PS-InSAR技术在北京采空塌陷区地表形变测量中的应用探析

陈国浒，刘云华，单新建

(1.北京市地质研究所，北京 100120;2.中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

PS-InSAR技术在北京采空塌陷区地表形变测量中的应用探析

陈国浒1，刘云华2，单新建2

(1.北京市地质研究所，北京 100120;2.中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

本文从采空塌陷区地表形变监测手段入手，分析传统形变监测手段(如水准、GPS、常规 D-InSAR等)的不足，详细介绍了PS-InSAR技术原理、优缺点及应用现状。最后通过总结北京地区采空塌陷变形特征，并针对PS-InSAR技术的特点和局限性进行可行性分析，最终提出门城镇地区适宜采用PS-InSAR技术进行地表形变监测。

采空塌陷;形变监测;PS-InSAR技术

0 引言

北京地区的采空塌陷主要发生在北京西部的房山、门头沟区，主要是煤矿开采形成的［1］。北京地区的采空塌陷灾害具有采空区面积大、灾害隐蔽性强、监测资料少、预测预报难度大等特征，对该地区的社会稳定、国民经济、城镇规划和居民生活都产生重大影响。鉴于北京地区采空塌陷地表形变监测资料的不足和塌陷灾害预警预报工作的紧迫性，《北京市“十一五”时期地质勘查发展规划》明确提出要对采空塌陷进行全面、实时监测。选取合理有效的监测方法对监测预警的实际效果具有至关重要的作用。

采空区地面塌陷地表形变监测方法以传统的水准测量和GPS测量为主。尽管这两种监测方法的成熟度和高精度毋庸置疑，但由于水准和 GPS观测的成本较高，台站分布和观测周期受到人力、财力和气候环境等因素的限制，对于采空区大面积长期形变监测略显不足。另外，由于 GPS观测的垂向精度相对较低，也限制了其在采空塌陷监测中的应用。

近年来，迅速发展起来的差分合成孔径雷达干涉测量技术(D-InSAR)为采空塌陷区的实时动态监测提供了新的手段。D-InSAR技术是利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是通过形变事件前的两幅SAR图像获取的干涉图像，另一幅是通过形变事件前后两幅SAR图像获取的干涉图像，然后通过两幅干涉图像的差分处理(除去地球曲面、地形起伏影响)来获取地表微量形变的测量技术［2］。与常规测量方法相比，差分干涉测量技术运用于采空塌陷区形变监测具有监测区域大、快速获取精确数据等优势，是水准测量和GPS测量的有益补充。该技术已经成功应用于地震、火山活动、山体滑坡、矿区地面沉陷、城市地面沉降等方面的研究，并取得了一系列重要成果。

但D-InSAR技术在实际应用中，受地形、植被、大气效应和基线变化等因素影响，限制了其应用范围。为解决上述问题，Ferretti等［3-4］于 2000 年首次提出“永久散射体干涉技术”(Permanent Scatterers InSAR，PS-InSAR)。该技术在传统 D-InSAR技术基础上，利用那些在相当长时间内仍能保持稳定发射特性的散射体(即永久散射体，PS)来减少数据的时间和空间的去相干、纠正大气影响等问题，从而获取目标(PS)点上微量形变乃至形变时间序列。该技术在一定程度上克服了D-InSAR技术去相干的瓶颈问题，大大拓展了D-InSAR技术的应用领域。

本文通过分析PS-InSAR技术的特点及其应用现状，并针对北京地区采空塌陷的具体情况，试图寻找北京地区可能存在的适合应用该技术进行地表形变监测的采空塌陷区，为在北京采空塌陷区开展有效的地面形变监测提供新思路。

1 PS-InSAR技术特点及应用现状

1.1 PS-InSAR技术原理及其优缺点分析

PS-InSAR技术在本质上仍然是一种雷达差分干涉处理技术.它是基于传统InSAR技术，对在时间序列上表现出稳定后向散射强度或相位特征的目标点进行识别，继而进行差分计算，以研究较长时间序列上目标点位移规律的一门技术。其处理方法是:首先在一组SAR图像中选择一幅作为参考图像，并与其他图像生成干涉图，然后从这些干涉图中寻找相位稳定的点作为PS点，继而对每幅干涉图建立大气模型，通过联立方程的方式消除大气的影响，最终求解出各个 PS点的微量形变［5］。

PS-InSAR技术的原理和实现方法使其相对DInSAR技术具有如下优势:1)PS-InSAR技术可以看作是面向点的处理，让环境保证有限个点的高相干性要比保证整个面的高相干性容易得多，这使得在很多D-InSAR无法处理的情况下，用PS-InSAR技术仍然能得出测量结果;2)使用PS-InSAR技术不需考虑几何基线与时间基线的大小，能把研究区的所有SAR图像都利用上;3)PS-InSAR技术在处理中能够把大气相位从残余相位中分离出来，然后加以清除，很大程度上解决了大气效应的问题;4)PS-InSAR技术可以接受精度不高的DEM作为参考DEM，因为它可以在后续的处理过程中主动计算出PS点的精确高程。

与此同时，在结果精度得到有效保证的同时，PSInSAR技术也不可避免地存在一定的局限性，主要表现为:1)PS-InSAR技术要求大量原始数据，要得到相对可靠的高精度结果，一般需要20～30景以上的SAR数据;2)PS-InSAR技术对监测区域PS点的数量要求较高，不适用于PS点很少或者没有PS点的区域(如植被茂密区)。

其中，PS-InSAR技术对SAR数据量的要求只能通过长时间的积累。对研究区PS点数量这一问题，国内外很多学者开始尝试利用人工角反射器(Corner Reflector InSAR，CR-InSAR)技术进行弥补，并取得了一定进展［6-10］。

1.2 PS-InSAR应用的成功案例

PS-InSAR 技术是由 Ferretti等［3，4］首次提出的，之后越来越多的研究者致力于该技术的研究和应用。经过十年的发展，该技术目前已经被广泛应用于城市地面沉降、采空区地面沉陷、滑坡等灾害的形变监测，并逐渐开始应用于火山、活动断裂、公路路基形变监测等方面。

由于城市地面密集的建筑物能够提供充足的PS点，因此该技术在城市地面沉降方面取得了一系列重要成果。Ferretti等［4］最早利用 PS-InSAR技术研究了美国加州Pomona市区及附近地区的地表形变。研究中共使用了41幅ERS SAR图像，最大时间基线超过6年(1992.6～1999.1)，几何基线分布在-1100～+1100m之间。研究发现研究区不同子区域分别存在沉降与隆起两种现象，6年中最大沉降量达20 cm，最大的隆起量为6 cm。随后，NPA团队与其合作者［11］、Kampes等［12］分别利用 PS-InSAR 技术对美国洛杉矶和德国柏林的地面沉降进行了监测，取得了较好的结果。国内学者白俊［13］、汤益先等［14］、范景辉［15］和罗小军等［16］分别在北京、苏州、天津、上海等城市进行了地面沉降监测。

在采空区地面形变监测方面，Kircher等［17］在德国Erft矿区开展了相关研究，所使用的数据时间跨度为4年，研究结果显示该地区每年的地面沉陷大约为10 cm 左右。随后，Colesanti等［18］，Raucoules［19］分别利用该技术获取了法国洛林铁矿采空区的形变结果。HC Jung等［20］则将该技术成功应用于韩国 Gaeun地区的煤矿采空区的形变监测，研究结果显示，在1992-1998年期间，该地区平均每年的沉陷量在0.5 cm左右。

在滑坡监测方面，Ferretti等［3］首次将该技术应用于意大利Ancona地区。研究中使用的34景ERS SAR图像的时间跨度超过5年，最大几何基线在1600m以上。监测发现研究区滑坡不稳定体上某些PS点的线性运动速度超过3mm/a。另外对PS点的高程精细计算结果显示，PS点校正后的高程估算精度达到0.5m，远高于一般 DEM数据16m的精度。其计算结果与地面实测结果具有很好的一致性。另外，Hilley 等［21］、Burgmann 等［22］、Farina 等［23］和Colesanti等［24］分别对美国加州伯克利地区、意大利中部亚诺河地区和列支敦士登地区的滑坡形变进行了监测研究。Xia等［8］和杨映红［25］则利用该技术在三峡地区开展了滑坡监测的试验研究，并取得一定进展。

另外，Hooper等［26，27］分别在美国加州长谷火山和加拉帕戈斯群岛火山的形变监测方面取得成功。Funning［28，29］利用该技术分别对加州地区的 Harward断层和加州Bay北部地区的断层活动性进行了应用研究。姜文亮［10］则以西藏当雄地区断裂活动性为例，开展了PS-InSAR技术的应用研究。中南大学的学者依托国家863专题项目《基于角反射器、GPS和InSAR技术的高速公路路基路面变形监测研究(2007～2009)》尝试将该技术应用于高速公路路基变形监测研究。

综上所述，PS-InSAR技术凭借其独特的技术优势，已经在地表形变监测方面得到了广泛应用，其应用范围必将随着该技术的不断进步而得到扩展。

2 PS-InSAR技术在北京采空区应用探析

2.1 北京地区采空塌陷特点分析

北京地区采空塌陷根据地表形变特点又可分为变形破裂型和移动盆地型两大类。前者多以塌陷坑、地裂缝、山体滑塌和不均匀沉降为主要表现形式，灾害突发性强、发生发展周期短，能够造成地表的直接破坏。后者则使地表产生区域性沉陷，发展缓慢、周期较长，通常对地表产生缓慢破坏［1］。由于 PSInSAR技术是利用地面具有稳定相位的PS点的相干性获取地表形变信息，要求地面PS点具有一定稳定性，因此该技术更适用于变形缓慢的移动盆地型采空塌陷的形变监测。北京地区地表移动盆地型塌陷主要发育在门城镇地区，而其他地区主要以塌陷坑为主［1］，因此门城镇地区更适于采用 PS-InSAR技术开展地表形变监测。

2.2 SAR数据源和PS目标点数量分析

北京西部地区可供利用的历史存档ERS数据有19景(包括13景 ERS-1和6景 ERS-2数据)，时间跨度从1992年5月到1998年8月。由于2001年以后ERS-2调整了工作模式，因此该数据不能继续被利用。但由于 ERS和 ENVISAT数据的交叉干涉技 术 已 经 取 得 了 成 功 应 用［13，30］，因 此 可 利 用ENVISAT数据来弥补。截止2008年该地区已经获取的ENVISAT存档数据共25景。上述数据源为开展北京地区采空塌陷的历史形变研究提供了保障。另外，在轨的雷达卫星，包括欧空局的 ENVISAT、日本的 ALSO、德国 TerraSAR-X和加拿大 Radarsat-2等，基本能够满足北京地区今后较长时期采空塌陷形变监测的需要。

门城镇采空塌陷区位于门头沟区的中心区域，地势较为平坦。同时区域内建筑物较为密集，为开展PS-InSAR技术应用提供了大量可靠的 PS点目标。但北京地区其他采空塌陷大多位于西部山区，植被较为茂密，建筑物较少，给PS-InSAR技术的应用造成一定困难。对于这种情况，可以考虑架设一定数量人工角反射器(Corner Reflector，CR)作为天然 PS点的补充。需要注意的是，虽然CR-InSAR技术已经在很多领域得到应用［6-10］，但该技术要求在 CR点架设后进行一段时间的数据积累才能获取较为可靠的结果，因此在PS点稀少的地区开展PS-InSAR地表形变监测还需假以时日。

综上所述，通过分析PS-InSAR技术的自身特点和要求以及北京地区不同采空塌陷区的具体情况，发现门城镇地区采空塌陷适于利用PS-InSAR技术开展形变监测，其他采空塌陷区则需要架设一定数量的CR点并经过一定时间的数据积累后综合运用PSInSAR和CR-InSAR技术开展形变监测。

3 结论

PS-InSAR技术是当前InSAR领域的前沿技术，克服了许多传统D-InSAR技术在空间失相干和时间失相干方面无法解决的问题，使得城市及岩石出露较好地区地面形变监测的精度大大提高，在一定条件下其精度可达到毫米级。但PS-InSAR技术要求大量雷达影像和PS点，使其应用范围受到一定限制。本文通过分析北京地区不同采空塌陷区的特征，论证了在门城镇地区采用PS-InSAR技术开展形变监测的可行性，同时为即将实施的《北京市突发地质灾害监测预警系统工程》项目提供了可靠的技术支持。

利用PS-InSAR技术在北京地区开展采空塌陷的形变监测，必将弥补现有监测数据和预测方法的不足，通过分析形变监测结果还将获取采空塌陷区的历史变形信息和动态演化过程，进而分析北京地区采空塌陷的发生规律和发展趋势，最终为采空塌陷的监测预警预报提供数据支持。

致谢:感谢中国地震局地质研究所王阎昭、中国地震局地壳应力研究所姜文亮在论文写作过程中给予的指导和帮助。

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Application of PS-InSAR technique in the deformation monitoring in mining collapse areas in Beijing

CHEN Guo-hu1，LIU Yun-hua2，SHAN Xin-jian2
(1.Geological Institute of Beijing，Beijing 100120，China;2.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

In this paper，deficiencies of traditional deformation monitoring techniques such as leveling and GPS as well as conventional D-InSAR technique are analyzed for their application to deformation detection of mining collapse areas.Detailed introductions are also made to the principle，advantages and disadvantages of PS-InSAR technique and its current applications.Through an analysis of deformation characteristics of mining collapse areas in Beijing and the advantages and disadvantages of PS-InSAR technique，it is concluded that the PS-InSAR technique is applicable in deformation monitoring in the Mencheng Town area.

mining collapse;deformation monitoring;PS-InSAR technique

1003-8035(2010)02-0059-05

P642.26

A

2009-08-11;

2010-03-10

国家科技支撑计划(2008BAC38B03，2008BAC35B04);国家自然科学基金(40940020，40874006);地震行业专项(200708013)

陈国浒(1981—)，男，浙江绍兴人，硕士，主要从事地质灾害调查与监测预警工作。

E-mail:8110300@163.com