D-InSAR監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷適用性研究

劉 琪，白志輝，陳冉麗，吳 侃

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056000；3.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000)

礦區(qū)開采引起的地表沉降是具有初始期、活躍期和衰退期等3個(gè)基本過程的復(fù)雜綜合性變化，沉陷在時(shí)間上跨度長，在空間上范圍廣，對(duì)沉陷監(jiān)測的精度要求高。傳統(tǒng)測量手段(如GPS、水準(zhǔn)測量等)受到技術(shù)本身的制約，需要預(yù)計(jì)出沉降的大概位置和范圍，再通過布置監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)離散的監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)建模型從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表的監(jiān)測。傳統(tǒng)全站儀水準(zhǔn)儀等測量無法進(jìn)行長期連續(xù)的監(jiān)測，很難提供覆蓋整個(gè)下沉盆地的地表觀測數(shù)據(jù)，并且傳統(tǒng)水準(zhǔn)監(jiān)測的成本較高，監(jiān)測精度容易受到天氣、溫度、大氣折光、人為觀測誤差等多方面的影響[1]。除此之外，GPS測量還會(huì)受到衛(wèi)星誤差、接收機(jī)誤差、地球潮汐影響[2]。同時(shí)礦區(qū)地表動(dòng)態(tài)沉降過程受眾多因素影響(如不均勻的工作面推進(jìn)速度、非均衡的巖體破壞、非均等的表土層覆蓋等)，僅利用少量離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)來判斷和預(yù)測整個(gè)盆地的動(dòng)態(tài)沉降是否可靠還有待研究。

合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)是以SAR雷達(dá)天線記錄的回波信號(hào)為信息源，利用干涉測量技術(shù)獲取地球表面的三維地形、地表形變和地物特征變化等信息的測量技術(shù)[3]，其測量精度僅與監(jiān)測波長有關(guān)，InSAR為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)長時(shí)間的地表沉陷的監(jiān)測提供了新的、重要的途徑[4]。監(jiān)測波長越短，穿透力越強(qiáng)，波長越長，對(duì)細(xì)節(jié)的描述就越好。其次，利用雷達(dá)進(jìn)行干涉測量不受時(shí)間與天氣的影響，其全天候、全天時(shí)、大范圍覆蓋的優(yōu)勢(shì)能在較為惡劣的氣候條件(例如我國南方多雨地區(qū)、倫敦等多霧的地區(qū))下，同時(shí)監(jiān)測多個(gè)礦區(qū)的地表沉陷。另外，該技術(shù)能夠低成本地獲取礦區(qū)全盆地的高精度、高時(shí)空分辨率的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而為研究礦區(qū)地表全盆地動(dòng)態(tài)沉降規(guī)律提供較好的數(shù)據(jù)支持。因此，利用InSAR揭示礦區(qū)全盆地沉降的時(shí)空演化過程，分析其分布規(guī)律，為高精度監(jiān)測地表動(dòng)態(tài)沉降，進(jìn)行地表沉陷預(yù)測及建構(gòu)筑物潛在損壞精確評(píng)估提供重要技術(shù)支撐，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證InSAR技術(shù)對(duì)監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷的適用性，利用InSAR正確判斷礦區(qū)已開采、正在開采以及未開采的狀態(tài)，可以為今后大面積監(jiān)測礦區(qū)沉陷提供支持，有助于豐富和發(fā)展礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測的方法，對(duì)礦區(qū)沉陷影響范圍進(jìn)行大面積及時(shí)的監(jiān)控，為進(jìn)一步研究和預(yù)測礦區(qū)變形沉陷提供新的可靠途徑。

1 D-InSAR技術(shù)基本原理

利用雷達(dá)系統(tǒng)獲取的多幅同一地區(qū)的SAR影像所提供的相位信息，通過相關(guān)SAR數(shù)據(jù)解算軟件，計(jì)算每次觀測的相位，可以從中提取地形相位信息。通過解算相位信息，進(jìn)而可以獲得該地區(qū)的數(shù)字高程信息。同時(shí)，通過相位干涉求解相位差，進(jìn)而反算地形及其地表形變信息,可以用來檢測地表形變[5-8]。

D-InSAR可以使用雙軌差分法、三軌差分法、四軌差分法3種技術(shù)方法來進(jìn)行地表微小形變的監(jiān)測。其中雙軌差分法的可靠性最好，本文以雙軌差分為例(圖1)，介紹其解算流程[9-11]。

圖1 雙軌差分干涉流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)選取地區(qū)

文中使用的主從影像SLC數(shù)據(jù)為一系列已經(jīng)被格式化的RADARSAT-2信號(hào)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換為包含目標(biāo)相位和幅度信息的計(jì)算機(jī)可讀結(jié)構(gòu)，并具有經(jīng)過包括范圍和方位壓縮和多普勒聚焦相位的處理信息，輸入數(shù)據(jù)信息見表1。

表2是經(jīng)過基線估算的干涉方案設(shè)計(jì)。由于每年11月至3月屬于冬春季節(jié)，地表植被等對(duì)干涉相位的影響較小，因此本次實(shí)驗(yàn)選擇峰峰礦區(qū)11月至3月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)使用InSAR雙軌差分干涉方法，對(duì)截取的九龍礦區(qū)InSAR影像圖進(jìn)行解算，得出形變圖，從形變圖中隨機(jī)選取區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三3處有明顯形變的區(qū)域截取沉降剖面線進(jìn)行分析；同時(shí)，通過形變圖與已有的采掘工程平面圖疊加，選取已知為2000年停采的老采空區(qū)的區(qū)域a和歷史上沒有進(jìn)行過礦井開采的區(qū)域b進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 數(shù)據(jù)基本信息

表2 方案設(shè)計(jì)信息

2.2 處理結(jié)果對(duì)比分析

繪出區(qū)域一、二、三沉降曲線圖。

區(qū)域一累積沉降曲線見圖2。區(qū)域二累積沉降曲線見圖3。區(qū)域三累積沉降曲線見圖4。a，b區(qū)域的下沉曲線見圖5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 區(qū)域一形變分析

從圖2的沉降曲線可以看出，區(qū)域一在監(jiān)測的月份內(nèi)仍有沉降，3個(gè)月沉降累計(jì)沉降量較??；區(qū)域一累積沉降邊界范圍基本無變化。而開采沉陷要經(jīng)過一個(gè)衰退期才能逐漸穩(wěn)定。工作面停止推進(jìn)以后，地表的移動(dòng)變化不會(huì)立刻停止，而是有一個(gè)時(shí)間的延續(xù)[12-13]。因此，判斷區(qū)域一為其停采時(shí)間較短的老采空區(qū)。

3.2 區(qū)域二和區(qū)域三形變分析

隨著工作面向前推進(jìn)，開采對(duì)地表點(diǎn)的影響不同。地表點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷從開始移動(dòng)到劇烈移動(dòng)，最后慢慢停止移動(dòng)的過程。當(dāng)?shù)叵麻_采面積達(dá)到一定的范圍后，開采影響波及到地表，地表會(huì)形成移動(dòng)盆地。隨著工作面的不斷推進(jìn)，地表移動(dòng)盆地邊界會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而前移，最大沉陷點(diǎn)的位置也會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而前移。

由圖3和圖4可知，隨著時(shí)間的推移，區(qū)域二和區(qū)域三形變圖的下沉曲線邊界沿同一方向逐漸推

圖2 區(qū)域一累積沉降曲線

圖3 區(qū)域二累積沉降曲線

圖4 區(qū)域三累積沉降曲線

移；沉陷下沉值的剖面線隨著時(shí)間的推移而不斷變化，下沉值逐漸增加，最大下沉點(diǎn)沿同一方向移動(dòng)；變形規(guī)律符合工作面推進(jìn)過程中的動(dòng)態(tài)特性。由于InSAR難以監(jiān)測形變量較大的區(qū)域的形變數(shù)據(jù)，因而，當(dāng)時(shí)間基線較長，形變量較大的幾組方案(如11月-1月，11月-2月)，下沉盆地沒有顯示出下沉量的持續(xù)累加，這是InSAR對(duì)大量級(jí)地表沉陷監(jiān)測的固有弊端。故而判斷區(qū)域二和區(qū)域三均為工作面正在推進(jìn)的礦井區(qū)域。

3.3 a，b區(qū)域形變分析

由圖5的沉降曲線可以看出，對(duì)于停采時(shí)間較長的老采空區(qū)，a區(qū)域沉降值均在10mm以下，沉陷規(guī)律與無采空區(qū)的b區(qū)域基本無異。去除數(shù)據(jù)處理過程參數(shù)設(shè)置和地表風(fēng)化等一系列誤差，可以認(rèn)定a區(qū)域地表已經(jīng)穩(wěn)定。

4 驗(yàn)證分析

4.1 停采時(shí)間較短的老采空區(qū)殘余變形驗(yàn)證

在峰峰礦區(qū)羊東礦已回采的某工作面上方，建立了監(jiān)測采空區(qū)殘余移動(dòng)變形的專門觀測站。在工作面開采結(jié)束6a后進(jìn)行的觀測，進(jìn)而研究殘余形變的下沉規(guī)律。

圖6為該停采工作面上方觀測站布置示意，圖7為該礦井觀測站8′～13′以及8″～13″的監(jiān)測年均下沉曲線。

圖6 觀測站布置示意

圖7 觀測站監(jiān)測年均下沉曲線

監(jiān)測下沉曲線表明，在工作面回采結(jié)束后6a多時(shí)間，該區(qū)域仍有微小的下沉，1a內(nèi)的平均下沉量約為20mm，每個(gè)月平均下沉量不到2mm，沉降量較?。幌鲁燎€趨勢(shì)基本無變化。區(qū)域一的地表形變規(guī)律與該礦區(qū)沉降規(guī)律變化相同，因此可以驗(yàn)證區(qū)域—為停采時(shí)間較短的老采空區(qū)。

但是，與該區(qū)域沉陷觀測數(shù)據(jù)相比，區(qū)域一沉降量明顯較大。因而證明區(qū)域一的停采時(shí)間較短。

4.2 回采工作面位置識(shí)別驗(yàn)證

將區(qū)域二解算出的形變圖與已有的采掘工程平面圖在ArcMap中疊加顯示，可以發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一坐標(biāo)系后的形變圖和已知采掘工程平面圖疊加后，證明區(qū)域二地表下是九龍礦區(qū)正在推進(jìn)的工作面，驗(yàn)證了判斷結(jié)果的正確性。因此，具有相同沉陷規(guī)律的區(qū)域三地表下同樣有正在推進(jìn)的工作面。

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于地下有工作面正在推進(jìn)的礦區(qū)，其開采影響范圍內(nèi)的地表點(diǎn)與工作面的相對(duì)位置不同，地表點(diǎn)的下沉距離與下沉速度也不同。通過D-InSAR監(jiān)測地表，可以準(zhǔn)確獲得正在回采的地下工作面的位置。對(duì)于停采時(shí)間較短的老采空區(qū)，雖然地下開采活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，由于開采引起的地表下沉依然存在。根據(jù)D-InSAR監(jiān)測地表并進(jìn)行處理后的形變信息，D-InSAR可以判斷出近期的采空區(qū)的位置及獲得殘余形變的大小。對(duì)于停采時(shí)間較長的老采空區(qū)，由于殘余變形很小，通過監(jiān)測沉陷變形與正常區(qū)域?qū)Ρ瓤梢耘袛嗥浞€(wěn)定性。

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