摘要
露天矿山地质灾害监测是一项复杂、系统性的工作，仅靠单一监测方法难以获取准确的监测结果。为了克服露天矿山地质灾害监测方法单一、监测结果缺乏印证等问题，本文通过星载和地基 InSAR 联合监测模式，研究适用于露天矿山多尺度形变监测的方法。研究表明：（1）星载和地基InSAR技术可对露天矿山地质灾害进行面域和近实时形变监测；（2）采用二者联合的露天矿山地质灾害监测方法，可获取边坡本体及周边、历史与现状、定性与定量的多维度分析结果，提高监测准确度；（3）本文总结的露天矿山地质灾害监测方法在实际中得到成功应用，为露天矿山地质灾害监测提供了可靠结果，可在类似工程中推广。
Abstract
The monitoring of geological hazards in open-pit mines is a complex and systematic task, and it is difficult to obtain accurate monitoring results by relying only on a single monitoring and analysis method. In order to overcome the problems of single method of geological hazards in open pit mines and the lack of validation of the monitoring results, this paper aims to study the method applicable to multi-scale deformation monitoring of open pit mines through the joint monitoring mode of satellite-mounted InSAR and ground-based InSAR. The results are as follows: (1) Satellite-based and ground-based InSAR technologies can perform areal and near real-time deformation monitoring of geological disasters in open-pit mines. (2) Multi-dimensional analysis results of the slopes and regional deformation, and their historical and current situation can be qualitatively and quantitatively obtain by adopting the method which integrates satellite-based and ground-based InSAR technologies of monitoring geological hazards in open-pit mines, which improve the accuracy of monitoring geological hazards. (3) The method of monitoring geological hazards in open pit mines su mmarized in this paper has been successfully applied in actual projects, providing reliable results for monitoring geological hazards in open pit mines, which can be promoted in similar projects.
0 引言
中国已有 200 多年大型露天矿山开采的历史，露天开采是中国矿业领域主要生产方式之一，露天开采相较于地下开采成本较低（周可鹏和陈旺旺， 2024）。矿产资源的开发与利用为国民经济发展提供了资源保障。矿产资源开采带来经济和社会发展的同时，也引发了严峻的地质灾害和环境问题，造成巨大损失。随着中国露天矿产资源的持续性开发活动，高陡边坡的数量呈现不断攀升趋势，由此引发的边坡稳定性问题及其导致的滑坡灾害事件日趋严峻（温经林等，2024）。露天矿山地质灾害种类繁多、危害性强，如滑坡、崩塌等突发性地质灾害以及地面塌陷、沉降、地裂缝等缓变型地质灾害。为贯彻落实生态文明战略，实现“绿水青山就是金山银山”的战略目标，对露天矿山滑坡等地质灾害监测与治理成为亟待解决的问题。
形变监测对于各类地质灾害监测十分重要。近年来，国内外业界学者对露天矿山边坡稳定性监测技术进行了大量研究。地质灾害形变监测正逐渐从传统的点式监测（如 GNSS 监测、全站仪、位移计等）向面式（以 SAR 干涉测量技术为代表）、体式 （多源数据融合三维信息）监测发展。但每种监测方法均有其固有的局限性（刘善军等，2020）。由于大型露天矿山一般具有边坡高陡、形变复杂、隐蔽，且影响因素多等特点，仅仅依靠单一的监测手段难以满足对地质灾害全面、连续监测的实际要求。构建多平台、多手段联合的多源数据协同监测技术体系，实现优势互补、提高监测精度和效率，是大型露天矿山地质灾害智能监测的实用新技术及综合防灾减灾的有效途径。
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是 20世纪 60年代末发展起来的一种侧视成像的主动式微波遥感技术。合成孔径雷达干涉测量（Inter‐ ferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）因其高精度、高分辨率、全天候等优点已成为常用的大地测量技术之一（许文斌，2011；李海铭，2013；邱志伟等，2014；朱建军等，2017，2022；Zhao et al.，2021；许文斌等，2023）。InSAR技术与常规的形变监测技术相比，具有不受气候条件影响、全天时、全天候监测、空间分辨率高、测量精度高、非接触、毫米级精度、监测范围广等优势，同时监测成本低，经济效益明显。InSAR技术能有效地监测地质灾害发生前微小的形变。运用时序InSAR技术进行地质灾害“面” 式监测，对地质灾害隐患开展早期识别和全面普查，实现研究区形变范围的定位，圈定及后续监测重点靶区具有广泛的应用。
InSAR 系统有星载、机载和地基 3 种形式。星载或机载 InSAR 技术可实现全天时、全天候的对地观测，具有远距离、高分辨率成像的工作能力，可实现全天候、实时、大面积、高精度地表 LOS（Line of Sight）向形变监测（邱志伟等，2015）。
地基 InSAR（Ground-Based InSAR.GB-InSAR） 技术是基于地面布设，微波主动成像方式获取地表形变的一种高级微波干涉、远程监控的高精度微形变雷达监测技术，集成了步进频率连续波（Step Fre‐ quency Continuous Wave，SFCW）技术、合成孔径雷达技术等（刘斌等，2018；刘懿俊，2019；汪金霞等， 2019；李兵权，2020；王军飞，2020；于淼等，2021；虎小强等，2023；武丽梅等，2023）。GB-InSAR 克服了星载InSAR影像时空失相干严重和时空分辨率低的缺点，可实时获取空间分辨率更高的数据，是星载 InSAR 的有效补充（张宗申等，2013；甘俊，2021）。 GB-InSAR安置灵活方便、可任意设置观测角度（周志伟等，2022），具有全天时、全天候、定点、短周期、长时序的监测能力，可在安全距离内获取被监测区域亚毫米精度的形变信息，是常规监测手段的有效补充（朱庆辉，2018），为近距离遥感监测边坡形变、开展滑坡等地质灾害预警预报工作提供了先进的技术手段，为准确定位滑体位置、圈定滑体规模、分析判断滑坡风险及预测滑坡时间提供了丰富的数据源，广泛应用在大型工程、地质灾害监测等众多领域（李浩，2024）。
InSAR 技术是获取微小形变的有效手段，已应用在大坝、桥梁、边坡工程等方面的变形监测工作中（邱志伟等，2015）。与传统的形变观测方法相比，InSAR具有精度高、实时监控、全天时、全天候等技术优势，是一种极具潜力的监测新技术。
本文以辽宁省阜新市某露天矿山为研究区，对露天矿山滑坡、矸石山稳定性、地裂缝等地质灾害监测进行研究。利用星载 InSAR 获取大范围的、历史回溯性的地表形变信息；利用地基 InSAR 获取实时、连续的、亚毫米级的地表形变信息，二者互补监测，再结合研究区地质资料和高时空分辨率光学数据进行地质灾害综合评估。
1 研究思路与方法
露天矿山滑坡地质灾害监测工作是一项科学的、动态的、复杂的工作。为实现快速、高效的露天矿山地质灾害监测与评估，通过遥感技术以及地面调查综合技术的应用，对研究区地质灾害进行监测研究。
首先利用星载InSAR对研究区全范围通过2次或多次干涉测量获取地表相位信息，去除干涉相位中的地形相位等，实现矿区形变范围的定位，大规模获取地表在观测时间间隔内的形变信息，找到潜在的形变聚集区；再利用无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）获取的高分辨率光学遥感影像、地质资料等分析形变聚集区地形、地质结构及地层岩性情况，判断其地质灾害发育的基本条件，分析潜在滑移产生的威胁区及其影响。通过现场核查，对确认的重点隐患区利用地基SAR实时监测，将监测结果与星载 InSAR 数据进行相关性分析，开展时间序列形变监测研究，并进行研究区沉陷规律分析。根据多源数据监测结果，联合地质资料进行研究区内地质灾害综合评估。
图1研究区主要地质灾害类型示例
a—地面塌陷；b—滑坡；c—崩塌；d—地裂缝
2 研究区概况
研究区位于辽宁省阜新市某露天煤矿矿山，面积约 20 km2。研究区内遍布地面塌陷、滑坡、崩塌、地裂缝（图1）等地质灾害。经实地踏勘，研究区地质环境条件复杂；高耸的矸石山和低洼的采坑构成了研究区独特的地形地貌，地形起伏，高差大，采坑最低海拔约 100 m，矸石山最高海拔约 300 m，矸石山边坡和采坑边坡坡角以大于 25°为主。研究区内植被稀疏。地质背景、地质构造、地层岩性、水文地质条件复杂程度为中等；岩土工程地质性质及研究区内人类活动对地质环境的影响程度为复杂。
3 研究内容
3.1 星载InSAR技术滑坡地质灾害监测
形变是灾害发生前的重要表征，边坡滑移、坍塌等灾害发生前往往有明显形变加速现象。若能全面精细地监测研究区高精度、高时空分辨率形变，则可为研究区潜在地质灾害隐患识别提供科学、直观的基础数据。
利用高分辨率星载InSAR发现地表形变和潜在的地质灾害特征，普查研究区形变情况。InSAR 技术流程主要包含：影像高精度配准；干涉图生成与滤波；地形相位差分；干涉基线精确估计；相位解缠以及形变相位转换等。
本文利用InSAR技术对研究区20 km2 区域进行了地表变形监测。采用 92 景哨兵 1 号 A 星（Senti‐ nel-1A）SAR影像（表1），影像跨度自2019年2月16 日—2021 年 6 月 29 日，历时 864 d。对覆盖研究区域进行了长时序 InSAR 监测，实践表明 InSAR 技术能够有效地监测研究区域时序形变演化特征。重点区域存在明显变形，垂向最大形变达到了 50 mm，径向最大形变达到了 0.60 mm。部分区域出现了极不稳定的变形现象；对部分单点分析表明，部分区域地表形变在时间上出现了线性、加速、再线性等系列趋势，表明该区域地表极为不稳定，需对形变灾害风险重点关注与防控。结合等值线图分析稳定性特征，根据形变速率数值确定了区域主要形变位置、形变速率大小、形变范围等，为后续地质灾害预防与治理工作提供了参考依据。
通过干涉点目标分析（Interferometric Point Tar‐ get Analysis，IPTA）方法，处理流程主要有：输入数据、生成点列表、SLC（单视复数数据single look com‐ plex）点数据差分处理、干涉点分析、模型优化、迭代处理、后处理和结果显示。对研究区某矸石山 LOS 向形变进行监测，图2为监测点位时序变形值示例。
表1InSAR形变监测数据集情况
图2研究区某矸石山LOS向形变监测（a）及点位时序形变值（b）
图3研究区某矸石山二维形变（径向和垂向）监测（降轨）及点位时序形变值示例
a—监测（降轨）；b—B1点位时序形变值；c—B2点位时序形变值示例
对研究区某矸石山二维形变进行监测，图3为监测点位时序变形值示例。B1 点径向形变可达 25 mm；2021年5月后，径向形变有明显的加速趋势；B1 点垂向形变最大可达14 mm；2021年1月后，该点垂向形变主要呈现出线性趋势。B2 点径向形变可达 15 mm，垂向形变可达 9 mm；2021 年 6 月后，该点垂向、径向形变呈现出明显的加速现象。经实地调查核实，该边坡在 2021 年 5—6 月期间未出现明显人工活动，需警惕该突然加速趋势造成的滑坡隐患。
图4研究区某采坑二维形变（径向和垂向）监测（升轨）及点位时序形变值示例
a—监测（降轨）；b—C1点位时序形变值；c—C2点位时序形变值示例
对研究区某采坑二维形变进行监测，图4为监测点位时序变形值示例。C1 点径向和垂向最大累积形变分别达到3.8 mm和16 mm；2021年2月后，该点径向、垂向形变均有明显加速现象。C2点径向和垂向最大累积形变分别达到 12 mm 和 24 mm；2021 年 4 月后，该点垂向、径向形变均有明显加速现象。该地区主要以不均匀垂直沉降为主。
图5研究区某区域LOS向形变监测（a）及点位时序形变值（b）
对研究区某规划建设区域进行 LOS 向形变监测，图5为某监测点位时序变形值示例。该区域 2019年2月—2021年6月期间LOS向累积形变达到 130 mm。该区域历史形变演化过程中出现了2次明显的加速现象，分别位于2019年10月、2020年10月 （经实地调查核实，2020年 11月该区域发生滑坡）。 2020年11月之后，该地区仍有明显加速变形迹象。
利用高分辨率光学遥感影像、地质资料等分析星载 InSAR 普查出的形变聚集区地形、地质结构及地层岩性情况，通过现场核查，对确认的重点隐患区利用地基SAR实时监测。
3.2 地基InSAR地质灾害实时监测
鉴于边坡滑坡等地质灾害具有突发性，如急加速至垮塌可能仅持续几分钟到数小时），而星载和机载 InSAR 受重返周期的限制（通常为数天甚至数十天），难以提供重点边坡的高时间分辨率（如近实时）形变资料，无法实现地质灾害精确预警。GB-InSAR在高空间分辨率与高时间分辨率、实时、应急性监测中具有明显优势，作为星载 InSAR 的一种补充，弥补了星载 InSAR 重访周期久，空间分辨率低，成像几何受限的缺点。地基 InSAR 虽然与星载 In‐ SAR 在成像几何和观测平台方面不同，但其干涉测量原理相同，即利用发生形变后所产生的相位差进行解算。因测站布设及观测模式不同，数据处理存在一定差异。
GB-InSAR 是在固定位置进行连续监测，可获得具有零空间基线的SLC数据，其差分干涉相位ϕdiff 为：
(1)
式（1）中，δr为沿视线方向的形变量，ϕatm为大气相位误差，ϕnoise为噪声引起的相位误差。在此基础上，按星载永久散射体InSAR的解算方法，通过生成干涉条纹图、滤波、相位解缠、大气去除，获取监测区域的形变速率与累积形变量。
本文在重点监测区域采坑内南北边坡各布设一台直线扫描微变监测雷达系统，该地基雷达系统由轨道分系统、雷达收发分系统、总控分系统、配电分系统、微波天线组成。采集间隔为1～5 min，像素优于 0.2 m×4.5 mrad，实现全天时、全天候、优于 5 km 范围内全面覆盖、优于0.1 mm级位移监测精度的实时自动化监测位移、速度及形变加速度预警信息。监测结果显示，该采坑从2021年1月—12月累计形变量最大值达93.31 mm，平均值为79.17 mm（图6为实时监测预警系统示意图）。
图6研究区InSAR实时监测预警系统示意图
3.3 星载InSAR与地基InSAR监测结果分析
通过星载InSAR技术监测到研究区存在多处形变，将某采坑作为重点隐患区域采用地基 InSAR 技术进行形变监测研究。监测结果显示，该采坑累计形变量最大值达 93.31 mm，平均值为 79.17 mm，该采坑边坡在监测时间段内存在加速形变。该形变的空间分布与变化特征均被星载和地基InSAR同时反映出来，可见星载和地基 InSAR 联合观测可互为补充，相互验证，对露天矿山地质灾害形变监测具有实践意义。利用多源数据时间协同、空间协同的形变监测特征，结合地质资料、岩性资料、开采工艺、开采时间、地下探测数据、环境等信息进行分析，追溯历史、掌握现状，进行边坡稳定性分析与预测，为研究区地质灾害监测提供变化趋势、风险推演等预警参考和技术支撑。
应用“由面及点”“点—线—面”逐级延伸的形变监测思路，从局部到整体对边坡的形变特征和规律进行分析。
（1）监测点形变分析。绘制形变曲线图，包括单分量时间—位移曲线图、时间—水平位移曲线图、沉降等值线图、水平位移矢量图、三维位移矢量图、水平位移矢量—沉降等值线图等，用图形化表示方法表达监测点的形变过程、趋势和特征。
（2）监测线形变分析。在点分析的基础上，对边坡测线进行分析。通过对测线上多个测点的形变特征和规律进行分析，计算测线上监测点形变量的相关性，并对监测点进行聚类从多个层面剖析测线的形变特征和规律。
（3）监测区域（面）分析。对监测点进行空间划分，通过形变量大小和方向对边坡形变分级表示，从整体上把握边坡的形变特征和规律。
4 结论
本文通过星载和地基InSAR联合的模式对研究区露天矿山地质灾害进行不同尺度监测，发挥不同平台 InSAR 技术各自的优势，获取更全面的地表形变信息。采用 2019 年 2 月 16 日—2021 年 6 月 29 日的Sentinel-1影像进行星载InSAR分析，识别出研究区某采坑在监测期间累计形变量约为80 mm。采用地基InSAR技术对此采坑进行形变监测该采坑累计形变量最大值达 93.31 mm，平均值为 79.17 mm，通过结果比较，验证了星载和地基 InSAR 监测的可靠性。联合星载和地基InSAR技术是有效地获取高空间分辨率三维变形信息的技术手段之一，对露天矿山地质灾害监测和防灾减灾具有理论意义和实用价值。
致谢 本文写作过程中，中南大学杨泽发教授给予了大量帮助和指导，两位审稿专家和编辑提出了宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。