張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體項目技術(shù)淺析

桑秀明

摘要：本文對張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測示范項目技術(shù)進行了總結(jié)探討。

關(guān)鍵詞：煤礦區(qū)地面沉陷；雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)；國產(chǎn)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)；地面?zhèn)鞲衅鳎恍堑匾惑w監(jiān)測

1.項目的來源、目的

河北省是礦業(yè)資源大省，自然地質(zhì)災(zāi)害也頻發(fā)。河北省第二測繪院根據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害變化遙感監(jiān)測中的技術(shù)優(yōu)勢，向省國土資源廳申請立項了“張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測示范”項目。本項目的主要工作目標是：以張家口蔚縣煤礦區(qū)的崔家寨礦和單侯礦為示范區(qū)，通過高分辨率衛(wèi)星雷達遙感影像差分干涉數(shù)據(jù)處理自動提取地面沉陷變化信息、資三衛(wèi)星面向?qū)ο蟮倪b感影像變化監(jiān)測技術(shù)研究、布設(shè)用于地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)實時監(jiān)控的地面地質(zhì)環(huán)境傳感網(wǎng)、多源數(shù)據(jù)挖掘及智能算法GIS功能開發(fā)，來構(gòu)建星、地一體化的監(jiān)測示范系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和風險損失評估分析。

本項目利用雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)、國產(chǎn)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、地面?zhèn)鞲衅鳎约笆占降母鞣N專業(yè)資料，完成了蔚縣煤礦示范區(qū)域內(nèi)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像周期性監(jiān)測和地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)常態(tài)性監(jiān)測等工作，構(gòu)建了地面沉陷星地一體化的監(jiān)測技術(shù)體系。并以此來完成對采礦引起的突發(fā)性地面沉陷、地表形變、山體坍塌等有效監(jiān)測，實現(xiàn)了地面沉陷管理的感知立體化、信息可視化、控制自動化和監(jiān)管常態(tài)化，提高了地面沉陷監(jiān)管水平。在張家口市蔚縣崔家寨和單侯煤礦礦區(qū)進行應(yīng)用示范，推進星空地一體化監(jiān)測技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.完成的主要工作內(nèi)容

1）、地面沉陷衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和處理

項目使用了德國TerraSAR-X雷達衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)20景（2015年6月～2016年1月、條帶式、降軌、右視、空間分辨率3m、重訪周期11天），進行了礦區(qū)沉陷差分干涉監(jiān)測D-InSAR數(shù)據(jù)處理和分析，提取了地面沉陷位置，制作了相關(guān)沉陷監(jiān)測圖件。

項目使用了高分一號衛(wèi)星（2013年3月、7月、9月、11月）、資源1號02C衛(wèi)星（2014年2月、7月、9月、11月）、資源三號衛(wèi)星（2015年2月、3月、7月、11月）的多光譜和全色影像數(shù)據(jù)54景，進行了礦區(qū)土地利用變化檢測和生態(tài)環(huán)境地表覆蓋分類研究，建立了礦區(qū)環(huán)境承載力評價指標體系并制作了相關(guān)監(jiān)測圖件成果。

2）、地面沉陷傳感網(wǎng)的布設(shè)和監(jiān)測

在單侯礦和崔家寨礦區(qū)域80 Km2范圍內(nèi)，選擇了2處監(jiān)測區(qū)域，分別布設(shè)了傳感器網(wǎng)絡(luò)（其中單侯礦布設(shè)30點，崔家寨礦布設(shè)30點，共埋設(shè)監(jiān)測點63個，角反射器10個）；傳感器網(wǎng)絡(luò)通過太陽能供電和無線組網(wǎng)連接實時連續(xù)不間斷進行了監(jiān)測，并遠程與服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行連接和實時數(shù)據(jù)處理、預(yù)警。

3）、地面GPS及水準連續(xù)觀測

本項目對布設(shè)的監(jiān)測點（按11天的衛(wèi)星過境周期）同步進行了18次三等水準測量，每次水準測量對各傳感器進行了監(jiān)測，各次水準路線平均長度約60Km，按要求進行了平差計算，得到了各點的沉降量及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

4）、星地立體化地面沉降監(jiān)測技術(shù)和風險損失評估信息平臺的建立

采用MicroSoft SQL Sever對實驗區(qū)域基本基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)、InSAR遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、資源三號衛(wèi)星高分辨率遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫管理；使用ArcGIS Server作為GIS開發(fā)組件，采用C#、.Net等高級程序設(shè)計語言開發(fā)C/S架構(gòu)的“張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測風險損失評估信息平臺”。同時，也開發(fā)了基于Android系統(tǒng)（手機、PDA等設(shè)備）的“實時預(yù)警系統(tǒng)”，實現(xiàn)了實時進行傳感器狀態(tài)監(jiān)聽服務(wù)和預(yù)警信息的推送。

3.完成的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

3.1 地質(zhì)環(huán)境“星地”立體化監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

構(gòu)建以高分辨率衛(wèi)星遙感的周期性宏觀監(jiān)測，建立以地質(zhì)環(huán)境傳感網(wǎng)為輔助的地面常態(tài)性實時監(jiān)測的“星地”立體化監(jiān)管技術(shù)體系。建立基于高分辨率光學遙感影像、InSAR遙感影像和航空遙感影像立體建模技術(shù)的一體化監(jiān)測體系，實現(xiàn)遙感影像與地質(zhì)環(huán)境傳感器系統(tǒng)無縫集成。

3.2 基于地面沉陷傳感網(wǎng)的重點區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害持續(xù)監(jiān)測技術(shù)

在蔚縣崔家寨礦和單侯礦范圍內(nèi)的煤礦區(qū)進行重點區(qū)域的地面沉陷監(jiān)測，搭建和布設(shè)地面沉陷傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)信號和實際布置環(huán)境，傳感器可以設(shè)置不同的環(huán)網(wǎng)和密度，一般為每2500平方米布設(shè)一個，每個礦區(qū)根據(jù)重點區(qū)域面積進行布設(shè)和監(jiān)控，計劃布設(shè)63個傳感器。通過傳感器，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)測。

3.3 建立地面沉陷星地一體化監(jiān)測示范系統(tǒng)平臺

通過在蔚縣示范區(qū)的實地監(jiān)測，對示范區(qū)的自然地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)、工礦集中區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和風險損失評估的應(yīng)用示范或試驗。通過智能算法自動識別地質(zhì)災(zāi)害類型、面積、損失情況等信息，提高監(jiān)測精度。建立基于GIS的災(zāi)損信息系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)星地立體地質(zhì)災(zāi)害風險損失評估分析。

4.總結(jié)

項目以張家口蔚縣煤礦區(qū)的崔家寨礦和單侯礦為示范區(qū)，全面開展地面沉陷星地一體化監(jiān)測，深入研究地面環(huán)境傳感網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，重點開展地面沉陷變化信息自動提取技術(shù)、基于資源三號衛(wèi)星的遙感影像變化監(jiān)測技術(shù)及傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建三個方面的研究，開展了地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)實時監(jiān)控的地面地質(zhì)環(huán)境傳感網(wǎng)的布設(shè)、星地一體化的監(jiān)測示范系統(tǒng)平臺、風險損失評估平臺的研發(fā)。同時提出衛(wèi)星遙感與地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)協(xié)同監(jiān)測模式。主要是衛(wèi)星遙感提供大范圍、連續(xù)范圍、間隔觀測，地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)提供空間離散、小范圍、時間連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測需要，選擇和組合相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)與信息。并提出煤礦井工開采區(qū)星形連結(jié)的面狀傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案，在人工建（構(gòu)）筑物及地面沉降區(qū)等重點區(qū)域布設(shè)靜力水準儀、溫濕度等傳感器。在項目的實施過程中，靜力水準儀可以對點位數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，按照11天為一周期的時間間隔監(jiān)測可以看出相對沉降精度在毫米級別，并與實測水準數(shù)據(jù)進行比對，得出靜力水準儀監(jiān)測精度達到毫米級；而雷達影像可以大范圍直觀的看出區(qū)域內(nèi)沉降中心的轉(zhuǎn)移情況，從雷達影像干涉條紋圖可以看出沉降中心從麥子坡村示范區(qū)的南部開始往西北部和西南部移動，而且隨著時間的推移，崔家寨煤礦區(qū)的沉降速率加快，并且與實測水準數(shù)據(jù)進行比對，得出雷達數(shù)據(jù)監(jiān)測精度達到厘米級，滿足項目要求。

1）針對蔚縣崔家寨礦和單侯礦范圍內(nèi)的煤礦區(qū)實際情況，監(jiān)測研究區(qū)位移、形變、應(yīng)力、土壤溫濕度等參數(shù)，搭建和布設(shè)地面沉陷傳感器網(wǎng)絡(luò)，布設(shè)42個溫度傳感器、42個濕度傳感器、22個三軸傳感器、22個加速度傳感器、22個陀螺儀傳感器、22個氣壓傳感器、20個拉線傳感器及20個靜力傳感器，共布設(shè)214個傳感器，并繪制1：2000傳感器網(wǎng)絡(luò)實地布設(shè)位置圖。

2）研究了礦山地質(zhì)環(huán)境信息提取及生態(tài)評價關(guān)鍵技術(shù)，利用20景雷達影像，影像范圍為531平方公里，提取地表形變信息，并繪制1：10000煤礦區(qū)地面沉陷InSAR圖及煤礦區(qū)地面沉陷衛(wèi)星InSAR監(jiān)測動態(tài)演示圖；利用54景光學影像，影像范圍為154.6平方公里，進行多時相變化監(jiān)測、地表覆蓋分類及生態(tài)環(huán)境評價等分析研究，并繪制1：10000地面沉陷區(qū)衛(wèi)星遙感反演生態(tài)環(huán)境圖及地表覆蓋類型圖。

3）開發(fā)了張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體化監(jiān)測系統(tǒng)、張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測傳感器監(jiān)聽系統(tǒng)及張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體綜合分析系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器狀態(tài)實時監(jiān)測，實時監(jiān)聽，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，并將遙感影像與地質(zhì)環(huán)境傳感器系統(tǒng)無縫集成。

4）結(jié)合礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測要求，以相關(guān)國家和行業(yè)規(guī)范為依據(jù)，建立地面沉降災(zāi)害預(yù)警預(yù)測相關(guān)規(guī)程。構(gòu)建濕度/位移變化模型、濕度/姿態(tài)變化模型及濕度/靜力水準沉降變化模型三種災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測模型。結(jié)合相關(guān)研究及實地情況，在濕度/位移變化模型，位移值閾值設(shè)置為6mm，當水平變形大于6mm/m時，建筑物的損壞程度為極度嚴重損壞。在濕度/姿態(tài)變化模型，模型閾值為姿態(tài)角3%，當姿態(tài)角大于3%時，儀器設(shè)備的姿態(tài)變化過大，超出正常范圍，存在塌陷的可能。在濕度/靜力水準沉降變化模型依據(jù)地表下沉速度可劃分為初始期、活躍期和衰退期 3個階段，初始期的地表下沉速度小于1.67mm/d，而活躍期的沉降速度大于1.67mm/d。

5）在張家口市蔚縣崔家寨和單侯煤礦礦區(qū)進行應(yīng)用示范，并初步完成星空地一體化地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測綜合應(yīng)用的目標，形成煤礦區(qū)星地一體化監(jiān)測技術(shù)實施方案，為后期礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作提供技術(shù)支持。

6）項目應(yīng)用效益：實現(xiàn)煤礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測技術(shù)模式上的重大創(chuàng)新，提高了監(jiān)測效率，降低工作量；地面沉陷預(yù)警模塊應(yīng)用極大地改變了傳統(tǒng)預(yù)警方法，提高預(yù)警效率，提升預(yù)警精度。通過預(yù)警模塊，使得地面沉陷造成的經(jīng)濟損失、人員傷害等降到最低，創(chuàng)造了社會效益；生態(tài)環(huán)境評價模塊的應(yīng)用降低了工作人員野外考察的工作量、簡化數(shù)據(jù)處理流程，同時提供生態(tài)環(huán)境評價結(jié)果；簡化傳統(tǒng)監(jiān)測模式的工作流程，提高工作效率，減少人工成本，實現(xiàn)降本增效。

參考文獻：

[1]王超、張紅、劉智.星載合成孔徑雷達干涉測量.北京：學出版社，2002；

[2]張錦. 礦山地面災(zāi)害精準監(jiān)測地學傳感系統(tǒng)《地球信息科學學報》，2012年06期。