利用InSAR技术监测矿区地表形变

第21卷第10期中国有色金属学报2011年10月Vol.21No.10TheChineseJournalofNonferrousMetalsOct.2011文章编号：1004-0609(2011)10-2564-13利用InSAR技术监测矿区地表形变朱建军，邢学敏，胡俊，李志伟(中南大学地球科学与信息物理学院，长沙410083)摘要：介绍了InSAR技术在矿区地表形变监测中的应用现状及进展，分析了D-InSAR技术相比于传统测量手段的优势，并指出其在矿区地表形变监测中的不足。针对传统D-InSAR技术的局限性，重点讨论了短基线(SBAS)、永久散射体(PS)和角反射器(CR)等高级差分干涉技术，并结合矿区沉降监测实例，分析了其特点与应用现状，讨论了现有研究中仍存在的问题。高级InSAR技术和高分辨率SAR影像的结合将是矿区地表形变监测的发展趋势。关键词：InSAR技术；D-InSAR技术；矿区；地表形变监测；短基线；永久散射体；角反射器中图分类号：P227文献标志码：AMonitoringofgroundsurfacedeformationinminingareawithInSARtechniqueZHUJian-jun,XINGXue-min,HUJun,LIZhi-wei(SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:TheapplicationstatusandresearchprogressofInSARtechniqueinthemonitoringofthegroundsurfacedeformationinminingareawereintroduced.Firstly,theadvantagesofD-InSARtechniquewereanalyzedbycomparingtothetraditionalsurveyingmethods.Then,thelimitationsofD-InSARintheminingdeformationdetectionweredescribed.AccordingtothelimitationsofthetraditionalD-InSARmethod,theadvancedInSARtechnique,e.g.,smallbaselinesubset(SBAS),permanentscatterer(PS)andcornerreflector(CR)techniqueswerediscussed.Usingrealminingsubsidencemonitoringasexample,thecharacteristicsandapplicationstatusofthoseadvancedInSARtechniqueswerestudied,andthekeyproblemsstillexistinginthecurrentresearchweresummarized.Finally,itisindicatedthatthedevelopmenttrendofInSARmonitoringsurfacedeformationinminingareaisthecombinationofadvancedInSARandhigh-resolutionSARimages.Keywords:InSARtechnique;D-InSARtechnique;miningarea;surfacedeformationmonitoring;smallbaselinesubset;permanentscatterer;cornerreflector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，从而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。目前，针对矿区地表形变监测的主要手段有传统基金项目：国家自然科学基金资助项目(40974006，40901172)；教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NECT-08-0570)；中央高校基本科研业务费专项资助(2011JQ001，2009QZZD004)；湖南省国土资源厅矿产资源保护与合理开发利用科研项目；湖南省高校创新平台开放基金项目(09K005，09K006)收稿日期：2011-05-12；修订日期：2011-07-18通信作者：朱建军，教授，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]第21卷第10期朱建军，等：利用InSAR技术监测矿区地表形变2565的水准测量、GPS测量和电子测距测量等。尽管这几种监测方法的成熟度和高精度毋庸置疑，但它们存在以下不足：1)需要大量的人力、物力的支持，需要测量人员进入监测区域内，加大了监测工作的难度，存在一定的安全隐患；2)监测范围小、空间分辨率低、不适合用于对矿区进行快速、准确、大范围的监测；3)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显得十分不足[1]。合成孔径雷达干涉测量(Interferometricsyntheticapertureradar,InSAR)技术是近几年发展起来的一种新型大地测量手段。该技术通过传感器的轨道参数和成像几何关系实现对地表点目标坐标位置，高程及形变的测量，成功地综合了合成孔径雷达成像原理和干涉测量技术，可精确测量地表某一点的三维空间位置及微小变化[2]。尤其是在最近十多年，InSAR技术取得了重大突破，已成为雷达遥感领域中引人瞩目的重要分支[3]。差分干涉测量(DifferentialInSAR,D-InSAR)技术作为InSAR技术的一个延伸，主要用于监测雷达视线方向厘米级或更微小的地球表面形变，以揭示许多地球物理现象，如地震形变、火山运动、冰川漂移、地面沉降以及山体滑坡等[4]。在矿区地表形变监测中，D-InSAR技术也取得了大量的成功范例，其监测范围大、空间分辨率高、无接触式测量等特点，大大弥补传了统测量手段的不足。但是，D-InSAR技术受到时空失相关和大气延迟的影响，使得其精度和适用性显著降低[5]。而近十年以来，随着小基线集(SBAS)、永久散射体(PS)和人工角反射器(CR)等高级InSAR技术的发展，使得矿区地表形变监测的水平得到了进一步的提高。本文作者首先简要阐述D-InSAR技术的基本原理，介绍其在矿区地表形变监测中的研究现状，同时将指出该技术在矿区地表形变监测中的局限性。随后，通过介绍SBAS、PS和CR等高级InSAR技术的基本原理，结合其在矿区监测中的具体应用实例对其在矿区形变监测中的特点以及不足进行重点分析与探讨。最后，通过分析目前InSAR监测矿区地表沉降应用中存在的主要问题，指出其未来的发展趋势。1D-InSAR技术监测矿区地表形变1.1D-InSAR技术D-InSAR技术是在InSAR技术基础上发展起来的一种专门应用于探测地表位移变化的手段。其基本原理是利用同一地区的两幅或两幅以上SAR图像组成干涉图，而干涉图中不仅包含因地形起伏引起的干涉相位，还包含了由地表位移而引起的形变相位，通过对干涉图进行差分处理(去除地形影响)来获取地表微量形变。对于一幅干涉图而言，是通过已配准的主辅SAR影像的共轭相乘所得到的[6]：*(,)(,)(,)IFrnMrnSrn=(1)式中：(r,n)表示像素坐标；M和S分别为复数形式的主辅SAR影像；IF为复数形式的干涉影像，而其相位∆φ可以写成以下的形式[7]：//atmnoise4π4π4π2πsinHBDBkRϕϕϕλλθλ⊥Δ=+++++(2)式中：λ表示雷达波长；R为斜距；θ为雷达入射角；k为整周模糊度；B⊥和//B分别为干涉对的垂直基线和平行基线；noiseϕ代表相位噪声；atmϕ为大气相位。在式(2)中，等号右侧第一项表示形变相位，是指在主辅影像所间隔的时间范围内，地表在雷达视线方向(Line-Of-Sight,LOS)上的位移D所引起的干涉相位。第二项表示由地表高程H引起的相位变化，即地形相位。去除地形相位的方法有两种：一种是利用仅包含地形信息的SAR影像对生成干涉图进而得到地形相位；另一种是利用已有的外部DEM模拟地形信息从而实现地形相位的去除。因此差分干涉方法可归结为两种模式：使用外部DEM的二轨方法；使用多图像干涉生成地形影像对的三轨或四轨方法[8]。第三项表示平地相位，是由不同像素在参考椭球面的斜距差所引起的。//B可通过卫星精密轨道数据求得[9−10]；也有一些学者利用地面控制点来优化基线[11]。对于重复轨道干涉图而言，大气相位(atmϕ)是最主要的误差源之一，严重时可以给干涉图带来0.5到1个干涉条纹的影响。GPS、MODIS或MERIS等水汽资料可用来有效的去除大气效应，但受限于外部条件的制约[12]；干涉图堆叠是另一种常用的大气相位去除方法[13]。相位噪声(noiseϕ)包括热噪声、时空失相关噪声、多普勒失相关噪声以及数据处理过程产生的噪声等。多视和滤波都可以达到去噪的效果。而滤波方法主要分为频域(如Goldstein滤波[14−15])和空域(如Lee滤波[16])两类。最后一项为π2整数倍的整周模糊相位。这是由于干涉相位图的相位往往是缠绕的，反映的只是真实相位值的小数部分，因此要通过解缠来还原相位的真值。目前常中国有色金属学报2011年10月2566用的解缠方法有枝切法[17]和最小费用流法[18]等。很明显，要通过干涉相位得到准确的地表形变值D，首先需要去除地形相位、平地相位、大气相位、噪声以及整周模糊相位。在实际数据处理中，可能仍然会存在一些相位残余，其大小决定了地表形变监测的精度。而相比于传统测量手段，D-InSAR技术具有以下优势[19]：1)能够对监测区域进行全天时、全天候观测，测量过程中以面为基础；2)能够在短时间内监测到成千上万平方公里的地表变形，是一种无接触式的监测手段，基本上不需要地面控制点，精度高；3)能够达到厘米甚至毫米级精度，数据处理的自动化程度高。近二十年来，D-InSAR技术的发展大大促进了InSAR技术由理论研究向实际应用的发展，目前已经在全球各地被广泛应用起来。1.2D-InSAR技术监测矿区地表形变D-InSAR技术在矿区沉陷引发的地质灾害监测方面的研究始于1996年，CARNEC等用相隔35d的SAR影像获取了法国Gardanne附近煤矿的地面沉降，发现了一个大范围的沉降变形环区域，沉降漏斗的最大变形达42mm[20]。2000年，CARNEC和DELACOURT[21]又用相同的方法得到了该煤矿1992—1995年的地面沉陷变化，与地面沉陷的发展和采煤工作面的推进吻合较好，并且和地面的水准观测结果基本保持一致。2003年，RAUCOULES等[22]用D-InSAR技术对法国Vauvert地区一个盐矿进行地面沉陷监测，并根据监测结果修改了地面水准观测方案。2004年，GE等[23]介绍了用GIS技术来辅助解释D-InSAR技术获取的矿区沉陷，通过GIS技术把D-InSAR测得的矿区沉陷和采矿工作区叠加起来，使采矿对地面沉陷影响的表达更加清晰。随后，在2007年，他们对采用多源SAR数据(JERS、ERS、Radarsat-1、ENVISATASAR)监测矿区沉陷进行了研究，发现在矿区存在植被的情况下，L波段的数据受时间失相干影响较小