InSAR 監(jiān)測技術(shù)在鷹手營子礦區(qū)穩(wěn)定性分析中的應用

張成兵 張 鵬 趙激光

(1.河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊，河北滄州 061000;2.石家莊經(jīng)濟學院，河北石家莊 050031)

0 引言

河北省承德市鷹手營子礦區(qū)是一個在20世紀50年代末興起的工礦區(qū)，自1957年開始大規(guī)模開采地下煤炭資源，并下轄四個煤礦，即營子礦一采區(qū)、營子礦二采區(qū)、馬圈子礦和汪莊礦。在為國民經(jīng)濟發(fā)展作出巨大貢獻的同時，也造成了礦區(qū)地表大面積沉降與塌陷，其直接后果是地面建筑物、道路、河流、土地、水源等遭受到不同程度的損壞，特別是民宅、學校、醫(yī)院和水源受損嚴重，對人民群眾的生產(chǎn)、生活構(gòu)成威脅，嚴重地影響了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，承德市鷹手營子礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理已迫在眉睫［1］。

為了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，政府每年都對地面沉降進行監(jiān)測，以便及時采取必要的防治措施。在眾多的監(jiān)測項目中，InSAR技術(shù)越來越被受到重視，該技術(shù)可以大面積的采樣、測量時間短，同時成本也很低［2］。在垂直變形監(jiān)測中InSAR技術(shù)的優(yōu)點是顯而易見的［3］，而且有監(jiān)測成功的例子［4］。本文圍繞鷹手營子礦區(qū)采礦塌陷狀況，利用差分InSAR技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)煤礦開采沉陷的基本狀況，選擇RADARSAT-2和8 m分辨率雷達數(shù)據(jù)開展地表形變信息提取，研究礦區(qū)近期地面塌陷區(qū)的分布范圍和變化特點，為地質(zhì)環(huán)境評價提供基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)獲取

表1 RADARSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基本特性

1.1 InSAR工作方法的選用

礦區(qū)地處冀北山地，屬燕山山脈沉降帶的過渡地帶，地勢西北高，東南低。境內(nèi)山巒起伏，地形地貌復雜，山地多，平地少。最低海拔為460 m，最高為930 m，地勢相差470 m。按照河北省地貌劃分體系，礦區(qū)地跨侵蝕構(gòu)造山地區(qū)中的剝蝕構(gòu)造低山亞區(qū)和斷陷盆地及河谷平原亞區(qū)。按地層巖性及地貌成因，又細分為以碳酸鹽巖為主的低山小區(qū)、以火成巖為主的低山小區(qū)、以碎屑巖為主的低山小區(qū)、河谷平地小區(qū)［1］。

根據(jù)該礦區(qū)的位置和周邊地形條件，選擇利用較大入射角的高分辨率雷達數(shù)據(jù)進行差分干涉處理，提取一定時間間隔的地面變形信息。利用常規(guī)D-InSAR(差分干涉測量)將一定時間間隔內(nèi)的兩景雷達數(shù)據(jù)進行干涉處理，得到該段時間內(nèi)沉降狀況。對于沉陷快速的地區(qū)，效果很明顯，干涉條紋的密度反映了沉降量的大小。而且所需要的數(shù)據(jù)量少，適合研究沉降大小。

1.2 InSAR工作原理與數(shù)據(jù)

“二軌”差分InSAR方法是利用試驗區(qū)地表變化前后的兩幅SAR圖像生成干涉條紋圖，再利用事先獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位的條紋圖，從干涉條紋圖中去除地形信息，從而得到求解的地表形變信息。

地表形變公式表示為式(1):

式中:φdisp——試驗區(qū)地表變化前后的兩幅SAR圖像生成的干涉相位;

φsim——DEM數(shù)據(jù)的模擬地形相位;

ΔR——所要求解的地表形變信息。

本工作擬采用的雷達數(shù)據(jù)為RADARSAT-2衛(wèi)星獲取的精細模式下8 m分辨率雷達數(shù)據(jù)，其覆蓋能力為50 km×50 km，滿足礦區(qū)地表形變調(diào)查與監(jiān)測應用。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基本特性如表1所示。

RADARSAT-2可以提供11種波束模式，4種極化模式的雷達數(shù)據(jù)，它們的入射角在20°～60°之間變動，標稱分辨率有1 m，3 m，8 m，25 m，30 m，50 m，100 m，每景影像的分辨率不同，入射角度可調(diào)，地面覆蓋范圍不盡相同(見表1)。基于RADARSAT-2這些基本特性，使得應用RADARSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作大中比例尺的地形圖、進行地物目標識別及分類、地質(zhì)災害監(jiān)測預警等方面更加靈活、便捷。

2 監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，符合該礦區(qū)的精細模式8 m雷達數(shù)據(jù)如圖1所示，礦區(qū)位于整幅雷達數(shù)據(jù)的中間位置，滿足監(jiān)測需要。總的時間范圍為1個月，礦區(qū)內(nèi)共完成解譯面積148 km2。監(jiān)測結(jié)果表明，礦區(qū)內(nèi)汪家莊鎮(zhèn)以南、以西區(qū)域即矸石山堆積區(qū)，地面沉降速率較快，累計沉降量在10 mm～20 mm間;汪家莊鎮(zhèn)東北即擬建主廠區(qū)一帶，地面沉降速率相對較小，累計沉降量小于10 mm，這與礦區(qū)的開采現(xiàn)狀相吻合。根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》中采空區(qū)穩(wěn)定性等級評價標準(見表2)，對礦區(qū)進行穩(wěn)定性評價得到，汪家莊鎮(zhèn)以南、以西區(qū)域為欠穩(wěn)定區(qū)，汪家莊鎮(zhèn)東北即擬建主廠區(qū)一帶為基本穩(wěn)定區(qū)。

表2 按地表沉降觀測確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級評價標準

圖1 地面沉降InSAR監(jiān)測成果圖

3 結(jié)語

通過InSAR技術(shù)的雷達數(shù)據(jù)監(jiān)測資料，對礦區(qū)地表沉降進行了分析，結(jié)果表明，汪家莊鎮(zhèn)以南、以西區(qū)域為欠穩(wěn)定區(qū)，汪家莊鎮(zhèn)東北即擬建主廠區(qū)一帶為基本穩(wěn)定區(qū)，與調(diào)查結(jié)果基本一致。

［1］ 河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊.河北省承德市鷹手營子礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程勘查報告［R］.滄州:河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊，2011.

［2］ 何慶成，方志雷，李志明.InSAR技術(shù)及其在滄州地面沉降監(jiān)測中的應用［J］.地學前緣，2006，13(1):179-184.

［3］ 路 旭，匡紹君，賈有良.用INSAR作地面沉降監(jiān)測的試驗研究［J］.大地測量與地球動力學，2002，22(4):66-70.

［4］ Zebker HA，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the derivation of co-seismic displacement fields using differential radar interferometry the Landers earthquake［J］.JGR，1994，99A(1):1-26.

［5］ 中華人民共和國交通部.采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則［S］.