摘要
煤炭作为我国的主体能源，其持续开采在推动国民经济快速发展的基础上，也带来了长久的生态环境破坏和各类次生地质灾害问题。加强煤矿开采沉陷实时动态监测，掌握地表破坏程度和沉降规律，对国土利用规划、生态环境修复以及地质灾害预测预警和治理意义重大。合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术以传统大地测量无法比拟的低成本、非接触式、高空间分辨率、大范围的对地观测能力，在地形测绘和形变监测等领域展现了极大的发展潜力。随着星载SAR系统的发展和SAR数据的快速积累，基于InSAR发展的时序InSAR技术以其可行的误差削弱能力和毫米级的监测精度得到了广泛的应用。然而，侧重于分析永久散射体等高相干点目标的传统时序InSAR技术在矿区监测中存在测点密度低和稀疏分布的缺陷，使其无法有效获取更为精细的地表形变信息。针对于此，论文开展了融合分布式目标的时序InSAR方法（DS-InSAR）研究，对同质像元选取和相位信息优化策略进行了研究和改进，旨在提高矿区开采沉陷完整形变场的反演能力和监测精度。主要研究工作和成果如下： （1）阐述了InSAR技术形变测量的基本原理和数据处理流程，详细探讨了其包含的主要相位成分，指出了差分干涉测量技术（Differential InSAR，D-InSAR）应用的局限性。在此基础上，讨论了永久散射体（Persistent Scatterers，PS）和分布式散射体（Distributed Scatterers，DS）的统计特性和相位特征，并详细介绍了以永久散射体干涉测量技术(Persistent Scatterers InSAR，PS-InSAR)、斯坦福永久散射体技术（Stanford Method for Persistent Scatterers Algorithm，StaMPS）和小基线集干涉测量(Small Baseline Subset InSAR,SBAS)技术为代表的时序InSAR技术的基本原理，指出了其在非城区环境下监测点密度不足的局限性。 （2）提出了一种融合非参数和参数假设检验的稳健同质像元选取方法。采用蒙特卡罗方法和真实数据实验系统阐述和比较分析了当前参数和非参数同质样本选取算法的差异性和优缺点。针对置信区间假设检验（Hypothesis Test of Confidence Interval，HTCI）方法在时间序列上直接强度平均操作的非稳健性和同质像元数量相对较少的不足，引入修正的箱线图去除时间序列上的异常值，利用新样本结合Kolmogorov-Smirnov检验获取准确的参考像元时间平均值，然后采用HTCI方法进行区间估计获取最终同质点结果。真实SAR数据实验表明：该方法既保持了HTCI方法在第二类误差控制上的优势性，又提高了同质像元数目。 （3）构建了一种基于Goldstein主相位滤波和费舍尔信息矩阵加权的相位优化方法。首先，针对传统基于同质样本邻域集的复相干矩阵估计方法存在的相位信息模糊和相干性有偏估计的问题，利用基于特征值分解主相位提取的迭代Goldstein滤波处理和基于Bootstrap相干性偏差纠正方法重构精确的复相干矩阵，然后在此基础上采用费舍尔信息矩阵量化干涉相位信息的损失情况，实现自适应加权的相位信息优化。通过张双楼煤矿真实SAR数据实验定性和定量分析表明，本文方法在形变条纹连续性保持和干涉相位质量优化效果上优于传统等权优化、特征值分解和相干加权优化策略。 （4）针对常规时序InSAR技术在矿区地表中低等散射环境下形变监测存在的监测点密度不足和监测精度欠缺问题，本文基于传统的StaMPS形变解算模型结合改进的DS-InSAR技术开展了沛北矿区的形变监测分析。结果表明，本文DS-InSAR方法能比较清晰地反映矿区地表形变的时空演变特征，提供了更丰富的形变场信息和更高的监测精度，其监测点密度较StaMPS技术提高了4.2倍。监测时段共有六个煤矿出现了不同程度的沉降现象，且均呈现明显非线性变化趋势，时序最大累计沉降值超过400mm。结合井下开采信息和水准观测数据的分析表明，DS-InSAR监测结果与井下开采具有很好的一致性，符合开采沉陷的一般规律，形变探测能力明显优于StaMPS技术。
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