InSAR 監測技術在鷹手營子礦區穩定性分析中的應用

張成兵 張 鵬 趙激光

(1.河北省地礦局第四水文工程地質大隊，河北滄州 061000;2.石家莊經濟學院，河北石家莊 050031)

0 引言

河北省承德市鷹手營子礦區是一個在20世紀50年代末興起的工礦區，自1957年開始大規模開采地下煤炭資源，并下轄四個煤礦，即營子礦一采區、營子礦二采區、馬圈子礦和汪莊礦。在為國民經濟發展作出巨大貢獻的同時，也造成了礦區地表大面積沉降與塌陷，其直接后果是地面建筑物、道路、河流、土地、水源等遭受到不同程度的損壞，特別是民宅、學校、醫院和水源受損嚴重，對人民群眾的生產、生活構成威脅，嚴重地影響了當地社會經濟的發展，承德市鷹手營子礦區礦山地質環境恢復治理已迫在眉睫［1］。

為了礦區的可持續發展，政府每年都對地面沉降進行監測，以便及時采取必要的防治措施。在眾多的監測項目中，InSAR技術越來越被受到重視，該技術可以大面積的采樣、測量時間短，同時成本也很低［2］。在垂直變形監測中InSAR技術的優點是顯而易見的［3］，而且有監測成功的例子［4］。本文圍繞鷹手營子礦區采礦塌陷狀況，利用差分InSAR技術監測礦區煤礦開采沉陷的基本狀況，選擇RADARSAT-2和8 m分辨率雷達數據開展地表形變信息提取，研究礦區近期地面塌陷區的分布范圍和變化特點，為地質環境評價提供基礎資料。

1 數據獲取

表1 RADARSAT-2衛星數據的基本特性

1.1 InSAR工作方法的選用

礦區地處冀北山地，屬燕山山脈沉降帶的過渡地帶，地勢西北高，東南低。境內山巒起伏，地形地貌復雜，山地多，平地少。最低海拔為460 m，最高為930 m，地勢相差470 m。按照河北省地貌劃分體系，礦區地跨侵蝕構造山地區中的剝蝕構造低山亞區和斷陷盆地及河谷平原亞區。按地層巖性及地貌成因，又細分為以碳酸鹽巖為主的低山小區、以火成巖為主的低山小區、以碎屑巖為主的低山小區、河谷平地小區［1］。

根據該礦區的位置和周邊地形條件，選擇利用較大入射角的高分辨率雷達數據進行差分干涉處理，提取一定時間間隔的地面變形信息。利用常規D-InSAR(差分干涉測量)將一定時間間隔內的兩景雷達數據進行干涉處理，得到該段時間內沉降狀況。對于沉陷快速的地區，效果很明顯，干涉條紋的密度反映了沉降量的大小。而且所需要的數據量少，適合研究沉降大小。

1.2 InSAR工作原理與數據

“二軌”差分InSAR方法是利用試驗區地表變化前后的兩幅SAR圖像生成干涉條紋圖，再利用事先獲取的DEM數據模擬地形相位的條紋圖，從干涉條紋圖中去除地形信息，從而得到求解的地表形變信息。

地表形變公式表示為式(1):

式中:φdisp——試驗區地表變化前后的兩幅SAR圖像生成的干涉相位;

φsim——DEM數據的模擬地形相位;

ΔR——所要求解的地表形變信息。

本工作擬采用的雷達數據為RADARSAT-2衛星獲取的精細模式下8 m分辨率雷達數據，其覆蓋能力為50 km×50 km，滿足礦區地表形變調查與監測應用。衛星數據的基本特性如表1所示。

RADARSAT-2可以提供11種波束模式，4種極化模式的雷達數據，它們的入射角在20°～60°之間變動，標稱分辨率有1 m，3 m，8 m，25 m，30 m，50 m，100 m，每景影像的分辨率不同，入射角度可調，地面覆蓋范圍不盡相同(見表1)。基于RADARSAT-2這些基本特性，使得應用RADARSAT-2衛星數據制作大中比例尺的地形圖、進行地物目標識別及分類、地質災害監測預警等方面更加靈活、便捷。

2 監測結果

根據數據查詢結果，符合該礦區的精細模式8 m雷達數據如圖1所示，礦區位于整幅雷達數據的中間位置，滿足監測需要。總的時間范圍為1個月，礦區內共完成解譯面積148 km2。監測結果表明，礦區內汪家莊鎮以南、以西區域即矸石山堆積區，地面沉降速率較快，累計沉降量在10 mm～20 mm間;汪家莊鎮東北即擬建主廠區一帶，地面沉降速率相對較小，累計沉降量小于10 mm，這與礦區的開采現狀相吻合。根據《采空區公路設計與施工技術細則》中采空區穩定性等級評價標準(見表2)，對礦區進行穩定性評價得到，汪家莊鎮以南、以西區域為欠穩定區，汪家莊鎮東北即擬建主廠區一帶為基本穩定區。

表2 按地表沉降觀測確定采空區場地穩定性等級評價標準

圖1 地面沉降InSAR監測成果圖

3 結語

通過InSAR技術的雷達數據監測資料，對礦區地表沉降進行了分析，結果表明，汪家莊鎮以南、以西區域為欠穩定區，汪家莊鎮東北即擬建主廠區一帶為基本穩定區，與調查結果基本一致。

［1］ 河北省地礦局第四水文工程地質大隊.河北省承德市鷹手營子礦區礦山地質環境治理工程勘查報告［R］.滄州:河北省地礦局第四水文工程地質大隊，2011.

［2］ 何慶成，方志雷，李志明.InSAR技術及其在滄州地面沉降監測中的應用［J］.地學前緣，2006，13(1):179-184.

［3］ 路 旭，匡紹君，賈有良.用INSAR作地面沉降監測的試驗研究［J］.大地測量與地球動力學，2002，22(4):66-70.

［4］ Zebker HA，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the derivation of co-seismic displacement fields using differential radar interferometry the Landers earthquake［J］.JGR，1994，99A(1):1-26.

［5］ 中華人民共和國交通部.采空區公路設計與施工技術細則［S］.