应用合成孔径雷达干涉技术监测矿区地表形变

图 2 干涉合成孔径雷达结构示意图
图 3 D-InSAR 几何成像示意图
图 4 差分干涉处理流程
４ 应用 Ｄ－ＩｎＳＡＲ 监测矿区地表形变的方法 4.1 ＳＡＲ 图像的选择
作为检测矿区持续微小变化区域，对图像的要求 很高，所以要求图像的质量很好。由差分干涉合成孔 径雷达处理流程可见：干涉相位质量是影响监测精度
SAR 是一种以角度θ 和一定覆盖范围的微波脉
冲观测地球表面，同时记录能量和相位的技术（几何 结构如图 1 所示）。成像过程是将三维物体（如地表形 态）转化为二维雷达坐标--射程（或距离）和方位： 射程（或距离）是地表上的点到 SAR 传感器的距离， 方位是传感器的移动路线。SAR 图像同时记录两个信 息：亮度（或能量）记录物体反射微波的能力；相位 同时记录光传播的位移和微波从传感器发射经物体反 射传播的延续：
四川测绘第 26 卷第 3 期 2003 年 9 月
所以，针对世界和我国应用 D-InSAR 技术监测矿 区地表形变的现状和现代遥感技术的发展状况，我国 需要应用 D-InSAR 技术监测矿区地表形变。首先，我 国目前主要使用的 GPS 监测网只能得到离散点位数 据，难以全面监测矿区的地表形变。而 SAR 可以弥补 不足；其次，航天和航空遥感事业的迅速发展、遥感 数据处理理论的逐步完善以及遥感产品多样化，提供 了快速监测矿区地表形变的手段；第三，地表形变随 着资源的开采还会加剧，研究应用 D-InSAR 技术监 测，可以达到矿区环境破坏的最小控制和指导资源开 采；第四，加快我国合成孔径雷达应用研究的步伐， 缩短我国在合成孔径雷达应用领域与世界的差距。 ３ 合成孔径雷达系统成像原理与特点 3.1 合成孔径雷达成像原理
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图 2）得到：
∆φ
= φ2
− φ1
= φ p,2
− φ p ,1
=
4π λ
(R 2
−
R1 )
其中：假定传播相位不变，即φ s ,1 = φ s ,2 。
由此可见，相位差φ 与雷达侧视角度无关，与射 程差 ∆ R = (R 2 − R 1 )有关，即依赖于地面高程 h 。
Key words: InSAR; deformation; monitoring
１ 引言 雷达（Radio detecting and ranging，缩写为 Radar）
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（Real Aperture Radar, 简称 RAR）和合成孔径 雷达 (Synthetic Aperture Radar, 简称 SAR)两种类型。 1951年Carl Wiley首次发现多普勒频移（Doppler shift） 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（Azimuth）分辨率[1]，从而掀起合 成孔径雷达理论研究高潮和扩大雷达技术应用领域。 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[5]，如美国的 SIR-C/X-SAR、欧洲空间局 ERS-1/2、日本的 JERS-1、 加拿大的 RADARSAT、欧共体 ENVISAT 等 SAR 图 像。虽然现在可以获得 SAR 数据，但是 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（即干涉合成孔 径雷达测量技术）可以产生数字高程模型（DEM）和 改善分辨率（达到米级）[2] [6] [10]。
干 涉 合 成 孔 径 雷 达 (Interferometric Synthetic Aperture Radar, 简称 InSAR)测量技术是利用一条短 基线（从几米到大约一公里）通过相邻航线上观测的 同一地区的两幅 SAR 影像的相位差来获取高程数
据。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（即数 字高程模型，DEM）的精度在 1~20 米的范围内[2]。
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，并利用 RADARSAT 的 L 波段 测量美国加利福尼亚州东南部的英佩瑞尔河谷 （Imperial Valley）灌溉区的地表形变。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(Fujwara 等，1998； Massonnet 等，1997；Nakagawa 等，1997)。
表形变（成像几何示意图如图 3）。当基线 B = 0 时， 路程差δ 变化λ / 2 ，干涉图中的亮条纹和暗条纹变 化一次。当 B ≠ 0 时，δ 就随目标高程变化而变化， 干涉图中的条纹代表地形高度。所以，为了消除地形 影响和求出地表形变，则需要对同一目标进行三次测 绘。用跨越不同时间的三幅雷达复数图像分别形成两 张干涉图（如图 4 中，φ 2 含地表形变与地形两种干涉； φ 1 只含地形干涉），经过各种数据处理后，再让两张 干涉图像进行差分处理，形成一张抵消地形影响的“双 差分干涉图”，这时条纹就代表监测期间地表形变。（处 理流程如图 4）
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造变化、监测由于地下资源开采引起的地表形变（如 德国、澳大利亚、美国等应用 D-InSAR 监测矿区地表 形变研究、我国香港监测地下水开采对地表的影响）、 研究地表植被变化以及采集地质参数等。
综合而言，合成孔径雷达的应用现状具有以下特 点：⑴合成孔径雷达的应用是在干涉技术和差分技术 产生以后，逐步开展起来的；⑵所有的应用都以利用 干涉原理反演数字高程模型（DEM）为基础；⑶随着 SAR 图像分辨率的提高和数据处理理论的完善，合成 孔径雷达的应用领域不断扩大，特别为监测地面沉降、 山体滑坡等引起的细微持续的地表位移提供了机遇； ⑷合成孔径雷达的应用主要集中少数发达国家，我国 在这方面还处于研究阶段（如提高 DEM 反演精度）， 应用方面基本上为空缺。 2.2 应用 D-InSAR 监测矿区地表形变意义
而我国作为一个矿产资源开采大国，矿产资源开 产造成大量由于地表形变的废弃土地，威胁着其他环 境和财产的安全。虽然从 20 世纪 90 年代末起，我国 部分学者和科研人员进行合成孔径雷达（SAR）技术 方面的研究，也应用合成孔径雷达干涉技术生成数字 高程模型（DEM）和其在地层变化监测中的应用（肖 平等，1998；丁晓利等，2000）。但是，他们取得了一 定的成绩的研究范围主要集中在自然地层变化或地下 水开采对地表形变的影响，这种地表形变与矿产资源 开采引起的沉降原理不同（地下水开采地表形变一般 是较大区域较慢的平稳沉降；而矿产资源开采一般在 相对较小的工作面上方形成塌陷盆地，促使较大区域 内地表形式变化复杂）。
所以，根据干涉合成孔径雷达反演地表形态原理 和两张 SAR 图像具有较短基线的特点，可以得到影响 高程的相位敏感的表达式为：
∂ ∆φ ≅ 4πB ⊥ ∂h λ R sin θ 可以近似得到 h = λ R sin θ φ ，即得到地面高程。
4πB ⊥
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3.3 雷达差分干涉测量技术的基本原理 差分干涉合成孔径雷达技术主要可以用于监测地
随着不同分辨率的 SAR 数据获得和差分干涉合 成孔径雷达理论的完善，合成孔径雷达将从实验阶段 走向应用阶段，并且会扩大到许多领域。 ２ 合成孔径雷达的应用现状及其在矿区地表形变监测 中应用意义 2.1 合成孔径雷达的应用现状
合成孔径雷达技术从 20 世纪 50 年代产生到 20 世纪 90 年代初主要处于实验研究阶段，20 世纪 90 年 代以后开始进行局部应用，如利用 InSAR 和 D-InSAR 测绘地表图形(如美国应用 InSAR 测绘山区地形图)和 海洋表面图（如利用测高原理测量海平面变化）、以 cm 级或 mm 级的精度监测地表位移和制图（特别适 合监测地震和火山爆发）、检测冰川漂移、观测地壳构
的关键因素。覆盖同一区域的合成孔径雷达图像相位 信号相关性很低，干涉图像质量就很差，甚至处理失 败。目前，提高相位相关性的方法主要有选择合理的 时间间隔、基线长度以及进行滤波处理。所以，选择 合理的合成孔径雷达数据对整个监测过程十分重要。
φ = φs + φ p
φp
=
4π λ
R

其中： R 为射程， λ 为微波波长。
图 1 合成孔径雷达几何特征
3.2 雷达干涉技术的基本原理 合成孔径雷达干涉技术就是用不同轨道的 SAR
图像，采用立体仪原理重建地面模型。在处理过程中， 合成孔径雷达干涉技术主要是利用 SAR 信号的相位 测量微波的精确立体视差，精度可以达到千分之几的 单元格。则相位差可根据干涉合成孔径雷达结构（如
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应用合成孔径雷达干涉技术监测矿区地表形变
赵华
（中国矿业大学国土资源研究所，江苏 徐州 221008）
［摘要］ 由于雷达具有全天候和穿透性等特点，促使干涉合成孔径雷达和差分干涉合成孔径雷达测量技术成为当前研 究的热点。本文介绍 ＳＡＲ 系统的几何特征及其干涉原理，着重探讨差分干涉雷达技术在矿区地表形变监测中的应用。 [关键词］ 干涉合成孔径雷达; 地表形变; 监测 [中图分类号]P258 [文献标识码] A [文章编号]1001-8379(2003)03-0099-05
矿产资源的地下引起地表形变，这种沉降有时达 到每年几个分米（dm）[7]，极大的破坏了土地资源和 矿区环境。为了最大限度不影响土地资源的有效利用 和控制环境过度影响，需要建立更加详细的矿区地表 形变的预测系统。近几年，世界上一些发达国家（如 德国、澳大利亚、美国等）开展应用部分现代测绘技 术（机载激光扫描（Airborne Laser Scanning，ALS） 和合成孔径雷达干涉技术（ D-InSAR））进行矿区地表 形变的研究，取得了一定的成果（Spreckels 等，2000； Jamie Hansen 等，2000；Linlin Ge 等，2001）。并且， 为了更好的提高矿区地表形变的精度，提出了综合干 涉合成孔径雷达（InSAR）和全球定位系统（GPS） 的监测矿区地表形变的方法[8]（Linlin Ge 等，2001）。 由此可见：应用 SAR 技术进行矿区地表形变监测已经 取得了一定的成果，并且是今后矿区地表形变监测发 展的趋势。