上所述，將高級 InSAR技術與高分辨率 SAR影像協(xié)同應用于監(jiān)測礦區(qū)地表形變，可為后續(xù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境一體化管理工作提供數(shù)據(jù)支撐，進而實現(xiàn)由于采礦和破壞性開采造成的地質(zhì)災害的監(jiān)測，對于礦區(qū)地質(zhì)災害預警和生態(tài)環(huán)境評估都具有重要的現(xiàn)實意義。

4 結論

1) 傳統(tǒng) D-InSAR技術在礦區(qū)形變監(jiān)測過程中受時間和空間相關影響較嚴重，而且礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境特殊(如植被覆蓋嚴重，且易產(chǎn)生塌陷和積水等)，從而使得傳統(tǒng)D-InSAR技術的應用受到限制。

2) 基于多幅SAR影像數(shù)據(jù)進行時序分析的高級InSAR技術(包括SBAS，PS，CR以及綜合PS和CR技術)的應用很大程度地彌補了傳統(tǒng) D-InSAR技術的不足，在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中有著很大的應用前景，將是今后礦區(qū)地表形變監(jiān)測的主要技術手段。

3) 以往的中等SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)時空分辨率難以滿足礦區(qū)形變監(jiān)測需求，而新一代的 SAR衛(wèi)星(如TerraSAR，COSMO-SkyMed等)在空間分辨率和重返周期上均有大幅提升。因此，采用高分辨率SAR數(shù)據(jù)對礦區(qū)形變進行精細監(jiān)測，是未來礦區(qū)地表形變監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

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Monitoring of ground surface deformation in mining area with InSAR technique

ZHU Jian-jun, XING Xue-min, HU Jun, LI Zhi-wei
(School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

The application status and research progress of InSAR technique in the monitoring of the ground surface deformation in mining area were introduced. Firstly, the advantages of D-InSAR technique were analyzed by comparing to the traditional surveying methods. Then, the limitations of D-InSAR in the mining deformation detection were described. According to the limitations of the traditional D-InSAR method, the advanced InSAR technique, e.g., small baseline subset (SBAS), permanent scatterer (PS) and corner reflector (CR) techniques were discussed. Using real mining subsidence monitoring as example, the characteristics and application status of those advanced InSAR techniques were studied, and the key problems still existing in the current research were summarized. Finally, it is indicated that the development trend of InSAR monitoring surface deformation in mining area is the combination of advanced InSAR and high-resolution SAR images.

InSAR technique; D-InSAR technique; mining area; surface deformation monitoring; small baseline subset;permanent scatterer; corner reflector

P227

A

1004-0609(2011)10-2564-13

國家自然科學基金資助項目(40974006，40901172)；教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”(NECT-08-0570)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資助(2011JQ001，2009QZZD004)；湖南省國土資源廳礦產(chǎn)資源保護與合理開發(fā)利用科研項目；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項目(09K005，09K006)

2011-05-12；

2011-07-18

朱建軍，教授，博士；電話：0731-88836931；E-mail: zjj@csu.edu.cn

(編輯 李艷紅)

朱建軍教授簡介

朱建軍，1962年出生，湖南雙峰人，博士，教授，博士生導師，中南大學圖書館館長兼地球科學與信息物理工程學院副院長，全國政協(xié)委員、民革湖南省委副主委，國際礦山測量協(xié)會委員，中國測繪學會大地測量專業(yè)委員會委員，中國測繪學會礦山測量專業(yè)委員副主任，國家自然科學基金委學科評審組成員。主要從事測量平差與數(shù)據(jù)處理、GPS、InSAR和極化干涉數(shù)據(jù)處理、變形測量的理論研究與工程實踐。主持完成國家“863”和國家自然科學基金等項目30余項，獲國家技術發(fā)明二等獎、教育部科自然科學一等獎等科技獎勵10余項。2006年獲國務院特殊津貼，2008年獲夏堅白測繪事業(yè)創(chuàng)業(yè)與科技創(chuàng)新獎，2010獲國家精品課1門。在國內(nèi)外學術刊物上發(fā)表論文100余篇，其中被SCI收錄30多篇，出版專著1部。