InSAR技術(shù)在礦山采空塌陷調(diào)查中的應(yīng)用

彭鵬

摘要：本文以安徽省淮南煤礦區(qū)為例，編程訂購(gòu)10期RadarSAT-2雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，采用D-InSAR技術(shù)，獲取了采空塌陷的范圍與沉降速率。結(jié)果表明：1.D-InSAR技術(shù)可以有效地識(shí)別出光學(xué)遙感未能識(shí)別的潛在或未穩(wěn)沉的塌陷區(qū)，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，結(jié)果真實(shí)可靠，與野外具有一致性。2.可以定量估算出采空塌陷區(qū)的沉降速率，本區(qū)最大沉降速率為4.9cm/24天。3.InSAR技術(shù)在地下開采監(jiān)測(cè)方面與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，具有快速、準(zhǔn)確、大范圍、成本低的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：采空塌陷；InSAR；遙感RadarSAT-2

前言

礦產(chǎn)資源的開采造成的采空塌陷對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定影響，成為嚴(yán)重制約礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，它不僅破壞土地資源、導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，而且影響人民的生產(chǎn)、房屋生活設(shè)施，進(jìn)而誘發(fā)一系列社會(huì)、經(jīng)濟(jì)問題（圖1、圖2）。當(dāng)前，生態(tài)文明建設(shè)已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，如何對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)，如何快速的識(shí)別采空塌陷區(qū)的范圍和沉降速率，成為治理和監(jiān)測(cè)的首要目標(biāo)。常規(guī)的水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量監(jiān)測(cè)礦區(qū)采空塌陷的技術(shù)存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、成本高、無法達(dá)到區(qū)域全覆蓋監(jiān)測(cè)等問題。

近些年發(fā)展起來的合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（Inter-ferometric SAR，InSAR）具有全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)，可以從空間直接獲取大范圍、高精度的形變信息、高效可重復(fù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，廣泛地應(yīng)用到地表形變、采空塌陷、地震形變、冰川移動(dòng)、火山運(yùn)動(dòng)以及山體滑坡等方面。InSAR技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、省時(shí)的監(jiān)測(cè)到塌陷區(qū)的動(dòng)態(tài)變化，節(jié)省大量資金，和傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，有很大的優(yōu)越性（表1）。本文以淮南煤礦區(qū)為例，采用二軌法對(duì)研究區(qū)采空塌陷進(jìn)行信息提取與分析，為掌握和治理采空塌陷區(qū)提供基礎(chǔ)資料與技術(shù)支持。

1.研究區(qū)概況和以往形變概況

研究區(qū)位于安徽省淮南市，坐標(biāo)范圍為東經(jīng)114°50′～118°10′、北緯32°20′～34°40′之間。全市總面積2121km²，市轄田家庵、大通、謝家集、八公山、潘集五區(qū)和鳳臺(tái)縣以及毛集綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，總?cè)丝?10萬人?；茨鲜侵袊?guó)五大煤田之一?；茨夏壳耙寻l(fā)展成為以煤炭、電力為主體，兼有紡織、電子等門類較為齊全的新型工業(yè)城市。淮南煤礦區(qū)長(zhǎng)期礦產(chǎn)資源開采給社會(huì)帶來巨大效益的同時(shí)也嚴(yán)重地破壞了周邊的環(huán)境，采空塌陷就是直接表現(xiàn)，已成為影響和制約礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。至2002年，全市范圍內(nèi)采煤塌陷區(qū)面積已近50km²。其中，形成水面的面積為13km²，占塌陷總面積的30%左右，主要分布在大通、謝家集、八公山、潘集4個(gè)區(qū)和鳳臺(tái)縣。

2.數(shù)據(jù)源

采用的雷達(dá)數(shù)據(jù)為2012年～2013年編程訂購(gòu)加拿大MDA公司的RADARSAT-2（20～30m）作為主數(shù)據(jù)源，RA-DARSAT-2寬波束模式，分辨率為距離向30m，方位向26m，圖像為150^x150km，面積為22500km²，極化方式有HH、VV、HV和VH，本次選用VV，入射角為20°～45°，其基本信息見表2。

3.數(shù)據(jù)處理

對(duì)于采空塌陷快速形變類型，本次以GAMMA軟件為數(shù)據(jù)平臺(tái)，采用二軌法對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，獲取了采空塌陷的范圍和沉降速率，主要步驟包括：（1）選取兩期影像，利用主輔圖像生成干涉圖，去除平地效應(yīng)，干涉條紋圖中包含地形信息和形變信息；（2）將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相位值，并獲得模擬干涉條紋圖；（3）從主輔圖像生成的干涉條紋圖中減去利用DEM模擬的干涉條紋圖；（4）對(duì)差分干涉相位圖進(jìn)行處理，獲得地表形變量；（5）將獲取的地表形變圖轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中。通過以上處理，獲得了干涉強(qiáng)度圖、干涉圖等圖件（圖3、圖4），可以看出，獲得效果較好。

4.采空塌陷區(qū)分析

通過常規(guī)差分干涉處理，獲得了研究區(qū)的差分干涉圖（圖5），從圖上可以準(zhǔn)確的識(shí)別已發(fā)生的塌陷和潛在的塌陷區(qū)域，且通過干涉紋理測(cè)算出塌陷的沉降量（表3）。

從圖5可以看出：淮南煤礦區(qū)采空塌陷區(qū)域主要集中分布于大通區(qū)的大通——九龍崗一帶、謝家集區(qū)和八公山區(qū)的大山鎮(zhèn)——八公山——謝家集——李郢孜一帶、潘集區(qū)的董圩-泥河一帶、鳳臺(tái)縣的觀音——岳張集——新集——?jiǎng)⒓粠А８鶕?jù)塌陷區(qū)的分布，結(jié)合收集的礦山資料，采空塌陷區(qū)主要是由大型煤礦劉莊礦業(yè)區(qū)域、謝橋煤礦區(qū)域、張集煤礦區(qū)域、顧北煤礦區(qū)域、顧橋煤礦區(qū)域、丁集煤礦區(qū)域、潘集第三煤礦區(qū)域、潘集第一煤礦區(qū)域、新集二礦區(qū)域、新集三礦區(qū)域、李咀孜煤礦區(qū)域等礦山開采所形成。

5.野外實(shí)地驗(yàn)證

通過野外調(diào)查，結(jié)合2012年度的光學(xué)遙感影像和工作區(qū)礦山開采現(xiàn)狀分布圖等資料，進(jìn)行綜合分析，對(duì)采用常規(guī)差分干涉方法提取的采空塌陷區(qū)與實(shí)際情況做對(duì)比分析，其結(jié)果與實(shí)際情況吻合，結(jié)果真實(shí)可信。

如顧橋煤礦區(qū)域，通過遙感影像可以看出，在礦區(qū)內(nèi)地表已經(jīng)出現(xiàn)小范圍塌陷，積水（圖6），經(jīng)過雷達(dá)差分干涉處理，發(fā)現(xiàn)此位置在2012年2月4日與2012年2月28日期間出現(xiàn)沉降，沉降量達(dá)到4.5cm/24天，通過后續(xù)3、4月的差分干涉圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)塌陷范圍在逐步加大，與實(shí)地調(diào)查的結(jié)果一致。

通過差分干涉處理，獲取圖7所示煤礦區(qū)域沉降量為4.2cm/24天，結(jié)合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的采空塌陷區(qū)域（圖8），進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域地勢(shì)明顯低于周圍，地上電線桿已發(fā)生傾斜，已開始形成塌陷（圖9）。

5.結(jié)論與展望

（1）InSAR技術(shù)可以有效地識(shí)別出光學(xué)遙感未能識(shí)別的或潛在的采空塌陷區(qū)；可以估算出沉降區(qū)域沉降速率，通過實(shí)地調(diào)查和已有資料的對(duì)比分析，結(jié)果與實(shí)際情況一致，真實(shí)可靠。

（2）通過大量數(shù)據(jù)積累，采用InSAR技術(shù)，可以做到長(zhǎng)時(shí)序的區(qū)域地面塌陷進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)，為工礦企業(yè)和政府管理部門及時(shí)掌握塌陷分布和數(shù)量，也為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供新的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。