InSAR技術(shù)在礦山采空區(qū)地表變形監(jiān)測中的應用

張 影，張小興，石 磊

（江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌 330001）

隨著社會的高速發(fā)展，礦產(chǎn)資源為國民經(jīng)濟快速、可持續(xù)發(fā)展提供了戰(zhàn)略保障。但是礦產(chǎn)資源的開采有利亦有弊，一方面給人們帶來了經(jīng)濟繁榮；另一方面，人們在享受礦產(chǎn)資源提供的經(jīng)濟增長的同時，也破壞了賴以生存的生態(tài)環(huán)境。目前，大規(guī)模采礦引發(fā)的地面沉降等自然災害，嚴重威脅著礦區(qū)周邊人民的生命財產(chǎn)安全。各種環(huán)境因素和各種地表變形的情況，對生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。同時，采礦過程中也會對礦區(qū)周邊環(huán)境造成污染，破壞各種交通和地面輸電線路，影響周邊居民的正常生活。礦山的采空區(qū)可以用廢棄石塊進行填充，雖然在一定程度上減少了隱患的發(fā)生，但是終究不是長久之計。可見，礦山采空區(qū)地表變形的問題亟待解決。因此本文將基于InSAR技術(shù)，設計礦山采空區(qū)地表變形監(jiān)測方法。旨在利用科學的手段，防治采空區(qū)的危害。

1 基于InSAR技術(shù)的礦山采空區(qū)地表變形監(jiān)測方法

1.1 采集礦山采空區(qū)外業(yè)數(shù)據(jù)

在礦山監(jiān)測中，外業(yè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響最終的監(jiān)測結(jié)果，因此在監(jiān)測開始，本文進行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，以確定礦區(qū)布局以及采空區(qū)的狀態(tài)。本文設計的采集方法，可以適用于兩種情況，其一，采集區(qū)域較大，設置多個監(jiān)測點進行采集，以使后期數(shù)據(jù)處理更加完整；其二，采集區(qū)域較小，設置單獨監(jiān)測點進行采集，確保監(jiān)測精度。因此合理放置監(jiān)測點、監(jiān)測位置的選擇，對于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集工作很重要，直接影響采集效率。本文使用的采集方法，是使用高精度全站儀對被監(jiān)測位置的坐標進行采集，獲取該區(qū)域內(nèi)特征點的坐標信息，然后利用InSAR技術(shù)獲取云數(shù)據(jù)，利用從全站儀獲取的監(jiān)測點坐標，與云數(shù)據(jù)進行配準，保證兩個獨立的數(shù)據(jù)相互不干擾，進而減小監(jiān)測精度誤差，保證外業(yè)數(shù)據(jù)的采集準確性。

1.2 基于InSAR技術(shù)計算礦區(qū)地表變形監(jiān)測精度

InSAR技術(shù)是利用衛(wèi)星觀測技術(shù)，提高監(jiān)測精準度的技術(shù)，在此技術(shù)中可以根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)，（包含礦區(qū)地表變形信息），獲取地表變形的三維信息和變形信息。通過處理外業(yè)數(shù)據(jù)，可以提取礦區(qū)變形的信息，并利用InSAR技術(shù)進行測高。具體InSAR技術(shù)的測高方式，如下圖1所示。

圖1 InSAR技術(shù)幾何測高示意圖

如圖1所示，其中P表示衛(wèi)星監(jiān)測時，礦區(qū)監(jiān)測點的位置；A1、A2分別表示第一次、第二次監(jiān)測目標時，衛(wèi)星的位置；H表示衛(wèi)星監(jiān)測時，A1距離地面的高度；B表示A1、A2的空間距離；B與水平方向的夾角為α；θ表示衛(wèi)星第一次監(jiān)測時P與視線形成的夾角；R1、R2分別表示衛(wèi)星監(jiān)測時，A1、A2與P的距離；ΔR表示距離差；B┴表示空間垂直基線；BII表示空間垂直基線的水平基線。以此得到的B┴與BII關(guān)系如下：

式（1）中，B表示衛(wèi)星監(jiān)測區(qū)域。為了在InSAR 技術(shù)中獲得監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測效果，本文將主從圖像正確配準，然后去除圖像噪聲，提取變形信息，最后將結(jié)果反映到實際坐標系中。因此，得到的精度計算公式為：

式（2）中，w表示監(jiān)測精度，（R1+ΔR）2表示監(jiān)測距離。由于監(jiān)測距離會隨著地表的變化而變化，因此精度誤差仍存在，下文中將著重消除誤差，保證礦區(qū)監(jiān)測準確性。

1.3 消除礦區(qū)監(jiān)測精度誤差

上文中，根據(jù)InSAR 技術(shù)工作原理，計算從衛(wèi)星到監(jiān)測目標的激光信號之間的相位差，來計算礦山采空區(qū)地表變形監(jiān)測精度。理論上，這個精度的誤差應該在最小范圍內(nèi)，但由于實際上儀器的原因，監(jiān)測得到的距離與實際距離有一定的偏差，所以本文著重消除誤差。調(diào)整InSAR技術(shù)中準直軸，保證垂直表盤上讀數(shù)的標準值為90，此時偏差在可以接受的范圍內(nèi)，利用In消除誤差公式，進一步消除相關(guān)誤差，公式為：

式（3）中，sin（θ-α）表示消除誤差后，水平基線與InSAR衛(wèi)星的夾角，根據(jù)此公式，基本可以將誤差忽略不計，提高監(jiān)測水平。

2 實例分析

2.1 工程概況

根據(jù)江西省豐城市的環(huán)境現(xiàn)狀，使用InSAR技術(shù)監(jiān)測礦山采空區(qū)地表變形，獲取監(jiān)測區(qū)域的雷達數(shù)據(jù)；通過本文設計的方法對雷達數(shù)據(jù)進行處理，提取礦區(qū)地面沉降的信息，其中包括年沉降速度、累計沉降量等指標，并識別出該工程的主要沉降位置與范圍。通過遙感解譯對本工程進行1∶50000遙感解譯，解譯總面積為103.19km2。在2016年1月～2019年8月間，2014年5月，尚莊礦區(qū)505工作面召開了地表監(jiān)測工作，布設了57個巖層移動觀測點。并且，在此項工程中地表以稻田、菜地為主，東面挨著華伍制動，并有一條二級國家公路貫穿整個工作面，西面緊鄰楊溪村，監(jiān)測結(jié)果表明，開采造成了大面積的地面塌陷，最大垂直位移為0.535m，最大水平位移為0.5m。坪湖礦區(qū)對685工作面布置3條監(jiān)測線，共42個監(jiān)測點，每隔5天監(jiān)測一次，在實際監(jiān)測過程中，按照十天間隔記錄數(shù)據(jù)。

2.2 應用結(jié)果

本次實例分析，結(jié)合式（2）、（3），在此礦區(qū)監(jiān)測精度上放置6個標靶，兩個坐標系共6個監(jiān)測點，將傳統(tǒng)監(jiān)測方法與本文設計的監(jiān)測方法進行對比，結(jié)果如下。

如表1所示，P1-P6均為此項工程的監(jiān)測點，此6個監(jiān)測點均有一個標準監(jiān)測坐標，監(jiān)測坐標在±0.100范圍內(nèi)，均可以正常施工。傳統(tǒng)監(jiān)測方法中，監(jiān)測坐標與標準監(jiān)測坐標相差±0.200，精度較差，因此檢測效果不好。而本文設計的方法中，加入了消除誤差的步驟，與標準坐標僅差±0.001，甚至在P2監(jiān)測點中，與標準坐標保持一致。因此，精度更高，符合本次研究目的。

表1 應用結(jié)果

3 結(jié)語

礦區(qū)開采引起地表沉降的問題越加嚴重，加強礦區(qū)地表變形問題迫在眉睫，本文基于InSAR技術(shù)，對礦區(qū)采空區(qū)進行地表變形監(jiān)測，對礦山采空區(qū)近幾年的地表變形情況作出勘察，得出新監(jiān)測方法的監(jiān)測精度更佳的結(jié)論。旨在掌握采空區(qū)地表沉降規(guī)律、地表破壞程度，為改善礦山采空區(qū)地表條件提供理論依據(jù)。