利用D_InSAR技術(shù)對淮南礦區(qū)地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測

李少朋 高良敏

摘 要：煤炭的大規(guī)模開采和利用為我國各行各業(yè)帶來了巨大利益的同時(shí)，在一定程度上也給礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和人們的生產(chǎn)生活帶來了損害。經(jīng)濟(jì)有效的對采煤塌陷區(qū)的地面沉降進(jìn)行精確有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測是目前研究的一個(gè)熱門問題。本文利用D_InSAR這種新興的空間對地觀測技術(shù)應(yīng)用在淮南礦區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。文章中選用2006年11月到2007年3月五個(gè)月份的淮南礦區(qū)ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用Doris做出的差分干涉圖和沉降圖在GIS上疊加的結(jié)果。結(jié)果表明淮南的沉降范圍和沉降量隨著采煤活動(dòng)的繼續(xù)存在不同程度的增加，與實(shí)際情況相符合，說明D_InSAR技術(shù)可以對淮南礦區(qū)地表緩慢形變進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：淮南礦區(qū)；D_InSAR；地表緩慢形變；動(dòng)態(tài)監(jiān)測

1 選題背景及研究意義

我國的煤炭資源占整個(gè)能源資源85%，是我國重要的基礎(chǔ)能源之一。煤炭的大規(guī)模開采和利用為我國各行各業(yè)帶來了巨大利益的同時(shí)，在一定程度上也給礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和人們的生產(chǎn)生活帶來了損害[1，2]。本文的研究區(qū)域是淮南礦區(qū)，作為華東地區(qū)乃至全國的重要煤炭開采基地，淮南礦區(qū)面積達(dá)到了2500多平方公里。預(yù)計(jì)到2030年淮南礦區(qū)沉陷面積達(dá)200平方公里以上。目前，我國煤礦區(qū)地面沉降監(jiān)測的技術(shù)主要是大地水準(zhǔn)測量、GPS測量和全站儀測量。由于大面積、高強(qiáng)度、重復(fù)開采導(dǎo)致的地表重復(fù)疊加沉陷，應(yīng)用常規(guī)的地表沉陷監(jiān)測手段難以有效地反映淮南煤礦開采引起的地面沉陷特征。如何經(jīng)濟(jì)有效地動(dòng)態(tài)監(jiān)測淮南礦區(qū)的地面沉降是煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理亟待解決的重要問題。

本文利用D_InSAR技術(shù)對淮南礦區(qū)地表沉降形變進(jìn)行監(jiān)測。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量（D_InSAR，Diferential Interferometric Synthetic Aperture Radar）技術(shù)作為新興的空間對地觀測技術(shù)，具有全天候、全天時(shí)、高分辨率、低成本、快速準(zhǔn)確以及大尺度連續(xù)覆蓋的能力[3，4]。它可以對地表形變進(jìn)行長期監(jiān)測，這使得D_InSAR將成為未來對煤礦區(qū)地面沉降監(jiān)測極具潛力的空間對地觀測技術(shù)。

2 D_InSAR在淮南礦區(qū)的應(yīng)用

2.1 SAR影像基本信息

本文采用的是歐空局提供的Envisat衛(wèi)星C波段數(shù)據(jù)。波長是5.6cm，極化方式是VV極化，共41景SAR圖像。根據(jù)兩兩生成相干圖質(zhì)量的好壞，選出了3對可作為研究的對象，分別是三個(gè)時(shí)間段的圖像2006.11.4-2006.12.9；2006.12.9-2007.2.17；2007.2.17 -2007.3.24。

2.2 干涉對2006.11.4-2006.12.9結(jié)果分析

這組干涉對中主影像2006.12.9與輔影像2006.11.4的時(shí)間基線為35天，垂直基線為773米。用DORIS軟件進(jìn)行干涉處理得到差分干涉圖。如圖所示：

從圖中可以看到研究區(qū)域存在明顯的干涉條文變化，這表明研究區(qū)域在這個(gè)一個(gè)月內(nèi)存在不同的地面沉降形變。

做出沉降圖，在ARCGIS中與實(shí)測采煤塌陷區(qū)圖疊加，從圖中可以更直觀地進(jìn)行分析。如圖所示：

從圖中分析可得到知，研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)沉降中心，初步驗(yàn)證了差分干涉結(jié)果關(guān)于沉降位置的正確性。潘集、張集塌陷活動(dòng)最為嚴(yán)重，有大片的塌陷。通過計(jì)算可得到研究區(qū)域在這35天內(nèi)沉降面積及最大沉降量。

從表中可知謝橋礦等四個(gè)礦區(qū)在這35天內(nèi)的沉降速率分別為：1.86mm/天、2.09mm/天、1.80mm/天、2.00mm/天。謝橋礦與潘集礦的塌陷面積遠(yuǎn)高于顧橋礦，可能是在此次研究時(shí)間段內(nèi)謝橋礦與潘集礦地下采煤活動(dòng)劇烈原因造成的。

3.3 干涉對2006.12.9-2007.2.17結(jié)果分析

這組干涉對中主影像2007.2.17和輔影像2006.12.9的時(shí)間基線為70天，垂直基線為269米。進(jìn)行差分干涉處理，得到這兩個(gè)月的淮南礦區(qū)差分干涉圖。如圖所示：

將差分干涉圖經(jīng)過相位解纏、地理編碼等處理，得到正視方向的沉降圖。在ARCGIS中與實(shí)測采煤塌陷區(qū)圖疊加，如圖所示：

由圖可知，在這兩個(gè)月期間研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了大面積塌陷。塌陷范圍比上一個(gè)月擴(kuò)大了很多，出現(xiàn)的沉降中心也比上個(gè)月多，沉降量增加。列表統(tǒng)計(jì)：

從表中可知謝橋礦等四個(gè)礦區(qū)在這70天內(nèi)的沉降速率分別為：3.93mm/天、2.57mm/天、2.67mm/天、3.43mm/天。由此可推斷，在這70天內(nèi)，地下采煤活動(dòng)的加劇，研究區(qū)域內(nèi)的塌陷面積和沉降量都在增大。

3.4 干涉對2007.2.17-2007.3.24結(jié)果分析

這組干涉對的時(shí)間基線為35天，垂直基線為63米。處理得到的差分干涉圖，如圖所示：

將差分干涉圖經(jīng)過相位解纏、地理編碼等處理，得到正視方向的沉降圖。在ARCGIS中與實(shí)測采煤塌陷區(qū)圖疊加，如圖所示：

與之前的結(jié)果相比較，研究區(qū)域內(nèi)的塌陷位置沒有發(fā)生變化，沉降范圍擴(kuò)大了，但是沉降量大大減少。根據(jù)圖得出的數(shù)據(jù)列表：

4 結(jié)論

本文是以淮南礦區(qū)作為研究區(qū)域，利用ENVISAT衛(wèi)星所拍攝的C波段SAR圖像進(jìn)行二軌法差分干涉處理。得到了2006年11月份到2007年3月份這五個(gè)月的差分干涉圖、沉降形變圖及沉降圖與實(shí)測的礦區(qū)沉陷圖的疊加圖。通過分析最終結(jié)果，確定了研究區(qū)域內(nèi)的沉降位置、沉降范圍、最大沉降量、研究時(shí)間段內(nèi)的沉降速率。這些結(jié)果通過與實(shí)測的礦區(qū)采煤沉陷圖進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)二者具有很好的一致性，這驗(yàn)證了差分干涉結(jié)果的準(zhǔn)確性，說明D_InSAR差分干涉測量技術(shù)可以應(yīng)用于淮南礦區(qū)地表的長時(shí)間緩慢形變的監(jiān)測。

[參考文獻(xiàn)]

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