摘要：随着社会经济的快速发展，对地下能源和矿产的开采需求将进一步扩大。矿区将延伸至城市、城镇、村庄、主要交通干线、水系等，这将不可避免地造成地表变形。大多数变化发生缓慢，即以厘米为单位测量的地表沉降的小幅度变化。这将对土地资源、矿区环境造成极大的破坏，也不利于社会和谐发展的目标。为了矿区的安全生产和可持续发展，需要建立更加精细的矿区地表变形监测体系。本文从矿山地表形变监测的必要性出发，首先介绍了SAR传感的发展历程，并总结了现有SAR卫星及其相关参数，为矿山地表形变监测SAR数据选取提供必要依据。其次分别介绍了DInSAR、PS-InSAR和SBAS-InSAR技术监测矿山形变的基本原理，深入分析了其不同的技术特性。最后介绍了SAR偏移量追踪在发生较大形变的矿山监测中的技术原理。提供了几种不同类型的SAR矿山形变监测技术，对矿山安全生产与合理开采具有重要意义。

　　关键词：矿山形变；SAR；InSAR；偏移量追踪

　　我国矿山资源丰富，矿山中的高密度油田和高强度开采将深刻影响矿山地区的生态环境。因此，在各个矿山高强度开采环境中，评估开采引起的损害和了解开采沉陷对矿山安全生产和土地利用具有重要意义。传统的开采沉陷监测方法主要包括大地测量、全球导航卫星系统测量和电子距离测量。这些方法具有以下缺点：①它们劳动密集、耗时、成本高昂，而且很难使监控标志长时间保持良好状态；②测量人员必须进入被监测区域，这增加了任务的难度和风险；③这些方法不适用于大规模矿山的快速准确地实时监测，由于监测的空间范围有限、空间分辨率低和工作周期长，无法监测未知区域的沉降；④理论分析限于离散点的数据观测；因此，在满足开采沉陷预测和防灾实际要求的同时，识别地面变形特征是困难的。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)提供了一种新的地球观测方法，可以提供全天候的监测。差分InSAR(DInSAR)是InSAR在监测地面变形方面的扩展，主要用于捕获雷达卫星视线(LOS)沿线厘米级或更小的地面变形。与地震变形、火山活动、冰川移动、城市水损失沉降、采矿沉陷和滑坡的DInSAR监测已经取得重大进展。然而，DInSAR技术很容易对变形量大、变形周期短的开采沉陷造成干扰去相关。此外，对于传统的DInSAR，如何有效消除轨道残余误差、残余地形、大气延迟和其他相位误差是一项具有挑战性的任务。然而，传统DInSAR得到几个成功应用，在过去10年中，许多学者使用DInSAR监测了选定矿山的开采沉陷，并进行了相应的实验研究。Perski等人使用DInSAR成功测量了地下采矿引起的地面沉降。其他学者已成功将DInSAR应用于开采沉陷监测实验，从而证实了在大规模开采沉陷监测和地质灾害评估中使用DInSAR的可行性。雷达卫星远程监测地面变形已成为全球矿山的一种操作工具。虽然长期以来，合成孔径雷达干涉测量技术能够提供矿山地表总体的准确变形率，但报告频率不够短，无法满足业务规划和监测需要。卫星观测的时间间隔仅为24天、35天，甚至46天。现在，随着当前现代卫星的16天、11天、6天甚至4天的重新访问时间，数据收集周期已经大大改善。时序InSAR技术被更好的应用于矿山形变监测。这些工具使得合成孔径雷达干涉测量可以在变矿山形变中得到更好的应用。

　　1 SAR传感器

　　当前，在空中存在着不同波段的SAR卫星传感器，随着SAR卫星数量不断地增加，SAR传感器对陆地覆盖范围不断得到提升，另外，这些传感器可以在不同空间分辨率的干涉下提供测量数据。20世纪70年代末，美国发设了第一个SAR卫星海洋卫星(Seasat)，其具体任务包括收集海面风场、海面温度、波高、内波、大气、海冰、海洋地形等数据。随后又分别发射了SIR-A和SIR-B卫星，为SAR卫星的研究提供了最初的数据。随后其他国家和机构相继发射了不同波段的SAR卫星，欧洲在1991年和1995年分别发射了ERS-1和ERS-2两颗C波段SAR卫星,主要用于对陆地、海洋、海岸线、冰川等成像，两个相同的C波段仪器的日间SAR捕获能力增加了监测地球的可能性，为后续的SAR应用研究提供了大量的数据。日本在1992年和1994年相继发射了地球资源卫星(JERS-1)、星载成像雷达卫星(SIR-C)，JERS-1卫星搭载着L波段传感器，其具有较强的穿透性，在植被覆盖区域能发挥更强的优势，其主要目的是进行地球陆地区域的观测、地学领域研究及其它方面应用。加拿大在1995年发射C波段卫星RADASAT-1,其具有较好的分辨率和幅宽获取到了大量的SAR数据主要应用于以下领域：船舶探测、海冰监视、石油泄露监测、灾害管理和生态系统监测，国防和安全监测；为全球灾害管理和救援行动提供重要支持。随后进入21世纪，世界科技得到快速发展，SAR传感器硬件设备性能有了更大的提升。2000年美国NASA和国家地理空间情报局采用航天飞机搭载合成孔径雷达传感器获取覆盖全球大部分区域30米和90米DEM数据。NASA经过2年的原始数据处理，最终获取平面精度±20 m，高程精度±16m的全球数字高程模型。此外，利用重复轨道的SRTM雷达数据，可实现差分干涉测量，用于地壳形变及冰川变化的监测，精度可达到厘米级。2002年欧洲发射了Envisat卫星，其搭载先进的合成孔径雷达ASAR，ASAR有同极化和交叉极化两种极化模式。日本2006年发射了相控阵L波段先进陆地观测卫星ALOS-1卫星，因为其L波段具有较强的穿透性和抗失相干的特点在矿山、滑坡等地表形变监测中得到广泛地应用。在此之后，各个国家和机构组织又设计并发射了多极化、高分辨率SAR卫星。2007年和2010年，德国分别发射了X波段高分辨率卫星TerraSAR-X与其姊妹星TanDEM-X，两颗卫星协同工作模式不但能获取高分辨SAR数据，而且能够获取全球高精度DEM。相比于传统InSAR系统，其最主要特性就是能够获取0时间基线和高精度轨道的干涉影像对，能够很好地克服各种失相关、大气延迟和轨道误差等因素引起的相位噪声。意大利航天局和意大利国防部在2007年至2010年期间相继发射了4颗X波段SAR卫星，由其组成COSMO-SkyMed星座。该星座具有较短重访周期，其目的是在环境风险管理、防务与国家安全、资源环境监测、灾害监测、海事管理及科学应用等领域发挥重要作用。其中最主要用于地中海周边地区的险情处理、沿海地带监测和海洋污染治理。是一个军民两用的对地观测系统，能够在任何气象条件下日夜观测地球。加拿大在继RADASAT-1之后，在2007年发射了RADARSAT-2卫星，该卫星具有多极化和高分辨成像特征，有效地促进了极化SAR的发展。2014年欧空局发射了C波段卫星Sentinel-1A，该卫星的发射为全球地表监测提供了大量免费数据，有效地促进了SAR及InSAR监测技术的发展。另外在2016年发射了Sentinel-1B卫星，成功将原有12天重访周期缩短至6天。主要用于对地球环境的监测，例如与北极海冰监测、冰山跟踪、冰川速度监测、海洋环境监测以其他海洋相关监测有关的服务和应用。它还用于各种自然灾害引起的地面变形、水和土壤监测。然而在2022年8月3日，星座中的哨兵-1B卫星任务提前终止。日本在继ALOS-1发射之后，2014年成功发射了后继星ALOS-2,其监测空间分辨率可达1米，由于该卫星具高分辨率和L波段的特性，在地质灾害监测、矿山形变监测中具有独特的优势。2016年我国发射了C波段GF-3卫星，填补了SAR干涉测量邻域的空白。在此之后，我国自然资源部卫星遥感中心在2022年发射L波段差分干涉SAR(L-SAR)卫星，该卫星将在灾害防治，在高精度地形测绘和形变监测方面发挥巨大作用。随着航天事业的进步，商业微小SAR卫星得到快速地发展，例如国外最具有代表性的商业SAR卫星星座冰眼和国内商业SAR卫星星座天仙星座。目前天仙卫星星座首发卫星“巢湖一号”已在轨运行，具备6小时应急成像能力，是继成功研制发射中国首颗商业SAR卫星“海丝一号”后的又一颗商业SAR卫星，实现了商业SAR双星组网运行。其方位向最高分辨率1米，可以全天候、全天时、全透明对陆地、海洋、海岸港口进行成像观测，可为我国在海洋环境、灾害监测及土地利用等提供服务。

　　2合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)

　　要充分利用DInSAR技术，必须考虑两个主要标准。第一个准则是一个像素内元素散射体的空间分布和电磁特性应该保持完全稳定。第二个判据与干涉对中同一像素点在两幅SAR图像上沿雷达视线方向测量的双向斜距距离之差有关。特别是，该判据要求相邻像素之间的双向斜距距离差必须小于雷达波长的一半，才能无模糊地观测干涉条纹。此外，DInSAR已广泛用于探测地震、火山、滑坡和矿山等引起的变形等单一变形事件。

　　D-InSAR方法的基本原理是通过共轭生成干涉图，将变形前后的两幅雷达复图像相乘，再利用外部DEM的差异去除地形图形因素相关的相位信息，生成差分干涉图，然后对干涉图进行相位解缠，最后从解缠图中提取地面目标的变形信息。选择矿山监测时间中的两幅SAR影像作为主影像和副影像，并计算同名点的偏移量，以进行图像配准。在配准之后，将两幅SAR影像共轭相乘，获得了不仅包含沉降信息，还包含一系列噪声相位的干涉图。干涉相位中包含了平地效应相位、地形相位、形变相位、大气相位和电离层延迟和对流层延迟噪声相位。在获得矿山变形阶时，需将其他非形变相位移除，并且尽可能将噪声相位最小化。为此引入外部DEM模拟地形相位和平地效应相位；尽可能将噪声相位对干涉图像质量的影响减弱，可进一步对干涉图进行滤波以去除噪声相位；大气相位可采用气象数据模拟及传统模型模拟进行去除。最终选择最小费用流算法进一步地进行相位解缠以获得矿山地表真实变形的相位。可由形变相位计算出雷达视线向地表形变。

　　DInSAR监测技术目前被广泛用于矿山形变监测中，但是，由于当前许多矿山地区地表各种变化较快和形变区域较小等因素严重影影响干涉图的质量，极大可能导致干涉失相干，最终导致DInSAR监测的形变精度较差。因此要求选取合适波段和分辨率的SAR数据尽量减小此类干涉失相干的影响。

　　3多时相合成孔径雷达干涉测量(MT-InSAR)

　　DInSAR在许多矿山形变监测应用中，需要估计缓慢的变形率。这可能需要处理两次采集之间有较长时间间隔的数据集。然而，长的时间间隔的增加导致两幅图像之间的相关性降低，从而增加了测量干涉相位的模糊性。近年来，人们提出了一些先进的技术来研究变形的时间演化。通过将多时相SAR观测数据结合使用，可以降低失相关效应。多时相InSAR技术可以简单地分为两类:永久散射体PS-InSAR和小基线集SBAS-InSAR。

　　3.1永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)

　　地面分辨率单元接收的信号取决于分辨率单元中地物的分布和反射率特性。由于SAR的单波段特性，每个分辨率单元的散射信号是单个分辨率单元的所有散射信号的和。散射机理大致可分为三类。在第一类中，在任何分辨率单元中都有一个单点散射器。在第二类中，有许多分布散射体，但其中只有一个主要的散射体，也称为永久散射体。在第三类中，有几个强度相等的分布散射体。如果所有的散射信号都是单点散射体，那么接收到的信号的相位随时间的变化就会非常小。在这种情况下，所有的干涉图都可以用于无误差的变形估计。但是，在现实中，矿区监测是极不可能满足这一条件。反射信号中第二类可能的散射体是永久散射体(PS)，在PS-InSAR技术中，具有单一主导散射体的点，在很长的时间间隔内其散射特性是一致的。这些点的相位相对稳定，受失相关的影响较小。

　　在此过程中，选取单个主影像，使用可用SAR数据集与其生成多幅差分干涉图。主影像选择的原则是使生成的干涉图失相关性最小化。然后分析这些干涉图，来构建PS散射体网络，以此估计所有干涉图中这些点位置上的大气相位。目前有学者提出了几种候选PS点识别的方法。基于振幅离差指数的方法，利用干涉图中的振幅信息识别点，另一种基于相位稳定性和空间相关性识别候选PS点。之后利用大气信号的空间相关性信息，对各干涉图进行空间滤波，可估计出DEM误差、位移率和轨道误差等其他模型参数。PS点选取后根据一定规则构建PS点平差网络，以此解算出PS点的形变。虽然该技术已经得到了发展，并成功地应用于不同的应用领域，但在矿区地区中要想实现有效地识别PS点仍然具有很大的挑战性。为了充分利用PSInSAR技术，需要足够的数据(超过30张图像)，并且在没有变形先验知识的情况下，很难评价PS方法得到的结果的质量。

　　3.2差分干涉测量短基线集时序分析技术(SBAS-InSAR)

　　自然地形中最常见的情况是所有散射体的返回值相同，干涉相位随机分布在0~2的区间内。在这种情况下，可以通过对来自相邻像素的干涉信号进行平均来提高信噪比。通过这种平均，由地物引起的随机相位分量被抵消。SBAS-InSAR是一种多主影像时间序列InSAR监测方法，旨在解决D-InSAR技术中遇到的时空失相干和大气相位干扰等问题。通过限制空间和时间基线的长度，并结合满足要求的所有SAR影像，以生成更多干涉图，建立平差网络模型，并从中提取可靠的形变结果。其原理如下:首先选取监测矿区不同时间N景影像，并计算时空基线，根据合适的基线阈值选取干涉对，其次对每幅干涉图进行相位解缠；最后对干涉图解缠相位利用SVD方法获取形变参数。

　　上述算法都有其优点和局限性，并且它们都已被证明在估计城市和非城市地区的变形时间序列方面是成功且有效的。矿区通常都位于农村地区且矿区被大量的地表植被覆盖且矿区变化较快，DInSAR技术因为拍摄时间限制，在此类地区极易造成失去相干；此外，单主影像的PS-InSAR技术也难以保证矿区有足够的相干性。因此SBAS-InSAR技术提出采用短的时空基线和多主影像干涉模式，更适合应用于矿区形变监测。

　　4偏移量追踪(Offset Tracking)

　　InSAR技术能对矿区地表形变进行准确测量的技术。然而，如前所述，InSAR最大的挑战是相位解缠的相干性和可行性。相位解缠仅对于高相干性和低边缘率的区域是可靠的。在某些情况下，由于缺乏参考点信息，无法正确分析被低相干区域分隔的高相干区域。此外，DInSAR在最大可监测位移方面存在限制。为了克服上述方法的局限性，偏移跟踪技术被学者提出，可用于估计快速变化的位移，特别是对于冰川移动、快速变化的矿山边坡和快速移动的滑坡。使用SAR数据的偏移跟踪已广泛应用于监测较大形变位移。偏移量追踪方法可分为基于图像强度的互相关和基于干涉条纹可见性的偏移量追踪方法。在矿区形变监测中两个SAR影像之间的相干性水平较低，基于强度互相关的偏移量追踪方法在矿区形变监测中最为适用。强度偏移跟踪方法的关键是找到两个SAR影像的二维互相关函数的峰值位置。距离向和方位向方向上的位置坐标的差异是偏移量。为了提高估计的准确性，该方法应该在SAR影像的像素级别进行过采样；然后可以通过二维插值回归拟合对峰值周围的相关函数进行建模。使用信噪比估计每个偏移的置信水平。配准SAR影像对时应为信噪比设置一个阈值，只有高于该阈值窗口的信噪比值才可用于计算偏移量。此外，一些其他因素会影响这些偏移的准确性，包括轨道分离、地形、位移和电离层效应。为了准确地估计矿区地表运动，需要将这些影响提前进行分离。

　　5结语

　　随着SAR卫星和InSAR形变监测技术的不断发展，SAR在矿区地表形变监测中得到广泛的应用，GPS和水准测量这样的技术已经被证明在矿区监测中具有相当高的精度，但这种技术只提供基于点的形变信息信息。因此，无法对整个矿区大面积地区进行测量。与之相比InSAR监测范围大，目前搭载在卫星和航天飞机上一次可以监测地表上千平方公里的范围，能够对整个矿区进行全面监测和形变排查。目前随着SAR卫星数量的增加，可按一定时间间隔对矿区整体进行周期性监测，数据更新快，可监测分析矿区时间序列上连续形变。SAR可全天候监测，受天气影响较小，可在夜晚对矿区监测。传统监测方法需要布设水准点，而雷达沉降监测不受这些条件的限制，只需卫星获取地表影像，给矿区沉降监测带来很大的便利。InSAR形变监测也有其劣势：InSAR在形变监测中受地表植被、地形等条件的影响，导致其精度有所下降，此外时序InSAR需求的数据量大，并且在数据获取后要利用专业的软件和设备进行处理。