重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074
摘要：近年来，利用InSAR技术对矿区地表形变的研究越来越多，相较于传统水准测量和GPS等技术的监测，InSAR技术具有全天时、全天候、监测范围广等优势。本文对近年来学者们研究的基于InSAR技术在矿区地表形变解译方法进行了综述，简单介绍了该技术的原理，并列举了成功案例来支撑该技术的实用性，并对该技术未来的应用进行了展望。
关键词：InSAR；矿区地表形变；SBAS；D-InSAR
InSAR技术是在合成孔径雷达成像与电磁波干涉两类技术融合的基础上发展起来的，最初被应用于高程测量。该技术是一种全天时、全天候的主动式对地观测技术。随着InSAR技术的发展，现在可以用于地震形变、冰川移动和矿区地面沉降等监测中。我国的矿产资源丰富，虽然可以满足国民成产生活需求，但同时也会带来弊端。近年来，由矿产资源开采导致的地面沉降事件时有发生，传统的测量手段受地理条件、人为以及监测范围小等因素的限制，虽然其精度可达厘米甚至毫米级，但是在矿区应用还是会受到一定的限制。而InSAR是基于面范围的测量技术，能够有效的监测到研究区长时间的地表形变情况，大大节省了人力物力。
本文拟总结利用InSAR技术监测矿区地表形变发展情况，介绍目前主流的矿区地表形变监测方法和应用案例，并对不同的方法进行总结，方便相关学者在此方面的研究。
1、利用InSAR技术监测矿区地表形变
矿区的地表形变是由于长时间采矿活动导致地下产生采空区，随着时间的推移发生顶板冒落，从而引发地面沉降。由采矿活动导致的地质灾害时有发生，严重影响了矿区周围居民的生产生活。因此矿区开采沉陷监测是非常有必要的，由此产生的矿区地表形变监测方法的研究也是非常有必要的。目前矿区地表形变的监测最常用的是D-InSAR和SBAS两种技术。
1.1 D-InSAR技术
D-InSAR技术是基于形变前后覆盖同一地区且雷达成像几何具有微小差异的两景SAR影像的干涉信号，分离地表形变信息。由于仅用发生形变前后的两景影像，不能完全去除大气和噪声相位，因此在解算过程中，忽略这两者的影响。
矿区开采沉陷速率快、沉降量级大，D-InSAR技术只需研究区在形变发生前后的两景影像和其监测精度高等优势，被常用于矿区地表形变监测中。针对D-InSAR在地表形变监测中的应用研究，国内外学者先后开展了大量研究。2003年，Raucoules等利用D-InSAR技术对法国Vauvert煤矿开展了地表沉降监测，得到了较高监测精度的缓慢地表沉降，论证了D-InSAR方法可以实现长时间间隔的地表沉降监测[1]。2004年，吴立新等对DInSAR在煤矿区开采沉陷监测应用进行分析，预测了DInSAR方法在煤矿区地表沉陷监测领域会广泛应用[2]。
1.2 SBAS技术
SBAS技术是由D-InSAR技术发展而来的，相较于D-InSAR技术易受时空基线失相干和大气延迟的影响，SBAS技术采用多主影像的方式，通过设定合理的时空基线阈值进行自由组合生成干涉对，去除地形相位得到差分干涉相位，再通过最小二乘法求解每个集合的地面沉降时间序列，引入奇异值分解法将多个集合联立求解，获得各时间段的平均沉降速率和累计形变量。
我国矿区多分布于植被覆盖的非城市区域，且有些矿区沉降速率缓慢，使用D-InSAR技术难以监测到地表形变。SABS技术利用多景影像，可以监测矿区缓慢的地表形变，并且能获得每个时间段的形变时间序列图，可以更好的分析矿区形变的发展情况以及预测后续形变的发展。2019年，赵喜江对鹤岗矿区的26景Sentinel-1B影像利用SBAS-InSAR方法进行时序处理，并与常规二等水准控制点数据进行精度验证，结果良好[3]。
2019年，刘童谣利用SBAS技术对山西省大同市某煤矿进行了地表形变监测，其监测结果与水准测量结果一致，并绘制了三维变化模型，分析形变情况[4]。
2、目前存在的关键问题
在过去的几十年，将InSAR技术应用在地表形变的解算中已有了长足的发展，但矿区的地理环境复杂，进行InSAR解算时，矿区的植被覆盖会导致干涉失相干，进而影响解算结果，因此如何避免植被问题的影响，还是一个需要解决的问题。
相位解缠也是InSAR技术的一个重难点，从干涉条纹图中得到的相位仅是真实相位的主值部分，其取值范围在之间。要得到真实的相位差，就必须在这个值的基础上加上，该过程即为相位解缠的过程。目前学者们对相位解缠算法的研究还在进行中，由于各地区的地理条件各不相同，相干性也不同，因此对相位解缠的要求就会不相同，而目前能解决植被覆盖较多区域的最优相位解缠算法还是一个亟待解决的难点。
3、InSAR技术监测矿区地表形变的展望
近年来，高分辨率的雷达卫星的成功发射为InSAR技术带来了更加丰富的数据，在植被覆盖较多的区域可以使用波段较长的雷达影像进行地表形变解算。目前处理InSAR数据的平台越来越多，Doris、StaMPS、Gamma等开源软件通过让用户编写脚本，自行选择适合研究区的处理算法进行地表形变解算，这样不仅让用户有了更多的选择，而且在地表形变解算的精度上，也有一定的提高。
目前我们采用的InSAR地表解算方法得到的结果均是视线向的一维形变，不能从多个方面多个角度去分析地表形变产生原因，随着InSAR技术的不断发展，可以通过获取地表三维形变信息从多角度对形变原因进行分析。解算矿区地表三维形变信息，可以更好的观察采矿导致的形变在走向和倾向的走势，间接预测后期采矿对形变的影响。
4、总结
本文总结了将InSAR技术应用于监测矿区地表形变的方法，目前应用最多的主要是D-InSAR和SBAS两种方法。其中D-InSAR方法适用于形变速率快、形变量级大的区域，而SBAS方法适用于植被地区，形变量级小且形变速率缓慢的地区，并且这两种方法的实用性在近年来的研究中都得到了证实。此外，为了验证地表形变结果监测的可靠性，融合InSAR和GPS监测结果也广泛的应用在火山、地震、矿区等地区的地表形变中。
未来还会有更多高分辨率的雷达数据出现，而InSAR技术也会得到更好发展，更多更先进的InSAR技术涌现，不仅能够获得一维视线向的地表形变数据，还能准确的解算出地表三维形变结果，进一步推动InSAR技术的发展与进步。
参考文献：
[1] Raucoules D，Maisons C，Carnec C，et al.Monitoring of slow ground deformation by ERS radar interferometry on the Vauvert salt mine（France）：Comparison with ground-based measurement[J].Remote Sensing of Environment，2003，88（4）：468-478.
[2] 吴立新，高均海，葛大庆，等.基于D-InSAR的煤矿区开采沉降遥感监测技术分析[J].地理与地理信息科学，2004，20（3）：22-25，37.
[3] 赵喜江，王斌，张在岩.基于SBAS-InSAR技术的鹤岗矿区地表沉降监测与分析[J].黑龙江科技大学学报，2019，29（01）：66-70.
[4] 刘童谣.基于SBAS-DInSAR技术的煤矿地表沉降监测研究[D].太原理工大学.2019.