1、矿区地表形变及地质灾害遥感监测技术研究综述刘雪亮（山东科技大学 资源与环境工程学院，山东 青岛 266510）摘要：在总结大量国内外文献的基础上，对目前常用的矿区地表形变及地质灾害遥感监测技术进行了系统研究，分别介绍了GPS监测技术、InSAR测量技术、D-InSAR测量技术等在矿区地表形变及地质灾害监测中的应用，并对矿区地表形变及地质灾害遥感监测研究的发展趋势和未来发展方向进行了探讨和展望。关键词：地表形变 遥感监测 GPS监测网 干涉合成孔径雷达 永久散射体A Review of Research on Monitoring Technology of Surface Deformatio
2、n and Geological Hazard in Mining AreasLIU Xue-liang(College of Resources and Environmental Eng.,SUST,Qingdao,Shandong 266510, China)Abstract：Based on analysis on large qualities of domestic and international documents, the paper reviews the advances in the research on remote sensing monitoring tech
3、nology of surface deformation and geological hazard in mining areas, putting emphases on introducing the application of GPS monitoring technology, InSAR measurement technology, D-InSAR measurement technology in monitoring surface deformation and geological hazard, discussing and prospecting the futu
4、re development orientation and direction of the research on remote sensing monitoring technology of surface deformation and geological hazard in mining areas.Keywords：surface deformation;remote sensing monitoring;GPS monitoring network;InSAR;PS煤矿区是一种以资源开发与利用为主发展起来的特殊地理区域,由于资源过度开采对区域的持续累积影响,使矿区内发生区域性
5、地表形变，从而引发了严重的环境损害与地质灾害,由地表形变引发的矿区地质灾害主要包括塌陷坑、地面沉陷、地裂缝、滑坡、泥石流等。在地质灾害孕育和形成阶段都会在地表和近地表层呈现出特定的几何、物理或化学性异常，这些异常既有灾变异常信号、孕灾因子等短期、突发性的现象，也有环境损害、土地退化等长期、持续性的过程，从矿区地质环境动态变化中识别、监测和分析各种典型信号和灾变异常已成为矿山防灾减灾的研究重点1。遥感技术是矿区进行地表形变及地质灾害监测与评价的最为有效的技术。利用遥感技术对矿区地表形变进行准确的监测，能够有效预测矿区内地质灾害的发生。1 遥感技术“遥感”，顾名思义，就是遥远地感知。它是通过探测物
6、体对电磁波的反射和其反射的电磁波，从而提取出这些物体的信息，实现远距离识别物体。现代遥感技术是以先进的对地观测探测器为技术手段，对目标物进行遥远感知的整个过程。在距地面几百公里甚至上千公里的高度上，以飞机、卫星等为观测平台，使用光学、电子学和电子光学等探测仪器，接收目标物发射、反射和散射来的电磁辐射能量，以图像胶片或数字磁带形式进行记录，然后把这些数据传送到地面接收站，最后接收站将接收到的数据加工处理成用户所需要的遥感图像等资料产品。矿产资源开采引发的力学、地质和理化作用，改变了地表几何形态、物理特性和光谱特征，产生的信息变化在遥感图像上可以通过地表覆盖变化、地表形变、几何形变、结构变化等得到
7、体现，从而为地质灾害的遥感监测研究奠定了基础。2 矿区地表形变及地质灾害遥感监测方法目前，应用于地表监测的遥感技术主要包括GPS监测技术、干涉合成孔径雷达（InSAR）测量技术、差分干涉合成孔径雷达（D-InSAR）测量技术等。2.1 GPS监测技术GPS监测技术是通过在矿区建立地表形变监测网，在变形体上选择具有代表性的监测点进行多期观测，获得数据后对变形体上监测点的位移进行综合分析，在具有足够精度的前提下精确的推断整个变形体的变形特征，其目的是要获得变形体的空间和时间状态，以分析变形产生的原因，从而达到矿区内地质灾害预测的目的2。GPS技术是目前应用最广泛的一种对地观测技术，不仅定位精度高、
8、可靠性好、布网灵活，还可以精确地确定对流层、电离层参数、不受通视条件的限制，因此在形变观测等诸多方面得到了广泛应用，且技术日臻成熟。近十年来，由于GPS定位技术具有全天候、全覆盖、高精度、高效率等特点，已成为地表变形监测中极其重要的测量手段,其在变形监测中的测量精度已达到亚毫米级。同时,由于GPS测量可以选择测量频率,其在时间域上的分辨率可以达到分钟甚至更高到几十秒级。目前，许多国家如美国、日本、加拿大、中国、韩国、德国、俄罗斯及马来西亚都建立了自己的连续GPS监测网（Continuous GPS networks-CGPS），用以连续动态监测地面沉降（形变）情况。虽然CGPS是永久性的、连续
9、性观测的地面观测网，但CGPS由于接收机数量和布网阵列限制，无法做到布网密度很高。日本CGPS布网密度最高，间距最密也为25km，所以，GPS监测技术在空间域上的分辨率尚无法做得很高3。2.2 InSAR监测技术雷达是一种使用微波探测目标的成像技术，目前有真实孔径雷达（RAR）和合成孔径雷达（SAR）。1951年Carl Wiley首次发现多普勒频移现象可以逻辑合成一个更大的雷达孔径，极大地改善真实孔径的方位向分辨率，从而掀起合成孔径雷达理论研究高潮。20世纪90年代以后，欧美等发达国家对机载和星载（包括航天飞机）的合成孔径雷达的理论和应用进行了一些研究，获取了大量商用SAR图像。虽然可以获取
10、SAR数据，但是由于SAR系统记录的物体散射信息强度和相位中，包括双程传播路径、地面分辨率单元之内的各元素的相互作用和图像的处理系统造成的相位偏移，所以单张SAR图像精度很差和应用意义价值不高。如果从不同视角获取的SAR图像，利用它们的相位差或干涉条纹，可以产生数字高程模型（DEM）和改善分辨率（达到米级），也就是干涉合成孔径雷达（InSAR）测量技术4。InSAR测量技术是近年来迅速发展的地表形变探测新技术，已有越来越多的国家和地区利用InSAR来探测诸如由矿山开采、地震、火山运动等引起的地面沉降现象。InSAR技术是根据复雷达图像的相位数据来提取目标三维空间信息的,其基本思想是:利用两副天
11、线同时成像或一副天线相隔一定时间重复成像,获取同一区域的复雷达图像对,由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等,使得在复雷达图像对同名像点之间产生相位差,形成干涉图,干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值,根据两次成像相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系,利用飞行轨道的参数,即可测定地面目标的三维坐标,它可以用来提供大范围的高精度数字高程模型(DEM),并用于探测地表形变5。现在的星载SAR系统以一定时间间隔和轻微的轨道偏离（相邻两次轨道间隔为几十米至一公里左右）重复成像，借助覆盖同一地区的两个SAR图像的干涉处理和雷达平台的姿态数据重建地表三维模型的精度在120米的范围内。
12、InSAR技术不但具有高探测精度（亚厘米级），而且具有低成本、近连续性和遥感探测的能力。但是由于雷达卫星有其固有的运行周期，因此SAR系统只能提供24-44天的时间间隔图像，导致InSAR技术时间分辨率低，且InSAR数据经常受到大气同温层和电离层延迟、卫星轨道、地表状况以及时态不相关等因素造成的误差影响6，仅靠其自身雷达数据无法消除，这造成了InSAR技术在应用中的困难。2.3 D-InSAR监测技术所谓差分干涉(D-InSAR)技术是利用同一地区的两幅干涉图像对其进行差分处理,从而获取地表微量形变的测量技术。第一幅干涉图仅包含因地形起伏引起的干涉相位,第二幅干涉图不仅包含因地形起伏引起的干
13、涉相位,而且还包含因地表位移引起的干涉相位。为了获得形变信息,将两幅干涉图进行差分去除地形的影响,它可以有效地去掉地形、轨道基线距离等因素对相位的影响,使探测的信号更加清晰,精度更高。1989年Grabriel等首次论证了利用差分干涉（Differential InSAR，简称D-InSAR）技术可用于探测厘米级的地表形变。20世纪90年代后期，部分学者通过实验证实D-InSAR对地球表面形变监测的精度可达毫米级精度。D-InSAR技术能够获取大面积、高精度的地表变化信息，其测量结果整体上是连续的，不存在总体累积误差，且数据处理容易，因此被认为是进行大面积地表形变连续监测的有效工具。D-InS
14、AR技术是InSAR技术的升级，将地表形变监测精度提高了一个等级，但它仍然具有InSAR技术所存在的那些缺点，靠其自身无法消除，需要与其他监测技术结合，才能得到更为广泛的应用。3 矿区地表形变及地质灾害监测技术发展趋势前面提到的地表形变遥感监测技术，虽然都发展多年且应用日臻成熟，但均具有明显缺点，如：GPS监测技术受地面接收机数量和布网排列的限制，空间分辨率很难做到很高；InSAR测量技术在时间域的分辨率有限，同时InSAR数据质量还受到大气层延迟、卫星轨道误差、地表状况和时变去相关性等因素的影响，很容易导致InSAR图像解释错误。由于各监测技术本身无法解决所存在的全部问题，迫切需要与其他遥感
15、监测技术的结合。因此，目前遥感监测技术的发展趋势就是多种监测技术的结合。3.1 GPS-InSAR监测技术一般而言,对于需要详尽地表形变信息(有时甚至1 km空间间隔)的地表形变监测,GPS网几十公里间距网点密度显然过于稀疏；而GPS技术采样间隔短，有些GPS网甚至达到了采样频率1Hz，具有很高的时间分辨率。前已述及InSAR技术具有近连续性、高探测精度等优点，但时间分辨率低，且受大气同温层和电离层延迟、卫星轨道误差、地表状况以及时态不相关等因素造成的误差影响。因此，两种技术的合成成为目前遥感探测技术的一个发展趋势。表1对GPS和InSAR技术进行了对比。表1 GPS技术与InSAR技术对比表
16、Tab.1 Contrast Table of GPS Technology and InSAR TechnologyGPSInSAR观测量三维位移（水平、垂直）地面点与卫星之间距离的变化（一维）时间分辨率近连续（日每点甚至10秒每点）周期性（24-44天）空间分辨率离散的点（最小间距为25Km）连续的、全球性的覆盖（25m*25m分辨率、50Km*50Km的影像覆盖范围）卫星数量24颗GPS卫星1颗SAR雷达卫星地面接收机需要（至少2台以上）无需GPS-InSAR合成方式是首先利用CGPS网得到低空间分辨率形变数据,再利用CGPS网对SAR误差进行校正,最后利用高空间分辨率InSAR数据对G
17、PS网位移形变场进行数值内插,从而最终得到高空间分辨率的地表形变位移场。在合成过程中，InSAR对于由地表状况以及时态不相关产生的误差只有通过仔细选择雷达波段和影像对才能避免和减少,而大气传输误差和卫星轨道误差通过GPS校正可以得到消除。GPS与InSAR技术融合既可以改正InSAR数据本身难以消除的误差,又可以实现GPS技术高时间分辨率和高平面位置精度与InSAR技术高空间分辨率和高程变形精度的有效统一。因此,GPS与InSAR集成技术在地表形变探测领域必将发挥巨大优势。3.2 PS-DInSAR监测技术D-InSAR技术被认为是进行大面积地表形变连续监测的最有效工具，但在运动速度缓慢的地表
18、形变监测中，不得不使用时间基线很大的影像对，由于时间去相关问题可能阻碍D-InSAR技术成功进行长时间间隔的测量。永久散射体（PS）技术，利用其时间上保持稳定的散射特性，通过识别和分析单一散射体，获得可靠的相位信息，被证明是处理时间序列SAR干涉图的很好选择7。永久散射体（PS）技术是由意大利学者A.Ferretti等首先提出的InSAR领域的一项新技术8。所谓永久散射体，就是一些在相当长的时间内仍然能保持稳定的反射特性的散射体。PS-DInSAR技术是利用长时间序列InSAR影像（包括主图像和辅图像）来发现潜在的一致的观测点，即PS点。在可用的所有SAR图像中选取具有良好几何特性、相关性高且
19、大气干扰较小的一幅主图像，与所有辅图像配准之后，即生成具有精确轨道信息的系列干涉图。通过干涉相位差异的比较来获取潜在的PS点从而利用PS技术来估计每一个PS点的位移。基于永久散射体的D-InSAR技术具有探测微小地表形变的潜力，尤其是对于探测长期累积的缓慢形变，具有十分突出的技术优势。除了具备常规差分干涉空间分辨率高、覆盖范围广等特点外，PS-DInSAR还具有强健的环境适应能力9。PS技术是当前InSAR领域的前沿技术，通过选取一定时期内表现出稳定干涉行为的孤立点，克服了许多妨碍传统雷达干涉技术的分辨率、空间及时间上基线限制等问题，使InSAR技术在城市及岩石出露较好地区地面形变监测精度大大
20、提高，在一定的条件下精度可达到毫米级。虽然PS技术具有明显的优势，但同时也有其自身的局限性，主要存在以下问题：1）PS点多存在于有固定建筑物城市地区和岩石裸露的地区，而对于地下采矿区，由于多数情况下地表有植被覆盖或地形变化复杂，难以找到足够的PS点。2）由于PS技术需要大量的(一般需要30幅以上)雷达影像数据,因此在一定时间段同一平台的数据优势难以满足数量要求。3）由于时间基线高度离散性和DEM精度的限制,影像的相干性会大大降低,给图像配准带来困难,甚至难以寻找出PS点。4）由于要处理的参数太多,大面积情况下对大气的估计也会不够精确。因此一般情况下PS处理只局限于较小(一般小于5 km5 km
21、)的区域。对于一些区域天然PS点明显不足的问题,有关学者提出在研究区地表布置角反射器(CornerReflector)的解决方法,对地表形变进行连续监测。目前,角反射器方法在许多国家的PS-DInSAR技术研究中已经得以应用,并取得了比较理想的效果。针对单一平台数据量不能很好保证的问题,COLESANTIC等人于2003年提出尝试使用多平台数据用于PS分析,可以解决由于卫星的更替引起的数据不连续问题。针对时间基线高度离散性和DEM精度的限制所带来的影像的相干性大大降低这一问题,MALLORQUI J J等人近年提出了CPT (Coherent Pixel Technique)技术。随着SAR数
22、据的积累和矿区地表角反射器的逐步建立, PS-DInSAR技术在矿区地表沉陷监测中的应用将日趋广泛，有望成为矿区开采沉陷测量工作最为有力的手段。4. 结论及展望遥感探测作为对矿区地表形变及地质灾害进行有效监测的技术，长期以来得到了广泛的应用和发展。先是建立了GPS监测网对地表进行监测，在空间分辨率无法提高的情况下提出了InSAR测量技术，进而提出D-InSAR技术将地表垂直形变测量精度提高到了毫米级。针对InSAR测量技术时间域分辨率低、数据质量受若干因素影响的缺点，提出利用GPS-InSAR合成技术；针对D-InSAR技术由于时间去相关问题影响无法进行长时间间隔测量的情况，提出基于永久散射体
23、的D-InSAR技术，能够有效监测小范围、运动速度缓慢的地表形变。未来矿区地表形变和地质灾害监测遥感技术的主要发展方向就是高空间分辨率和高时间分辨率，通过提高空间和时间分辨率使监测精度和准确度得到进一步提高。目前，高空间分辨率SAR系统不断出现，ALOS、Radarsat-2、TerraSAR-X和Cosmo/SkyMed的最高空间分辨率分别可以达到7m、3m、1m和1m，这些高空间分辨率数据和永久散射体技术结合有助于对小型地表形变进行调查和监测，使小于1m2的地表形变的监测成为可能。参考文献：1杜培军,陈云浩,曹金亮,等.煤矿区地质环境与地质灾害遥感集成监测系统的关键技术J.地理信息世界,2
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