基于SBAS-DInSAR的大寧礦區(qū)多工作面開采地表沉陷規(guī)律研究

華怡穎 胡晉山 康建榮 徐 郡

（江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇徐州221116）

煤炭資源開采在推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，也給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響［1-2］。井下工作面的不斷推進(jìn)，使得礦區(qū)周圍原始應(yīng)力平衡被破壞，礦區(qū)出現(xiàn)了一系列地質(zhì)災(zāi)害，如地表裂縫、山體滑坡、地表塌陷等［3］，這些災(zāi)害嚴(yán)重威脅了礦區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

相較于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段（如精密水準(zhǔn)測(cè)量、GPS 監(jiān)測(cè)等）僅能獲取點(diǎn)目標(biāo)的形變信息［4-6］，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（DInSAR）技術(shù)能夠獲取大面積、連續(xù)的地表形變信息，具有覆蓋范圍廣、觀測(cè)成本低、全天時(shí)、全天候等特點(diǎn)，目前該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［7-12］。DInSAR 技術(shù)的基本原理是通過獲取兩幅SAR 影像對(duì)地面同一區(qū)域生成干涉圖，并對(duì)干涉圖進(jìn)行差分處理，從而精確得到地表發(fā)生的細(xì)微形變［13-14］。然而，常規(guī)DInSAR 處理方法受時(shí)間、空間失相干和大氣延時(shí)相位的影響，難以在長(zhǎng)時(shí)間地表緩慢變形監(jiān)測(cè)中得到理想結(jié)果［15-18］。短基線差分干涉（SBAS-DInSAR）繼承了常規(guī)DIn-SAR 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且受垂直基線的影響較小，并能有效減小空間失相干和大氣相位影響，在地表變形監(jiān)測(cè)方面更便捷，更具有優(yōu)勢(shì)［19-21］。本研究以大寧礦區(qū)為例，采用短基線差分干涉（SBAS-DInSAR）技術(shù)對(duì)多工作面上方的地表沉降進(jìn)行分析，并利用研究區(qū)內(nèi)工作面上方布設(shè)的地表移動(dòng)觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)SBAS-DInSAR 反演結(jié)果的可靠性。具體來說：選擇部分觀測(cè)點(diǎn)并提取這些觀測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的SBASDInSAR 反演形變值，將實(shí)測(cè)值與SBAS-DInSAR 反演值進(jìn)行了對(duì)比分析并計(jì)算差值，發(fā)現(xiàn)SBAS-DInSAR反演出的下沉變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，且二者差值較小，反映出采用SBAS-DInSAR 技術(shù)反演礦區(qū)地表沉陷具有較好的可靠性。

1 研究區(qū)概況

大寧礦區(qū)位于山西省晉城市陽城縣北部，地處太行山南端與中條山東北緣的結(jié)合部，區(qū)內(nèi)地形以低山—丘陵為主，地勢(shì)西高東低，為北方山地丘陵地貌（圖1）。該區(qū)屬東亞季風(fēng)區(qū)半干旱大陸性氣候，四季分明，夏季多雨，春秋季多風(fēng)少雨，冬季寒冷。

研究礦區(qū)井田南北寬4～6 km，東西長(zhǎng)5～12 km，井田面積38.822 5 km2。井田內(nèi)主要的含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含煤地層總厚度為124.18 m，煤層平均厚度10.41 m，煤層傾角5°～10°。研究區(qū)包含5個(gè)工作面，位于井田東部，如圖1所示，從西至東編號(hào)分別為P101、P102、P103、P104、P105，各工作面開采情況如表1所示。為了監(jiān)測(cè)礦區(qū)采動(dòng)沉降情況，在P102 工作面上方布設(shè)了3 條觀測(cè)線，分別為走向A線、傾向B線和傾向C線。A線總長(zhǎng)度為830 m，布設(shè)37 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；B 線總長(zhǎng)度為660 m，布設(shè)30 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；C 線總長(zhǎng)度為680 m，布設(shè)36 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

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2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

試驗(yàn)使用的雷達(dá)影像為研究區(qū)9 景PALSAR 數(shù)據(jù)，時(shí)間 跨 度為2007 年1 月3 日—2008 年7 月8 日。數(shù)據(jù)為L(zhǎng) 波段，入射角為38.7°，波長(zhǎng)23.5 cm；L 波段具有良好的穿透性，可以更好地對(duì)植被覆蓋的茂密區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)［22］。同時(shí)，為了減少地形相位的影響，試驗(yàn)選用了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的30 m×30 m 分辨率DEM數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

試驗(yàn)使用SARScape 軟件進(jìn)行SBAS-DInSAR 數(shù)據(jù)處理，處理流程包括生成連接圖、干涉工作流、軌道精煉和重去平、短基線第一步反演、短基線第二步反演和地理編碼等步驟。設(shè)置臨界基線最大值為45%，時(shí)間基線最大值為365，生成像對(duì)連接的時(shí)空基線圖（圖2）。其次對(duì)所有配準(zhǔn)的干涉像對(duì)進(jìn)行干涉處理，包括相干性生成、去平、濾波和相位解纏4個(gè)步驟，其中設(shè)置解纏相關(guān)系數(shù)閾值為0.2，并用Goldstein濾波方法進(jìn)行濾波處理。引入外部DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道精煉和重去平之后，進(jìn)行短基線反演，第一次反演估算形變速率和殘余地形，第二次反演計(jì)算時(shí)間序列上的位移。最后對(duì)SBAS 結(jié)果進(jìn)行地理編碼，得到的主要產(chǎn)品有LOS 方向上的平均形變速率、平均形變加速度、累計(jì)形變量等。

3 可靠性分析

為了驗(yàn)證SBAS-DInSAR 反演的可靠性，本研究選取了布設(shè)在P102工作面上方的地表移動(dòng)觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。首先提取每個(gè)觀測(cè)站對(duì)應(yīng)的SBAS-DInSAR 反演值，去除反演結(jié)果為無效值的觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；其次由于DInSAR 技術(shù)對(duì)地表大尺度形變不敏感性，所以去除大尺度形變點(diǎn)，選擇形變量較小的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；最后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選之后選取了傾向C 線上的10 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)C4、C13、C14、C15、C17、C22、C27、C30、C31、C34，并由東向西重新編號(hào)為1～10 號(hào)點(diǎn)，1 號(hào)點(diǎn)位于P102 工作面東側(cè)地表，2～6 號(hào)點(diǎn)位于P102工作面上方地表，7～10號(hào)點(diǎn)位于P102工作面西側(cè)地表。觀測(cè)時(shí)間為2006 年12 月23 日—2007 年6 月3 日。將上述10 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與SBASDInSAR反演結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3、表2所示。

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由圖3 可知：SBAS-DInSAR 反演出的下沉變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。結(jié)合布設(shè)的觀測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)P102 工作面東側(cè)地表1 號(hào)點(diǎn)下沉緩慢，2 號(hào)點(diǎn)處出現(xiàn)了快速下沉現(xiàn)象，3～10 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)均有較大沉降且沉降量先增加后減小，說明P102 工作面上方地表及西側(cè)地表沉降較為劇烈。分析原因是由于P102 工作面在2007 年5 月開采結(jié)束，這段時(shí)間內(nèi)礦區(qū)地表移動(dòng)活躍，P102 工作面開采誘發(fā)了相鄰西部P101 工作面采空區(qū)地表繼續(xù)發(fā)生形變，因此2～10 號(hào)點(diǎn)下沉值較大且具有先增加后減小的趨勢(shì)。5號(hào)點(diǎn)的下沉值差值最大為39.909 mm，而觀測(cè)點(diǎn)的總體平均誤差為6.6 mm 左右，相對(duì)于整個(gè)礦區(qū)沉降程度來說誤差較小。導(dǎo)致SBAS-DInSAR反演下沉值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)偏差的原因，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）SAR 數(shù)據(jù)受周期性影響，獲取形變場(chǎng)的時(shí)間采樣率難以控制，因此SBAS-DInSAR 反演的沉降結(jié)果為2007年1月3日—2007年7月6日的礦區(qū)地表形變值，而實(shí)測(cè)值是2006 年12 月23 日—2007 年6 月3日的礦區(qū)地表形變值，二者在時(shí)間上有差異。

（2）由于地面散射點(diǎn)的相干性隨時(shí)間、空間而變化，所以相干點(diǎn)在空間維度上分布存在不確定性，因而小尺度空間上的形變值具有不穩(wěn)定性。

（3）SBAS-DInSAR 技術(shù)利用相干區(qū)域法減少相位噪聲，降低了空間分辨率，難以對(duì)點(diǎn)狀目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的變形監(jiān)測(cè)，所以在提取觀測(cè)站的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)易出現(xiàn)偏差。

總體上，從SBAS-DInSAR 反演結(jié)果的整體趨勢(shì)和監(jiān)測(cè)效果來看，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，說明采用SBAS-DInSAR技術(shù)反演地表沉降具有可靠性。

4 結(jié)果分析

4.1 研究區(qū)沉降速率分析

通過SBAS-DInSAR 數(shù)據(jù)處理之后，獲得2007 年1月3日—2008年7月8日期間大寧礦區(qū)LOS（衛(wèi)星視線）方向沉降量ΔD：

式中，ΔH 為L(zhǎng)OS 方向形變，mm；α 為衛(wèi)星入射角，（°）。

可將衛(wèi)星視線方向的平均形變速率轉(zhuǎn)換到垂直方向的平均形變速率，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出研究區(qū)東部沉降較大，P102 工作面地表沉降速率最大，最大沉降速率為-196 mm/月，并且由于工作面開采作業(yè)，導(dǎo)致周圍地表也出現(xiàn)了較大沉降，最大沉降速率為-144 mm/月。

4.2 時(shí)序累計(jì)沉降值分析

由于SBAS-DInSAR反演出的時(shí)序累計(jì)沉降值中P103 工作面大部分點(diǎn)為無效值，而P104、P105 工作面在本研究時(shí)間段內(nèi)尚未進(jìn)行開采作業(yè)，因此以反演結(jié)果較好的P101、P102 工作面為研究對(duì)象，分析P102、P103 工作面開采時(shí)間段內(nèi)對(duì)相鄰已采工作面地表穩(wěn)定性的影響。

圖5 是以2007 年1 月3 日為影像獲取起始時(shí)間，其他監(jiān)測(cè)時(shí)間分別相對(duì)于起始時(shí)間的時(shí)序累計(jì)形變量分布情況。分別提取P101、P102 工作面各期的最大累計(jì)下沉值，計(jì)算每期相對(duì)于上一期的最大累計(jì)下沉值變化量、影像獲取時(shí)間變化量，得到了P101、P102工作面每期最大下沉速率（表3、表4）。

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結(jié)合研究區(qū)工作面開采情況（表1）和P101、P102工作面每期最大下沉速率（表3、表4）進(jìn)行分析可知，2007 年1 月 至2007 年2 月中旬，P102 工作面開采 工作已推進(jìn)大半，從圖5（a）中可以看出P102 工作面上方地表沉降劇烈，速率為-92.8 mm/月，此時(shí)，該工作面上方地表移動(dòng)仍處于活躍階段，且影響了相鄰已采工作面P101 及周圍地表穩(wěn)定，P101 工作面上方地表最大下沉速率為-54.7 mm/月；從圖5（b）中可以看出，至2007年7月P102工作面開采結(jié)束，P103工作面開始由南向北開采，受到相鄰工作面（P103）開采誘發(fā)，導(dǎo)致已采工作面（P102）結(jié)束開采2個(gè)月內(nèi)的地表移動(dòng)仍未進(jìn)入衰退階段，下沉速率為-13.4 mm/月，最大下沉值為-199 mm；至2008 年1 月P103 工作面開采即將結(jié)束，從圖5（e）中可以看出，該工作面的持續(xù)開采使得周圍地表下沉范圍擴(kuò)大，相鄰工作面P101、P102 地表持續(xù)發(fā)生沉降，最大下沉值為-275 mm；從圖5（h）中可以看出，至2008 年7 月P103 工作面開采結(jié)束5個(gè)月后，P102工作面及周圍地表的最大沉降量為-310 mm，且2008 年1—7 月間P101、P102 工作面累計(jì)沉降量均大于-30 mm，所以P101、P102 工作面上方地表仍在緩慢下沉，地表未達(dá)到穩(wěn)定。由此可以說明，由于相鄰工作面開采的影響，使得已采工作面上方地表移動(dòng)衰退期延長(zhǎng)。

4.3 礦區(qū)沉降特征分析

為了更直觀地對(duì)礦區(qū)多工作面的開采沉降特征進(jìn)行分析，將P102工作面上方地表作為研究對(duì)象，在SBAS-DInSAR 反演結(jié)果中，選擇了P102 工作面上方走向A 線和傾向B 線地表移動(dòng)觀測(cè)站上的連續(xù)點(diǎn)數(shù)據(jù)來擬合地表沉降值。由于P103工作面的反演結(jié)果大多為無效值，因此去除傾向B 線上位于P103 工作面上方地表的觀測(cè)點(diǎn)，重新選取觀測(cè)點(diǎn)25～30 號(hào)點(diǎn)，使其位于P102、P103 工作面中間地表。本研究繪制的走向A 線時(shí)序累計(jì)沉降值折線圖和傾向B 線時(shí)序累計(jì)沉降值折線圖如圖6和圖7所示。

由圖6 可知：隨著時(shí)間的推移，P102 工作面走向方向上地表累計(jì)下沉值逐漸增大；1～8 號(hào)點(diǎn)在P102工作面北側(cè)地表，遠(yuǎn)離P102 工作面地表的1 號(hào)點(diǎn)幾乎沒有發(fā)生沉降，越靠近工作面地表的觀測(cè)點(diǎn)沉降值越大，在6 號(hào)點(diǎn)附近有一處快速下沉現(xiàn)象，說明越接近工作面開采區(qū)域，下沉速率越大；9～37 號(hào)點(diǎn)在P102 工作面上方地表，工作面由南向北開采，所以越靠近北部開采區(qū)沉降值越大，下沉速率越快，隨著觀測(cè)點(diǎn)向南排列，觀測(cè)點(diǎn)的地表時(shí)序累計(jì)沉降值變小，地表下沉速率變慢；走向A線累計(jì)沉降變化曲線出現(xiàn)了下沉盆地特征，說明P102 工作面地表在一定范圍內(nèi)沉降速率較快，下沉盆地靠近工作面北部，這是因?yàn)楣ぷ髅嬗赡舷虮遍_采，南部區(qū)域已開采結(jié)束，北部開采區(qū)域下沉速度較快，累計(jì)沉降值也較大。

由圖7 可知：隨著時(shí)間的推移，P102 工作面傾向方向上地表累計(jì)下沉值逐漸增大；1～5 號(hào)點(diǎn)在P102工作面西側(cè)地表，遠(yuǎn)離P102 工作面的1 號(hào)點(diǎn)沉降緩慢，隨著觀測(cè)點(diǎn)越接近P102 工作面，地表下沉值越大；6～24號(hào)點(diǎn)在P102工作面上方地表，沉降值達(dá)到最大，說明P102 工作面上方地表移動(dòng)較劇烈；25～30 號(hào)點(diǎn)在P102 工作面東側(cè)地表，隨著觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離P102 工作面，沉降值由大到小，地表下沉速率由快變慢；在傾向方向上，P102 工作面出現(xiàn)了下沉盆地特征，越靠近開采工作面地表下沉速率越快，下沉值越大。

5 結(jié) 論

（1）利 用SBAS-DInSAR 技 術(shù) 對(duì) 大 寧 礦 區(qū)9 景PALSAR 影像進(jìn)行處理，得到研究區(qū)垂直形變速率、時(shí)序累計(jì)形變量等信息。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SBASDInSAR 反演的沉降結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過選擇合適的觀測(cè)點(diǎn)，提取其對(duì)應(yīng)的SBAS-DInSAR反演值，對(duì)比分析SBAS-DInSAR 反演值與實(shí)測(cè)值，并計(jì)算差值進(jìn)行誤差分析。研究表明，采用SBAS-DInSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)多工作面地表形變具有一定的可靠性。

（2）分析了研究區(qū)2007年1月—2008年7月間的地表沉降速率，其中研究區(qū)東部地表移動(dòng)活躍，最大沉降速率可達(dá)-196 mm/月。重點(diǎn)對(duì)礦區(qū)東部多工作面上方地表進(jìn)行了時(shí)序累計(jì)沉降分析，發(fā)現(xiàn)2007年1月—2月中旬P102工作面正在開采，此時(shí)開采工作面（P102）影響了相鄰已采工作面（P101），使其上方地表發(fā)生沉降。至2007 年7 月P102 工作面開采完畢，受相鄰P103 工作面開采影響，P102 工作面上方地表移動(dòng)未進(jìn)入衰退階段，地表下沉速率為-13.4 mm/月。直至2008 年7 月，P101、P102 工作面上方及周圍地表仍受開采工作面影響，處于緩慢下沉狀態(tài)，尚未達(dá)到穩(wěn)定。SAR影像處理結(jié)果表明，在礦區(qū)多工作面地表開采工作中，受相鄰工作面開采的影響，已采工作面采空區(qū)繼續(xù)發(fā)生沉降，上方地表移動(dòng)衰退期延長(zhǎng)，且礦區(qū)工作面上方地表沉降出現(xiàn)了下沉盆地特征。