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[摘 要]本文结合合成孔径雷达差分干涉测量技术监测地面沉降的原理、步骤进行研究，分析了InSAR技术在矿区沉降监测中的发展潜力和技术难点，并结合最新短基线集干涉处理技术， 削弱大气延迟误差、DEM误差、相位解缠误差等，提高了监测精度。因此，对合成孔径雷达差分干涉测量监测地面沉降的理论与应用技术的研究，具有重要的实用价值和社会意义。
[关键词]合成孔径雷达差分干涉测量 干涉 相位解缠
中图分类号：TD325 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）18-0376-01
随着经济的快速发展，社会面临着对矿产资源的空前巨大需求，由于地下矿产资源的开采引起采空区周围岩体的自然应力及其上覆岩层内部的原始应力的平衡状态遭到破坏，岩体需要经过重新排布以重新达到应力平衡，从而导致岩层的移动与变形引起地表移动或塌陷。矿区地面沉降的危害主要表现为房屋、道路及公共基础设施的损毁，对农田、水资源造成污染等，对居民日常生活造成严重影响。因此，亟需采取适当的方法对采矿区地面形变灾害进行监测、治理和修复。
礦区地表沉降监测方法主要有水准测量、GPS地形测量、摄影测量等，常规的测量方法基于对控制点的监测获取空间形变。对于矿区大面积的变形监测，需要布设足够的控制点，通过数据内插法绘制出沉降面，受时间和天气条件影响较大，观测周期长，而且无法保证内插数据的精度。本文通过研究合成孔径雷达差分干涉测量在监测大范围矿区地面沉降的理论与应用，对其精度与可靠性进行分析，为矿山动态监测提供数据支持。
InSAR获取形变的基本原理与处理流程
InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar， 合成孔径雷达干涉）是一种新型的主动微波遥感技术，它通过分析同一地区两次或多次成像的雷达差分相位和成像几何条件来建立三维地形或监测地表变形。[1]由于相位测量的精度较高，用相位信息进行地表变形测绘，可以达到厘米级或者更高的精度。它具有全天候、高精度、高分辨率、低成本、全天时等自身优势，已成为空间信息获取的一种先进的测绘手段，是快速获取大面积矿区高精度的三维地形数据信息的一种极具发展潜力的空间对地观测新技术。[2]
合成孔径雷达差分干涉测量技术（Differential InSAR，DInSAR）是以合成孔径雷达复数影像的相位信息获取地表变化信息的技术，是合成孔径雷达卫星应用的拓展，雷达图像的差分干涉图可用于检测厘米级或更微小的地面形变。
DInSAR就是应用重复轨道干涉测量的方法，消除观测区域的地形信息来获取地表的形变信息。DInSAR的观测模式主要有两副天线同时观测的单轨模式和两次近平行的观测，（单轨模式和重复轨道模式），通过重复观测获取地面同一景观的复影像对，消除区域地形信息获取地表形变数据。
要从包含形变信息的干涉相位中获取地表形变量，需要从干涉相位中去除参考面相位和地形相位的影响。参考相位一般利用干涉几何和成像参数，通过多项式拟合得以除去。对于地形相位，需要利用多余的SAR观测数据或已知的DEM，通过2次差分处理消除。根据去除地形相位采用的数据和处理方法，可将差分干涉分为二轨法、三轨法、四轨法，不同的方法的数据处理过程不相同。
图为InSAR的成像几何，其中A1和A2是两次成像的雷达平台位置，B为干涉基线，L1和L2为雷达到地面目标的距离，干涉相位可以写为两次成像的相位差：
由于L1和L2达到数百公里，而基线B一般在几百米以内，干涉相位可以近似为：
干涉相位主要由两部分组成，一部分是地形起伏引起的相位，另一部分是椭球相位。椭球相位是指在没有地形起伏的情况下，由于轨道不重合，也会产生一个附加相位，俗称地平效应。地平效应相位可写为 ：
上述计算是在两次成像期间地表没有变形的情况的结果。事实上，如果两次成像期间地表存在变形，那么变形引起的相位也会进入干涉相位。如图，假设在两次成像期间地表沿视线方向的变形为？r，那么变形引起的干涉相位为
此时的干涉相位应该为地形相位和地表变形相位之和：
要测绘地表变形，必须从干涉相位中去除地形相位。
差分干涉获取地表变形图就是用包含“变形和地形”的干涉图减去仅含“地形”的干涉图：
其中和分别是“地形+变形”相位和“地形”相位，和分别是“地形+变形”干涉图和“变形”干涉图的平行基线分量。
InSAR数据处理主要受到时间失相干和基线失相干的影响，时间去相干是由于两幅SAR影像获取期间作物或植被的生长、树木的季节变化（树叶的生长和掉落）、以及风向变化引起的植被运动等等地表反射特性变化引起相位的去相关噪声。基线失相干是由于主从影像卫星对地表的视角不同而造成的一种去相干，为了保证像元内相位相干，不同的卫星都有一个临界垂直基线长度，大于该临界值的垂直基线，影像对将失去相干性。
在处理时为获取可靠的形变监测结果，需对两幅SAR影像的获取时间间隔和基线垂直分量进行控制形成干涉方案。一般空间基线的垂直分量应小于临界基线的1/3，对于坡度较大的区域，应该更小。数据干涉方案的组合还应考虑与其他观测数据时间上匹配，以利于相互检验，要考虑大气影响、植被生长、冰雪融冻等季节因素，以尽量减小这些干扰因素的影响。
随着InSAR技术的发展，高级InSAR数据处理技术的出现，比较典型的技术如短基线集干涉处理技术（Small BAseline Subset，SBAS）和永久散射体干涉技术（PS-InSAR），这些技术很大程度上可以削弱大气延迟误差、DEM误差、相位解缠误差等，极大地提高了监测精度。采用常规差分InSAR技术和SBAS技术相结合共同获取矿区地表开采沉降结果，可以有效提升数据成果精度。
结论：
InSAR作为遥感领域中的重要应用工具。以其全天候、全天时、大面积、高精度的自身优势，广泛应用在森林、水文、地面沉降、地震火山等方面。尤其是在一些困难地区使用传统测量技术无法涉及的区域，优势更加突出。InSAR技术的关键在数据处理过程中于对影像精配准和相位解缠，并使用技术手段将干涉图中轨道误差、DEM误差、相位解缠误差和大气延迟差等误差避免，使InSAR技术在矿山沉降监测中得到更广泛的应用。
参考文献：
[1] 李平湘，杨杰.雷达干涉测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，2006.
[2] 王超，张红，刘智，等.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京：科学出版社，200.
[3] 李震，廖静娟等.合成孔径雷达地表参数反演模型与方法[M].北京：科学出版社，2011：102-119.
[关键词]合成孔径雷达差分干涉测量 干涉 相位解缠
中图分类号：TD325 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）18-0376-01
随着经济的快速发展，社会面临着对矿产资源的空前巨大需求，由于地下矿产资源的开采引起采空区周围岩体的自然应力及其上覆岩层内部的原始应力的平衡状态遭到破坏，岩体需要经过重新排布以重新达到应力平衡，从而导致岩层的移动与变形引起地表移动或塌陷。矿区地面沉降的危害主要表现为房屋、道路及公共基础设施的损毁，对农田、水资源造成污染等，对居民日常生活造成严重影响。因此，亟需采取适当的方法对采矿区地面形变灾害进行监测、治理和修复。
礦区地表沉降监测方法主要有水准测量、GPS地形测量、摄影测量等，常规的测量方法基于对控制点的监测获取空间形变。对于矿区大面积的变形监测，需要布设足够的控制点，通过数据内插法绘制出沉降面，受时间和天气条件影响较大，观测周期长，而且无法保证内插数据的精度。本文通过研究合成孔径雷达差分干涉测量在监测大范围矿区地面沉降的理论与应用，对其精度与可靠性进行分析，为矿山动态监测提供数据支持。
InSAR获取形变的基本原理与处理流程
InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar， 合成孔径雷达干涉）是一种新型的主动微波遥感技术，它通过分析同一地区两次或多次成像的雷达差分相位和成像几何条件来建立三维地形或监测地表变形。[1]由于相位测量的精度较高，用相位信息进行地表变形测绘，可以达到厘米级或者更高的精度。它具有全天候、高精度、高分辨率、低成本、全天时等自身优势，已成为空间信息获取的一种先进的测绘手段，是快速获取大面积矿区高精度的三维地形数据信息的一种极具发展潜力的空间对地观测新技术。[2]
合成孔径雷达差分干涉测量技术（Differential InSAR，DInSAR）是以合成孔径雷达复数影像的相位信息获取地表变化信息的技术，是合成孔径雷达卫星应用的拓展，雷达图像的差分干涉图可用于检测厘米级或更微小的地面形变。
DInSAR就是应用重复轨道干涉测量的方法，消除观测区域的地形信息来获取地表的形变信息。DInSAR的观测模式主要有两副天线同时观测的单轨模式和两次近平行的观测，（单轨模式和重复轨道模式），通过重复观测获取地面同一景观的复影像对，消除区域地形信息获取地表形变数据。
要从包含形变信息的干涉相位中获取地表形变量，需要从干涉相位中去除参考面相位和地形相位的影响。参考相位一般利用干涉几何和成像参数，通过多项式拟合得以除去。对于地形相位，需要利用多余的SAR观测数据或已知的DEM，通过2次差分处理消除。根据去除地形相位采用的数据和处理方法，可将差分干涉分为二轨法、三轨法、四轨法，不同的方法的数据处理过程不相同。
图为InSAR的成像几何，其中A1和A2是两次成像的雷达平台位置，B为干涉基线，L1和L2为雷达到地面目标的距离，干涉相位可以写为两次成像的相位差：
由于L1和L2达到数百公里，而基线B一般在几百米以内，干涉相位可以近似为：
干涉相位主要由两部分组成，一部分是地形起伏引起的相位，另一部分是椭球相位。椭球相位是指在没有地形起伏的情况下，由于轨道不重合，也会产生一个附加相位，俗称地平效应。地平效应相位可写为 ：
上述计算是在两次成像期间地表没有变形的情况的结果。事实上，如果两次成像期间地表存在变形，那么变形引起的相位也会进入干涉相位。如图，假设在两次成像期间地表沿视线方向的变形为？r，那么变形引起的干涉相位为
此时的干涉相位应该为地形相位和地表变形相位之和：
要测绘地表变形，必须从干涉相位中去除地形相位。
差分干涉获取地表变形图就是用包含“变形和地形”的干涉图减去仅含“地形”的干涉图：
其中和分别是“地形+变形”相位和“地形”相位，和分别是“地形+变形”干涉图和“变形”干涉图的平行基线分量。
InSAR数据处理主要受到时间失相干和基线失相干的影响，时间去相干是由于两幅SAR影像获取期间作物或植被的生长、树木的季节变化（树叶的生长和掉落）、以及风向变化引起的植被运动等等地表反射特性变化引起相位的去相关噪声。基线失相干是由于主从影像卫星对地表的视角不同而造成的一种去相干，为了保证像元内相位相干，不同的卫星都有一个临界垂直基线长度，大于该临界值的垂直基线，影像对将失去相干性。
在处理时为获取可靠的形变监测结果，需对两幅SAR影像的获取时间间隔和基线垂直分量进行控制形成干涉方案。一般空间基线的垂直分量应小于临界基线的1/3，对于坡度较大的区域，应该更小。数据干涉方案的组合还应考虑与其他观测数据时间上匹配，以利于相互检验，要考虑大气影响、植被生长、冰雪融冻等季节因素，以尽量减小这些干扰因素的影响。
随着InSAR技术的发展，高级InSAR数据处理技术的出现，比较典型的技术如短基线集干涉处理技术（Small BAseline Subset，SBAS）和永久散射体干涉技术（PS-InSAR），这些技术很大程度上可以削弱大气延迟误差、DEM误差、相位解缠误差等，极大地提高了监测精度。采用常规差分InSAR技术和SBAS技术相结合共同获取矿区地表开采沉降结果，可以有效提升数据成果精度。
结论：
InSAR作为遥感领域中的重要应用工具。以其全天候、全天时、大面积、高精度的自身优势，广泛应用在森林、水文、地面沉降、地震火山等方面。尤其是在一些困难地区使用传统测量技术无法涉及的区域，优势更加突出。InSAR技术的关键在数据处理过程中于对影像精配准和相位解缠，并使用技术手段将干涉图中轨道误差、DEM误差、相位解缠误差和大气延迟差等误差避免，使InSAR技术在矿山沉降监测中得到更广泛的应用。
参考文献：
[1] 李平湘，杨杰.雷达干涉测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，2006.
[2] 王超，张红，刘智，等.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京：科学出版社，200.
[3] 李震，廖静娟等.合成孔径雷达地表参数反演模型与方法[M].北京：科学出版社，2011：102-119.