結(jié)合PS-InSAR 和DS-InSAR 的韓城礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷識別

張文龍，張童康，張 帆

（1.自然資源陜西衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用中心，陜西 西安 710100；2.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西 西安 710100）

近年來韓城市滑坡、崩塌、地面塌陷[1]等地質(zhì)災(zāi)害呈高發(fā)趨勢，煤炭資源的開發(fā)利用產(chǎn)生了一系列的地質(zhì)環(huán)境問題[2]。其中礦山開采導(dǎo)致韓城市部分地區(qū)地面塌陷嚴(yán)重，傳統(tǒng)的監(jiān)測員目測巡視手段，監(jiān)測范圍有限，且時效性也不足[3]。合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)作為一種新型對地觀測手段近年來得到了快速的發(fā)展，它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠全天時、全天候的觀測、不受云層影響、穿透力強(qiáng)、監(jiān)測范圍廣[4]，主要應(yīng)用有城市地表沉降監(jiān)測[5]、火山監(jiān)測[6]、冰川監(jiān)測[7]、滑坡監(jiān)測[8]、地震監(jiān)測[9]等多方面。隨著InSAR 技術(shù)的發(fā)展，從傳統(tǒng)的合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量（D-InSAR）[10]技術(shù)逐漸衍生出了監(jiān)測精度更高的時序InSAR 技術(shù)，其中最主要的代表就是小基線集（SBAS-InSAR）[11]技術(shù)和永久散射體（PS-In－SAR）[12]技術(shù)。

黃土溝壑區(qū)煤礦開采往往存在著沉降速度快、梯度大的特點(diǎn)[13]，這也限制了InSAR 技術(shù)在該地區(qū)的應(yīng)用[14]。其主要原因是黃土礦區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)特點(diǎn)和沉陷特性不能滿足SAR 數(shù)據(jù)的相干性要求。為了彌補(bǔ)這一缺陷，學(xué)者們開展了一系列的研究工作。PS-InSAR 作為一種較新的InSAR 技術(shù)，對大氣延遲誤差的去除效果較好，得到形變量也比較接近真值。該技術(shù)在城市地區(qū)應(yīng)用較多，在礦區(qū)應(yīng)用較少，主要因?yàn)镻S-InSAR 依賴于具有高相干性的永久散射點(diǎn)，開采沉陷區(qū)這些穩(wěn)定散射點(diǎn)較少，不能滿足要求。但是隨著分布式散射體（DS-InSAR）[15]技術(shù)的誕生，PS-InSAR 在礦區(qū)的應(yīng)用有了新的方向。DSInSAR 主要通過篩選出同質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)同質(zhì)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)性，優(yōu)化分布式目標(biāo)的相位[16]，降低噪聲對分布式目標(biāo)的影響，聯(lián)合DS 點(diǎn)和時序InSAR 方法進(jìn)行形變解算，提高非城鎮(zhèn)區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)密度，最后獲取完整地表形變范圍。DS 技術(shù)能夠很好的彌補(bǔ)PS 點(diǎn)在礦區(qū)分布較少的弊端，為此，結(jié)合PS-InSAR 和DS-In－SAR 技術(shù)，在提取高散射特性的PS 點(diǎn)的基礎(chǔ)上再提取具有中散射特性的DS 點(diǎn)，對煤礦采空區(qū)進(jìn)行更加全面的觀測，得到了更豐富的地表沉陷信息，為煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 PS-InSAR 和DS-InSAR 技術(shù)

PS-InSAR 的核心思想之一是基于覆蓋同一地區(qū)的SAR 影像時間序列和振幅離差指數(shù)閾值[17]方法識別具有穩(wěn)定雷達(dá)散射特性的點(diǎn)目標(biāo)，即永久散射體。典型的PS 目標(biāo)如建筑物、線塔、柵欄、橋梁、堤壩、裸露巖體和人工角反射器（CR）等硬目標(biāo)。PSInSAR 技術(shù)可以在長時間序列上保持穩(wěn)定的散射特性，幾乎不受時空失相關(guān)的影響。針對PS-InSAR 技術(shù)在非城鎮(zhèn)區(qū)域難以獲取高密度的點(diǎn)目標(biāo)，無法反應(yīng)研究區(qū)域的整體形變的問題，學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向散射特性中等的地物目標(biāo)，如裸地、沙漠、耕地等保持中等時序相干性且空間上連續(xù)分布的地物，即分布式目標(biāo)（DS），并提出了DS-InSAR 技術(shù)。

DS 技術(shù)主要通過對比干涉相位在時間上的相似性，選擇具有相同散射特性的像元進(jìn)行同質(zhì)濾波處理，同時在復(fù)數(shù)域?qū)Ω缮嫦辔粌?yōu)化估計(jì)。該技術(shù)可以很好的提高干涉圖相位的質(zhì)量，在相位解纏和大氣誤差去除上都有較好的效果，相比于其他時序InSAR 技術(shù)更好的提升了干涉相位的利用率。與PS不同的是，DS 是將每個像元中所有較小散射體回波信號的相干累加。

2 監(jiān)測結(jié)果

2.1 韓城礦區(qū)沉陷區(qū)的監(jiān)測

韓城市的地面塌陷災(zāi)害基本是由采煤活動引起的。據(jù)資料顯示，韓城市在采煤礦共12 個，由北到南分別是桑北煤礦、桑樹坪煤礦、下峪口煤礦、龍門鎮(zhèn)燎原煤礦、西韓興隆煤礦、盤龍（龍灣煤礦）、杏樹溝煤礦、后洞溝煤礦、星火煤礦、龍?jiān)疵旱V、象山煤礦和山底煤礦。

從2018 年到2021 年3 月的監(jiān)測期內(nèi)，12 個煤礦采煤區(qū)域基本都發(fā)生了地面塌陷災(zāi)害。其中桑樹坪、下峪口及象山3 個大煤礦的地面塌陷范圍較大，且形變量級較大。其他小煤礦也基本都分布著范圍不一的地面塌陷災(zāi)害，龍?jiān)疵旱V在監(jiān)測期內(nèi)地表基本沒有形變。

本次研究獲取了2018 年1 月至2021 年3 月共85 景Sentinel-1A 衛(wèi)星升軌SAR 影像，path/frame 為11/111，時間間隔為12 d，分辨率為5 m×20 m，DEM數(shù)據(jù)為SRTM DEM 數(shù)據(jù)，格網(wǎng)間隔為30 m，采用POD 精密軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助處理，配準(zhǔn)方法為強(qiáng)度互相關(guān)配準(zhǔn)算法，配準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.1 個像元。時序處理方法首先采用永久散射體（PS-InSAR）技術(shù)進(jìn)行處理，其中PS 點(diǎn)的選取是重要步驟。

對時間序列干涉圖集的像元進(jìn)行PS 點(diǎn)目標(biāo)篩選，并根據(jù)篩選的PS 點(diǎn)進(jìn)行PS 點(diǎn)的形變速率分析；由于PS 點(diǎn)的分布不均勻，并且有部分礦區(qū)范圍內(nèi)點(diǎn)分布較少，影響到了形變區(qū)域的提取。為了提取較為全面的形變點(diǎn)，提高選點(diǎn)的密度，選取DS點(diǎn)，與PS 點(diǎn)合并進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)計(jì)算，除了植被茂密的地區(qū)外，其他區(qū)域點(diǎn)基本已覆蓋完全，全區(qū)的最大形變速率約為230 mm/a，形變區(qū)域基本分布在礦區(qū)范圍內(nèi)或附近區(qū)域。

韓城礦區(qū)PS 點(diǎn)分布及PS 點(diǎn)的形變速率圖如圖1，韓城礦區(qū)PS 點(diǎn)和DS 點(diǎn)的分布情況及PS 點(diǎn)和DS 點(diǎn)的形變速率圖如圖2。

圖1 韓城礦區(qū)PS 點(diǎn)分布及PS 點(diǎn)的形變速率圖Fig.1 Distribution of PS points and deformation rate of PS points in Hancheng Mining Area

圖2 韓城礦區(qū)PS 點(diǎn)DS 點(diǎn)的分布情況及PS 點(diǎn)DS 點(diǎn)的形變速率圖Fig.2 Distribution of DS points + PS points and deformation rate of PS points + DS points in Hancheng Mining Area

對比圖1（b）和圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，PS-InSAR 的處理結(jié)果存在較多的失相干信息，難以提取到沉陷盆地中心的主要沉降信息。但是在圖2（b）中結(jié)合DS 點(diǎn)分析以后，礦區(qū)的沉陷盆地信息較為全面，只有少量的沉降較大的地方存在失相干現(xiàn)象，但是該結(jié)果已能夠很好的滿足開采沉陷的監(jiān)測需求，因此結(jié)合PS-InSAR 和DS-InSAR 的開采沉陷監(jiān)測技術(shù)能夠很好的得到開采沉陷的沉陷盆地信息。

將結(jié)合PS 點(diǎn)和DS 點(diǎn)的穩(wěn)定散射點(diǎn)進(jìn)行時間序列處理，得到的韓城礦區(qū)時序形變圖如圖3。

圖3 韓城礦區(qū)時序形變圖Fig.3 Time series deformation diagrams of Hancheng Mining Area

由圖3 可知，隨著時間的推移，12 個煤礦的礦區(qū)內(nèi)主要形變區(qū)域形變愈加明顯，時序InSAR 監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)對比反映了礦區(qū)內(nèi)局部地區(qū)的地表變形情況。從獲取的結(jié)果上看，礦區(qū)的形變區(qū)域是時刻發(fā)生變化的，這是因?yàn)榈V區(qū)開采而造成的形變是隨著時間的推移而逐漸演化，而且清楚地看到礦區(qū)形變緩慢的變化過程，每個礦區(qū)其他區(qū)域地表大部分處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 桑樹坪煤礦沉陷區(qū)的監(jiān)測

為了更詳細(xì)分析煤礦的形變區(qū)域，本次將選取12 個煤礦中沉降值較為明顯的桑樹坪煤礦的開采工作面分別疊加InSAR 形變監(jiān)測結(jié)果中，分析隨著煤層開采進(jìn)度，地表形變量的變化情況。

桑樹坪煤礦始于20 世紀(jì)40 年代，開采歷史悠久，淺部舊窯很多，以開采2 號、3 號煤層為主。截止2016 年底，桑樹坪斜井區(qū)共形成采空區(qū)面積6.212 9 km2。其中桑樹坪煤礦壁式綜采11 號、3 號煤形成采空區(qū)面積5.178 5 km2，分布在煤礦的南部區(qū)域，大部分已沉穩(wěn)。目前，11 號采煤共設(shè)計(jì)6 個工作面，分別是3105、3106、3107、3108、3109、3110；3 號煤共設(shè)計(jì)6 個工作面，分別是5301、4321、3317、3319、3312 1 期、3312 2 期。桑樹坪煤礦斜井區(qū)形變速率圖如圖4，桑樹坪斜井區(qū)11 號煤工作面地面塌陷點(diǎn)時間序列形變?nèi)鐖D5。桑樹坪斜井區(qū)3 號煤工作面地面塌陷點(diǎn)時間序列形變?nèi)鐖D6。

圖4 桑樹坪煤礦斜井區(qū)形變速率圖Fig.4 Deformation rate diagram of inclined shaft area of Sangshuping Coal Mine

圖5 桑樹坪斜井區(qū)11 號煤工作面地面塌陷點(diǎn)時間序列形變Fig.5 Time series deformation of ground collapse points in No. 11 coal face in Sangshuping inclined shaft area

圖6 桑樹坪斜井區(qū)3 號煤工作面地面塌陷點(diǎn)時間序列形變Fig.6 Time series deformation of ground collapse points in No. 3 coal face in Sangshuping inclined shaft area

由圖4 可知，桑樹坪煤礦斜井區(qū)形變區(qū)域范圍較大，約6 km2左右。最大形變速率位于斜井區(qū)北部，約177 mm/a。其中大部分采空區(qū)地表已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但是仍有部分采空區(qū)存在地表形變。從桑樹坪煤礦形變速率圖中可以看出InSAR 技術(shù)得到形變區(qū)范圍基本都在井田范圍內(nèi)，位于工作面上方及周圍，各個工作面采動時互相影響，形成了1 個較大的開采盆地，沉降中心位于受采動影響較大的中間工作面上方。該沉降中心年平均形變速率達(dá)到了230 mm/a，有進(jìn)一步下沉的趨勢，在后期的工作中還應(yīng)繼續(xù)觀測。

由圖5 可知，11 號煤區(qū)從2018 年到2021 年一直保持穩(wěn)定下沉狀態(tài)，形變速率基本保持不變，說明11 號煤區(qū)內(nèi)各個工作面在2018 年1 月至2021 年4月期間保持穩(wěn)定下沉趨勢，沒有突變發(fā)生。其中形變量最大的工作面為3109 工作面，至2021 年4 月最大累積形變量達(dá)到了370 mm。

由圖6 可知，3 號煤工作面分布的較為分散，在礦區(qū)的下方和上方都有分布，且都位于主要沉降區(qū)。于是造成了3 號煤的沉降值整體大于11 號煤的沉降值。各個工作面的形變速率較為穩(wěn)定，說明在該時間段內(nèi)3 號煤各個工作面都在持續(xù)緩慢形變，沒有突變發(fā)生。其中5301 工作面的形變量和速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他工作面的，最大累積形變值達(dá)到了560 mm，在實(shí)際中要進(jìn)一步關(guān)注工作面該采空區(qū)的發(fā)展趨勢。

3 結(jié) 語

通過結(jié)合PS-InSAR 技術(shù)和DS-InSAR 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對從2018 年1 月至2021 年4 月覆蓋韓城礦區(qū)的85 景Sentienl-1A 數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

1）識別出了韓城礦區(qū)采空區(qū)主要沉降范圍，并且與當(dāng)?shù)氐V區(qū)井田邊界范圍進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)了主要形變區(qū)都位于各個煤礦的井田范圍內(nèi)，12 個煤礦采煤區(qū)域基本都發(fā)生了地面塌陷災(zāi)害。其中桑樹坪、下峪口及象山3 個大煤礦的地面塌陷范圍較大，且形變量級較大，其他小煤礦也基本都分布著范圍不一的地面塌陷災(zāi)害，龍?jiān)疵旱V在監(jiān)測期內(nèi)地表基本沒有形變，說明了InSAR 技術(shù)可以在煤礦采空區(qū)形變范圍識別中發(fā)揮一定的作用，為礦區(qū)采后治理提供數(shù)據(jù)支撐。

2）得到了韓城礦區(qū)的年平均形變速率圖和時序累積沉降圖，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)年平均形變速率最大為230 mm/a，最大累積沉降量為740 mm。

3）對桑樹坪煤礦斜井區(qū)3 號煤和11 號煤各個工作面提取特征點(diǎn)單獨(dú)分析，發(fā)現(xiàn)各個工作面在該時間段內(nèi)都保持穩(wěn)定下沉，形變速率基本保持不變，其中11 號煤累積沉降值最大的是3109 工作面最大沉降值達(dá)到了370 mm，3 號煤區(qū)累積沉降值最大的時5301 工作面沉降值達(dá)到了560 mm，有必要對沉降值過大的區(qū)域采取一定的防護(hù)措施。