基于D-InSAR的矿区沉降监测★

洪 卓 众

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;2.福州市勘测院，福建福州 350003)

0 引言

InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)及其差分技术(D-InSAR)是近些年来发展起来的一种主动式微波遥感技术，由于其具有全天候、全天时、覆盖面广、高度自动化和高精度地表形变探测能力等突出技术优点，现已成为空间对地观测技术的研究热点［1，2］。近年来，随着差分干涉测量技术(D-InSAR)的快速发展，其已被广泛应用于地表沉降监测［3，4］。地下矿产开采引起的地表沉降具有空间范围小的特点，对此类沉降的D-InSAR监测严重受到频繁的地面活动和时间失相干的影响。文中在简单介绍D-InSAR形变监测原理的基础上，分析了影响差分干涉结果精度的误差源，并给出了可能的消除办法。最后以陕北神木县大柳塔矿区为例，验证了D-InSAR技术用于矿区沉降监测的能力，结果表明，D-InSAR技术可以有效地提供矿区沉降的最新信息，用于指导矿区生产和整体规划。

1 D-InSAR形变监测方法

InSAR技术利用雷达回波信号所携带的相位信息来获取地表三维地形信息。在SAR卫星获取的复雷达影像中，既包含了地面分辨单元的雷达后向散射强度信息，又包含了与斜距有关的相位信息。由于雷达卫星不同时刻获取同一地区的雷达影像时轨道和姿态都不尽相同，导致地表同一地物的两个回波信号之间产生了相位差，即产生干涉条纹图。

如果在两幅影像获取期间，地表发生了形变位移，则干涉相位φ的组成可表示如下［5］:

式中:φtop——地形相位;

φdef——形变相位;

φflat——参考相位，即平地相位;

φatm——大气延迟相位;

φnoi——噪声相位。

D-InSAR就是通过去除地形、平地、大气及噪声等干涉相位的影响，来分离和提取出地表形变信息φdefv。

2 误差源及消除办法

D-InSAR技术形变探测误差来源归纳起来可如下表示［5，6］:

1)φbaseline_error:卫星轨道状态矢量参数以及基线估计的不确定性所引起的误差。目前尚无算法可精确估计雷达影像空间基线，对于部分卫星的精密轨道数据可从一些网站进行免费下载(例如DELFT精密轨道、doris精密轨道等)，从而减少配准误差并进行平地效应的去除，有时还需要人为地根据数据处理经验选取同名点等对空间基线进行适当的调整。

2)φcoreg_error:雷达单视复数影像的配准误差。影像配准时精度一般要求要优于1/8像素。但是，在实际的影像配准过程中，不同时刻雷达卫星成像条件复杂，配准的精度受到侧视成像造成的雷达阴影与叠掩区域、时间与空间失相干以及斑点噪声等原因的影响，目前很多影像配准算法的配准结果精度均能达到亚像元级。

3)φatmos_error:雷达信号在传播过程中由于大气延迟而引起的相位噪声。单天线重复轨道模式下不同时刻获取SAR影像的大气异质性导致了微波信号传播过程中大气延迟。大气校正可利用多景SAR影像自身干涉特性的统计特性进行大气效应的消除或校正［3，7］，也可借助外部气象数据对大气效应的影响进行估计［8］，但和SAR影像获取时刻严格匹配的外部数据相对较少。

4)φunw_error:复杂地区的相位解缠误差。由于时间与空间基线过长导致雷达信号的低信噪比、地形起伏引起的叠掩、阴影等原因，给相位解缠带来很大困难。通常利用Flynn最小不连续法、最小费用流法等都可得到相对稳定可靠的解缠结果，此外基于永久性散射体或高相干点技术中的Delaunay三角网的解缠算法，也可以很好地解决影像处理过程中的相位解缠问题，尤其在影像噪声严重的情况下该解缠算法相对更为可靠。

5)φdem_error:地形数据误差导致残余地形相位误差。残余地形相位的影响与地形起伏有很大关系，通常情况下，在地形变化较为明显的区域残余地形相位对最终形变结果的影响尤为明显，在影像处理过程中可利用高分辨率、高精度外部DEM数据消弱地形相位误差。其次残余地形相位还与干涉组合的垂直基线有密切关系，通常情况下，垂直基线分量越小残余相位对形变结果的影响越小。

6)φdeco_error:时空失相干等导致的相位噪声。由于在两幅SAR影像获取期间地表植被生长等诸多原因，导致了影像相位的时间失相干。此外，同一地区不同时间影像获取的轨道差异过大，即垂直基线过长，造成影像空间失相干给干涉图造成相位噪声。利用永久性散射体技术或安装人工角反射器等可有效消弱此相位噪声［9］。

7)φnoise:热噪声引起的误差。通常通过一定的相位滤波和多视处理都能有效地消除或消弱噪声的影响。

3 实验与分析

矿山开采导致的地表塌陷和地面沉降是我国最重要的地质灾害类型之一，其以破坏性强、影响范围大而著称。本文研究区域为位于陕西省神木县西北的大柳塔矿区，该矿区由大柳塔和活鸡兔两个井工矿组成，其单产量目前居世界之首，但其开采所导致的地表形变变化剧烈，造成大范围地面沉陷、塌陷、地面裂缝以及地面沉降等，形变区多处民房坍塌或开裂、道路断裂、田园破碎等，部分地区甚至引发滑坡、矿震等地质灾害，给当地居民的生活带来了极大危害。本文研究采用欧空局的3景Envisat数据，干涉组合信息如表1所示。

表1 实验数据及组合(Track:2390 Frame:2817)

通过对两干涉方案的差分处理，得到了大柳塔矿和活鸡兔矿在这两时期内的形变信息，分别如图1，图2所示。由于研究区处于干旱半干旱的沙漠地带，且据气象资料显示该区全年天气以晴好为主、大气能见度高，因此结果中大气延迟影响可以不予考虑。

图1 大柳塔矿差分结果

根据图1，图 2 的处理结果得到在 2004.06.14 ～2004.07.19相隔35 d的时间内，大柳塔矿井可监测到的最大沉降量可达近6 cm，其沉降影响范围约为0.58 km2。活鸡兔煤矿可监测到的最大沉降量也达到近6 cm，其沉降影响范围约为0.2 km2。而在后继的2004.07.19 ～2004.12.06 相隔 140 d 的时间内，大柳塔矿井可监测到的最大沉降量达到7 cm多，遭受沉降的影响范围扩大为0.96 km2。新出现的三个沉降条带与煤矿在这140 d的时间内开挖巷道走向有关。活鸡兔煤矿在这期间可监测到的最大沉降量达到近10 cm，遭受沉降的影响范围扩大为12.8 km2。图2d)～图2f)中黑色方框为图2a)～图2c)的处理范围，从图2中可以明显地看到，该矿的沉降速率很快，沉降区向西南方向进一步扩大，新出现的七个沉降条带同样与该煤矿在这140 d的时间内开挖巷道走向有关。本文探测到的开挖巷道与相关部门提供的开挖信息吻合较好。图1，图2的形变图中，空白区表示该区域由于形变量过大以致相位无法解缠造成的。

图2 活鸡兔矿差分结果

4 结语

利用D-InSAR技术对矿区开采地表形变进行动态监测是一种经济、高效、高精度的监测手段。本文的研究表明了利用InSAR技术对煤矿沉陷、地面沉降监测的可行性，证明了利用该技术进行矿区开采动态监测具有良好的应用前景。

［1］廖明生，林 珲.雷达干涉测量——原理与信号处理基础［M］.北京:测绘出版社，2003.

［2］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.

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［5］Hanssen R.H.Radar Interferometry-Data Interpretation and Error Analysis.Kluwer Academic Publishers Netherlands，2001.

［6］杨成生.基于DInSAR技术的矿区沉陷研究［D］.西安:长安大学硕士学位论文，2008.

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［8］Zhiwei LI.Modeling Atnospheric Effects on Repeat-pass InSAR Measurements.The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong，2004.

［9］Xia Y，Kaufmann H，Guo XF.Differential SAR Inteferometry U-sing Corner Reflectors［J］.IGARSS，2002(2):1243-1246.