D-InSAR技术在煤矿区沉陷监测中的应用

摘要：D-InSAR是近年来发展比较迅速的微波遥感技术，它具有全天候、全天时、覆盖面广、高度自动化和高精度监测地表变形的能力，已成为具有很大潜力的空间对地观测新技术。详细推导了合成孔径雷达差分干涉测量( D-InSAR) 技术的基本原理，分析了D-InSAR技术在矿区沉陷监测中的问题，并结合新技术对存在的问题提出了解决方案，从而使D-InSAR技术可以对煤矿区地面沉陷得到更有效的监测。

关键词：合成孔径雷达;差分干涉测量;开采沉陷;监测

0 引言

我国作为一个煤炭资源开采大国，煤炭资源开采造成大面积的地表形变，不仅对地表的建筑物、道路、农田造成不同程度的破坏，而且影响了矿区和周边地区的生态环境。及时、准确地监测矿区地面沉陷及其发展过程是煤矿区面临的重要任务。近年来，迅速发展起来的合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR，Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术可以高精度监测地表的微小地形变化[2]，是水准测量和 GPS 测量的有效补充，将其应用到矿山开采沉陷监测当中，可以对地下煤炭开采引起的地表变形进行自动化、全天候、连续空间覆盖的监测。由此可见，应用 D-InSAR 技术进行矿区地表形变监测将是今后矿区地表形变监测发展的趋势。

D-InSAR技术是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的一项技术。图1是差分干涉测量的成像几何示意图。假设A1和A2是第一次干涉处理时的卫星成像天线，P点地表未发生形变，则其获得的是不包含地形形变的干涉相位，称其为干涉纹图1; A1和A2′是第2 次干涉处理时的卫星成像天线,且在A2′成像前,地表P点出现了微量形变，其获得的是包含了地形形变相位和其他相位的干涉相位，称其为干涉纹图2;可利用干涉纹图1和干涉纹图2干涉相位之差来获取反映地表沿雷达视线向移动的形变相位。

在地表未发生形变前，点P对应的干涉相位为：

(1)

为地表未发生形变的干涉相位。在地表发生形变后，点P沿雷达视线向移动后获取的干涉相位为：

(2)

为地表发生形变后的干涉相位。

由视线向形变量引起的相位为：

(3)

式中，为形变量引起的干涉相位。

(3)式右边的各量可由干涉纹图的相位和轨道参数计算得到，进而可确定图像每点的视线向形变量。求出斜距向形变量后,便可通过分解得到水平形变量和垂直形变量。

2.D-InSAR在矿区沉陷监测中存在的问题及其解决方案

2.1 存在的问题

D-InSAR 技术应用在矿区地面沉陷监测中具有良好的前景和巨大的潜力，但由于航天 SAR 传感器的发展及 D-InSAR 技术和矿区地面沉陷灾害本身的特点，使得它存在着一定的局限性。

(1)D-InSAR技术失相关

天气情况、地面植被的覆盖、农田季节性变化等都会造成时间失相关及大气相位延迟会严重影响差分干涉测量的精度。由于基线长度、轨道轻微不平行、地面沉陷过快、以及在连续获取数据期间发生的地面沉陷过多等都会导致相位的失相关问题。

(2)相位解缠误差

相位解缠误差主要发生在相位梯度过大的边坡陡坎区，这些区域相位的不连续性很强。从不同起始点经过不同积分路径进行相位累计得到的结果可能不同，这就直接降低了解缠的计算精度，甚至存在错误。

(3)煤矿区开采沉陷的特殊情况

在煤矿区，有可能几天之内(小于雷达的重返周期)出现巨大的塌陷，造成矿区地表情况完全变化，在雷达影像上会引起极大的失相干，以及在我国许多塌陷地、塌陷坑有大面积的积水存在，造成这些区域雷达信号没有回波。

2.2 解决方案的探讨

随着 D-InSAR 技术与数字处理方法的不断发展，以及其它先进的地球探测技术与 D-InSAR 技术的结合，将使 D-InSAR 技术本身在矿区地面沉陷监测中的不足将得到解决。

(1)永久散射体 PS(Permanent Scatterers)技术

PS 技术是从一组时间序列的 SAR 图像中选取那些保持高相干性的点作为 PS点(如人工建筑、岩石等)，他们的雷达反射强度及相位信号在长时间内基本保持稳定，基本不会随时间而变化，保持了数据的相干性，进而获取煤矿区精确的地表形变和DEM 信息。这就是Ferretti与Prati等[5].提出的“永久散射体技术"(Permanent Scatterers Technique)，简称PS技术，这些相位稳定的点简称PS点。PS技术避免了时间去相关因素的影响。，但PS技术要在满足以下条件时才能应用：(1)通常都需要20～30景以上的雷达数据集，只有这样才能有足够的数据来模拟大气的影响;(2)地表形变类型接近线性形变，在实际工作中，要求监测的区域面积在10 km×10 km以内[6]。

(2)D-InSAR技术与GPS技术的结合

GPS的定位精度能够达到 10-8甚至更高的精度，可进行高精度的定位和变形监测，而且可以在很短的时间间隔(数十秒钟至几个小时)重复采集数据，这些数据可以作为 D-InSAR 数据处理过程中的约束条件。与D-InSAR 结合 GPS 的另一个应用就是它可以推算出对流层延迟和电离层延迟，这是校正 D-InSAR数据产品的误差、去除大气条件产生的相位失相关的重要依据。

3.结论

随着社会经济的快速发展,我国对煤炭资源的开采需求将进一步扩大,开采深度和范围也将进一步拓展,开采区域将伸向城镇、村庄、交通线路及重要水系之下，势必会产生更多、更大、更复杂的地面沉陷问题。为了城市和矿区的可持续性发展，必须采用新技术和新方法来监测、分析和重新认识地面沉陷。D-InSAR差分干涉测量技术具有其自身的优势和高精度，将是未来矿区沉陷监测新技术的发展方向。尽管目前由于 D-InSAR 技术及矿区沉陷自身的特点，在矿区沉陷监测的应用上尚存在技术难题以至未能得到广泛应用，但其在矿区地面沉降高精度监测上的不可比拟的技术优势已经得到普遍认可并成为了国内外的研究热点。随着全球卫星雷达系统的进一步发展，可以预见，D-InSAR技术将在沉陷监测领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 王超，张红，刘智.星载合成孔径雷达干涉测量[M]· 北京：科学出版社，2002.

[2] ZEBKER H A，GOLDSTEIN R M. Topographic mapping from interferomethic Synthetic Aperture Radar observations[J].Geophysical Research,1986,91:4993-4999

[3] 吴立新，高均海,等.工矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究.东北大学学报.2005.8

[4] 王桂杰，谢谟文，等.D-InSAR技术在大范围滑坡监测中的应用.岩土力学.2010.4

[5] 吴立新，高均海,等.基于D-InSAR的煤矿区开采沉陷遥感监测技术分析. 地理与地理信息科学.2004.3