基于D-InSAR的礦區沉降監測★

洪 卓 眾

(1.長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054;2.福州市勘測院，福建福州 350003)

0 引言

InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)及其差分技術(D-InSAR)是近些年來發展起來的一種主動式微波遙感技術，由于其具有全天候、全天時、覆蓋面廣、高度自動化和高精度地表形變探測能力等突出技術優點，現已成為空間對地觀測技術的研究熱點［1，2］。近年來，隨著差分干涉測量技術(D-InSAR)的快速發展，其已被廣泛應用于地表沉降監測［3，4］。地下礦產開采引起的地表沉降具有空間范圍小的特點，對此類沉降的D-InSAR監測嚴重受到頻繁的地面活動和時間失相干的影響。文中在簡單介紹D-InSAR形變監測原理的基礎上，分析了影響差分干涉結果精度的誤差源，并給出了可能的消除辦法。最后以陜北神木縣大柳塔礦區為例，驗證了D-InSAR技術用于礦區沉降監測的能力，結果表明，D-InSAR技術可以有效地提供礦區沉降的最新信息，用于指導礦區生產和整體規劃。

1 D-InSAR形變監測方法

InSAR技術利用雷達回波信號所攜帶的相位信息來獲取地表三維地形信息。在SAR衛星獲取的復雷達影像中，既包含了地面分辨單元的雷達后向散射強度信息，又包含了與斜距有關的相位信息。由于雷達衛星不同時刻獲取同一地區的雷達影像時軌道和姿態都不盡相同，導致地表同一地物的兩個回波信號之間產生了相位差，即產生干涉條紋圖。

如果在兩幅影像獲取期間，地表發生了形變位移，則干涉相位φ的組成可表示如下［5］:

式中:φtop——地形相位;

φdef——形變相位;

φflat——參考相位，即平地相位;

φatm——大氣延遲相位;

φnoi——噪聲相位。

D-InSAR就是通過去除地形、平地、大氣及噪聲等干涉相位的影響，來分離和提取出地表形變信息φdefv。

2 誤差源及消除辦法

D-InSAR技術形變探測誤差來源歸納起來可如下表示［5，6］:

1)φbaseline_error:衛星軌道狀態矢量參數以及基線估計的不確定性所引起的誤差。目前尚無算法可精確估計雷達影像空間基線，對于部分衛星的精密軌道數據可從一些網站進行免費下載(例如DELFT精密軌道、doris精密軌道等)，從而減少配準誤差并進行平地效應的去除，有時還需要人為地根據數據處理經驗選取同名點等對空間基線進行適當的調整。

2)φcoreg_error:雷達單視復數影像的配準誤差。影像配準時精度一般要求要優于1/8像素。但是，在實際的影像配準過程中，不同時刻雷達衛星成像條件復雜，配準的精度受到側視成像造成的雷達陰影與疊掩區域、時間與空間失相干以及斑點噪聲等原因的影響，目前很多影像配準算法的配準結果精度均能達到亞像元級。

3)φatmos_error:雷達信號在傳播過程中由于大氣延遲而引起的相位噪聲。單天線重復軌道模式下不同時刻獲取SAR影像的大氣異質性導致了微波信號傳播過程中大氣延遲。大氣校正可利用多景SAR影像自身干涉特性的統計特性進行大氣效應的消除或校正［3，7］，也可借助外部氣象數據對大氣效應的影響進行估計［8］，但和SAR影像獲取時刻嚴格匹配的外部數據相對較少。

4)φunw_error:復雜地區的相位解纏誤差。由于時間與空間基線過長導致雷達信號的低信噪比、地形起伏引起的疊掩、陰影等原因，給相位解纏帶來很大困難。通常利用Flynn最小不連續法、最小費用流法等都可得到相對穩定可靠的解纏結果，此外基于永久性散射體或高相干點技術中的Delaunay三角網的解纏算法，也可以很好地解決影像處理過程中的相位解纏問題，尤其在影像噪聲嚴重的情況下該解纏算法相對更為可靠。

5)φdem_error:地形數據誤差導致殘余地形相位誤差。殘余地形相位的影響與地形起伏有很大關系，通常情況下，在地形變化較為明顯的區域殘余地形相位對最終形變結果的影響尤為明顯，在影像處理過程中可利用高分辨率、高精度外部DEM數據消弱地形相位誤差。其次殘余地形相位還與干涉組合的垂直基線有密切關系，通常情況下，垂直基線分量越小殘余相位對形變結果的影響越小。

6)φdeco_error:時空失相干等導致的相位噪聲。由于在兩幅SAR影像獲取期間地表植被生長等諸多原因，導致了影像相位的時間失相干。此外，同一地區不同時間影像獲取的軌道差異過大，即垂直基線過長，造成影像空間失相干給干涉圖造成相位噪聲。利用永久性散射體技術或安裝人工角反射器等可有效消弱此相位噪聲［9］。

7)φnoise:熱噪聲引起的誤差。通常通過一定的相位濾波和多視處理都能有效地消除或消弱噪聲的影響。

3 實驗與分析

礦山開采導致的地表塌陷和地面沉降是我國最重要的地質災害類型之一，其以破壞性強、影響范圍大而著稱。本文研究區域為位于陜西省神木縣西北的大柳塔礦區，該礦區由大柳塔和活雞兔兩個井工礦組成，其單產量目前居世界之首，但其開采所導致的地表形變變化劇烈，造成大范圍地面沉陷、塌陷、地面裂縫以及地面沉降等，形變區多處民房坍塌或開裂、道路斷裂、田園破碎等，部分地區甚至引發滑坡、礦震等地質災害，給當地居民的生活帶來了極大危害。本文研究采用歐空局的3景Envisat數據，干涉組合信息如表1所示。

表1 實驗數據及組合(Track:2390 Frame:2817)

通過對兩干涉方案的差分處理，得到了大柳塔礦和活雞兔礦在這兩時期內的形變信息，分別如圖1，圖2所示。由于研究區處于干旱半干旱的沙漠地帶，且據氣象資料顯示該區全年天氣以晴好為主、大氣能見度高，因此結果中大氣延遲影響可以不予考慮。

圖1 大柳塔礦差分結果

根據圖1，圖 2 的處理結果得到在 2004.06.14 ～2004.07.19相隔35 d的時間內，大柳塔礦井可監測到的最大沉降量可達近6 cm，其沉降影響范圍約為0.58 km2。活雞兔煤礦可監測到的最大沉降量也達到近6 cm，其沉降影響范圍約為0.2 km2。而在后繼的2004.07.19 ～2004.12.06 相隔 140 d 的時間內，大柳塔礦井可監測到的最大沉降量達到7 cm多，遭受沉降的影響范圍擴大為0.96 km2。新出現的三個沉降條帶與煤礦在這140 d的時間內開挖巷道走向有關。活雞兔煤礦在這期間可監測到的最大沉降量達到近10 cm，遭受沉降的影響范圍擴大為12.8 km2。圖2d)～圖2f)中黑色方框為圖2a)～圖2c)的處理范圍，從圖2中可以明顯地看到，該礦的沉降速率很快，沉降區向西南方向進一步擴大，新出現的七個沉降條帶同樣與該煤礦在這140 d的時間內開挖巷道走向有關。本文探測到的開挖巷道與相關部門提供的開挖信息吻合較好。圖1，圖2的形變圖中，空白區表示該區域由于形變量過大以致相位無法解纏造成的。

圖2 活雞兔礦差分結果

4 結語

利用D-InSAR技術對礦區開采地表形變進行動態監測是一種經濟、高效、高精度的監測手段。本文的研究表明了利用InSAR技術對煤礦沉陷、地面沉降監測的可行性，證明了利用該技術進行礦區開采動態監測具有良好的應用前景。

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［2］王 超，張 紅，劉 智.星載合成孔徑雷達干涉測量［M］.北京:科學出版社，2002.

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