InSAR技術(shù)在礦山地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

漆 珊，謝梅秀，江 萌

（江西省煤田地質(zhì)局測繪大隊(duì)，江西 南昌 330001）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用一方面支撐了國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)利益，另一方面隨著資源的開發(fā)導(dǎo)致礦山地下被掏空，常伴隨著地表塌陷等問題，造成區(qū)域水資源、土地資源的破壞，甚至威脅到井下工人的生命安全。因此，如何有效的提高礦山開采區(qū)地表塌陷監(jiān)測工作是當(dāng)前礦山企業(yè)亟待解決的問題。

InSAR技術(shù)因其具有明顯的優(yōu)勢而被廣泛的應(yīng)用于礦山地表塌陷、城市地表塌陷等領(lǐng)域的監(jiān)測工作中。基于此，本文以InSAR技術(shù)為研究對象，講述了該技術(shù)在礦山地面沉降監(jiān)測方面的應(yīng)用。

1 InSAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)分析

與其他的地表沉降監(jiān)測相比，InSAR技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）具有強(qiáng)大的面監(jiān)測優(yōu)勢。InSAR技術(shù)的監(jiān)測原理是基于同步條件下對監(jiān)測對象信息的提取，暗示其在相同的時間間隔內(nèi)可以獲得更大范圍的監(jiān)測數(shù)據(jù)，即針對監(jiān)測目標(biāo)所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)是同時的、同步的?？傮w上，該技術(shù)是一種利用非接觸的方式反映監(jiān)測對象整體形變的現(xiàn)象，能夠有效的改善目前其他監(jiān)測技術(shù)中因監(jiān)測點(diǎn)密度稀疏、點(diǎn)位監(jiān)測不聯(lián)系的缺陷，即InSAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)由片段式的監(jiān)測方式向全范圍監(jiān)測的目的，推動了現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)向全方位發(fā)展的趨勢。

（2）具有大范圍空間監(jiān)測優(yōu)勢。InSAR技術(shù)能夠監(jiān)測的范圍很大，即監(jiān)測面積很大，且在監(jiān)測過程中具有高密度點(diǎn)位采樣的特征，明顯區(qū)別于其他傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，如水準(zhǔn)測量等方法，隨著監(jiān)測路線長度的增大，測量累計誤差越來越大，監(jiān)測時間也極長。

（3）具有定性與定量分析優(yōu)勢。InSAR技術(shù)可以獲得高精度的定量形變圖，通常每一個相干目標(biāo)具有一定的形變速率，且具有積累形變量和時間序列，即不同的時間范圍內(nèi)每一點(diǎn)都是處于不同的變化過程中，該技術(shù)正是利用了每一個時間段內(nèi)的形變“圖譜”，進(jìn)而達(dá)到對比監(jiān)測變化的目的。

（4）具有較高的精細(xì)程度。InSAR在空間上的采樣密度和時間上的觀測頻率都有很好的精細(xì)度。實(shí)際應(yīng)用中，采樣密度即相干點(diǎn)的分布密度，多取決于所用SAR數(shù)據(jù)的分辨率與數(shù)據(jù)處理方法，分辨率越高，精細(xì)程度越高，目前工程所采用的TerraSAR-X分辨率能夠達(dá)到3m左右[1]。TerraSAR-X、Sentinel-1A等觀測周期越來越密集，達(dá)到10天左右，在雙星編隊(duì)組網(wǎng)后可以達(dá)到10天以內(nèi)甚至更短。

（5）低成本、效益高。一般來說，檢測成本隨著檢測效率的增高而降低，主要體現(xiàn)在監(jiān)測耗時短、耗費(fèi)的人力、物力等資源明顯減少。

2 InSAR技術(shù)在礦山地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

本文以某礦山為研究對象，該金屬礦山開采于2002年，運(yùn)營至至今，礦區(qū)位于與縣城距離約42km，礦區(qū)周邊公路運(yùn)輸發(fā)達(dá)。礦區(qū)所在范圍氣候較溫暖潮濕，年降水量約1100mm，春季雨水較多，屬于丘陵地區(qū)，地形起伏也較大。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的選擇

本文研究所選用的數(shù)據(jù)是覆蓋全礦區(qū)的SAR影像數(shù)據(jù)和DEM（精度為30m），數(shù)據(jù)特征見表1。

表1 某礦區(qū)InSAR技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)一覽表

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

本文的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法采用基于InSAR技術(shù)的小基線集方法，即SBAS方法，是對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行時間序列的地表形變分析，在該方法中所有的干涉對均需要經(jīng)過同一幅主影像對其匹配。所選擇的的主影像必須滿足兩方面的要求，一是主影像的垂直基線應(yīng)小于800mm，二是主影像的垂直基線、時間基線等的絕對值要最小[2]。基于此，本文以2016年9月15日的監(jiān)測影像為本文的主影像，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。在完成小基線集處理之后，利用InSAR技術(shù)對處理后的小基線集內(nèi)的影像對開展二軌差分處理，并獲得相應(yīng)的相位解析圖。再經(jīng)過高相干點(diǎn)的選擇，對相位解析圖中的相干點(diǎn)進(jìn)行判定，將相干系數(shù)不小于0.3的點(diǎn)判定為高相干點(diǎn)。

2.3 生成時間序列沉降圖

在完成上述操作的基礎(chǔ)上，以高相干點(diǎn)為基礎(chǔ)，借助最小乘方法（LS）獲得礦區(qū)地表沉降的線性形變速率和DEM誤差模型組成的方程組，并對其進(jìn)行相應(yīng)的求解計算，可以獲得監(jiān)測礦區(qū)地表的線性平均沉降速率。

2.4 處理結(jié)果分析

從本文所獲得的該礦區(qū)地表線性平均沉降速率來看，礦區(qū)地表沉降隨著時間的推移逐漸向前增加，礦區(qū)沉降范圍也隨著時間的推移逐漸擴(kuò)大，從沉降圖中可以明顯的看出3個沉降區(qū)域形成的沉降漏斗。通過三個沉降區(qū)域的對比可以發(fā)現(xiàn)，其中A沉降漏斗的范圍隨著時間的變化而具有較小的變化范圍，即沉降速率最小；B沉降漏斗的范圍隨著時間的變化有著明顯的增大，且具有向礦區(qū)北東方向偏移的趨勢，這與礦產(chǎn)資源的地下開采工作十分吻合；C沉降漏斗的范圍隨著時間的變化具有明顯的增大，且擴(kuò)大程度較B沉降漏斗區(qū)域的小。

3 結(jié)語

礦山地面沉降形變監(jiān)測結(jié)果是分析其時空發(fā)育規(guī)律，開展實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，評價礦山地面沉降監(jiān)測結(jié)果精度并進(jìn)行沉降機(jī)理解釋的最基本的第一手資料，是制定治理措施的最基礎(chǔ)的材料。為此，本文在分析InSAR監(jiān)測技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山開采實(shí)際情況，分析了InSAR技術(shù)在礦山地面沉降監(jiān)測的應(yīng)用，為獲得更為可靠的形變數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。