利用InSAR技术监测矿区地表形变

利用InSAR技术监测矿区地表形变

田秦娜卢彬李积玲

青海省第一测绘院青海西宁810000

摘要：近年来，由于地表形变引发的地质灾害频繁发生，严重威胁人们的生命财产安全，所以加强地表形变监测具有十分重要的意义。随着科技的不断进步，传统的监测技术难以满足现代社会的发展要求，InSAR技术作为一种新型的空间对地观测技术，具有精确度高、实时动态监测等优点，在地表形变监测中得到了广泛应用。文章首先对InSAR技术进行了详细介绍，接着重点就D-InSAR技术在矿区地表形变监测中应用问题及对策进行研究，以供参考和借鉴。

关键词：InSAR技术；变形监测；矿区地表；应用

引言

矿产资源的过度开采容易破坏矿区地下地质结构，进而引发地表塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面沉降和地面积水等事故。如果开采不慎，极易触及地下含水层，严重者甚至导致矿区透水事故，造成严重的安全隐患甚至人员伤亡。通过对矿区长期、动态的沉降监测，对矿区沉降规律进行分析，可及时掌握矿区地质环境的破坏程度，针对实际情况制定相应应急处理方案，同时矿区沉降监测获取到的地表形变数据信息可为矿区的规划、治理和发展提供数据支撑，有利于促进矿山地质灾害环境的一体化管理。因此，矿区沉降监测是矿区开采和可持续发展的重要组成部分，矿区沉降监测对预防潜在地质灾害具有重要意义。

1InSAR技术概述

1.1InSAR技术的工作原理

InSAR技术即为合成孔径雷达干涉测量技术，其基本理论根据与干涉测量法有关。干涉测量法主要是通过两个光源同时向同一目标发射相干光，然后以两束相干光的相位差为依据，分析和计算出目标的位置距离。InSAR技术则是利用两组天线装置进行同步观测，或者进行两次平行观测，从而得到地面上同一景观的图像，因为目标位置与两组天线装置的位置存在一定的几何关系，在图像中产生相位差，形成干涉条纹图，将斜距向上的点和两组天线的位置差等具体信息数据记录下来。因此，InSAR技术可以通过雷达波长、传感器高度、波束视向及天线基线距之间的几何关系，精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。

1.2InSAR技术的相关工作流程

1.2.1图像配准处理

在InSAR技术中，图像对的精确配准是十分关键的环节。图像配准处理主要针对不同传感器在不同时间或不同视角对同一景物所形成的两幅图像或多幅图像进行匹配和叠加的过程。对于星载InSAR生成的两幅图像，由于并非同步得到，图像之间的像素点不能够逐一对应，这就需要进行图元配准，采用曲线插值或拟合等方法，将两幅图像中的相同位置的像素与地面同一回波点进行对应，从而形成干涉条件。图像配准一般来说包括粗配准和精配准，粗配准存在大约一个像素的误差，精配准可以达到亚像元精度。

1.2.2干涉图的生成

不同传感器在不同时间或不同角度对同一地面景物测得复雷达图像对，由于两组天线装置与地面同一目标之间的距离不相同，使得复雷达图像对中的同名像点之间出现相位差，进而形成干涉纹图。一般而言，图像的配准误差要低于八分之一个像元，才能减少对干涉条纹的影响。相位差的测量数值，地面目标的三维空间位置与该相位差存在一定的几何关系，根据飞行轨道的参数进行分析，就可以确定地面目标的三维坐标位置，进而生成干涉图。

1.2.3干涉图的滤波

利用InSAR技术进行成像处理，干涉相位图经常受到各种噪声的影响，造成干涉条纹不明显。其中噪声的来源十分广泛，包括图像不匹配噪声、相干斑点噪声、信号处理噪声、基线相关损失、接收机热噪声、观测区域地形等多种影响因素，如果噪声源过大，甚至会覆盖过原本的干涉条纹，这就需要对干涉相位图进行滤波处理，减少噪声因素引起的残余点数量，提高干涉条纹的质量，有利于对干涉相位图的二维相位进行处理。

1.2.4去平地效应

InSAR形成的干涉图不仅要进行噪声去除处理，还要去除干涉图产生的平地效应。平地效应指的是干涉图中高度相同的平地上的干涉条纹表现出随着方位向和距离向的变化而产生变化的现象，同时平地效应的变化存在一定的周期特性。在InSAR干涉图中，如果地形起伏所引起的条纹和平地效应引起的条纹出现夹杂的问题，则不能够准确地反映地表形变信息，这种情况下就要利用干涉条纹乘以复相位函数的方法来进行去除处理。

2D-InSAR在矿区地表变形监测中应用问题及解决对策

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，详细如下：

2.1.1D-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。

2.1.2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。

2.1.3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解决对策分析

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，详细包括以下几点：

2.2.1永久散射体PS（PermanentScatterers）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：一是通常都需要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；二是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10km×10km以内。

2.2.2D-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。

结束语

综上所述，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，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]邓宇声.基于InSAR技术的矿区地表沉降监测及预测[D].东华理工大学，2017.

[2]黄继磊.面向矿区大梯度形变监测的SAR影像Pixel-tracking关键问题研究[D].中国矿业大学，2017.

[3]汪磊.基于SAR技术的矿区大梯度形变时序监测[D].中国矿业大学，2017.