基于D-InSAR技術(shù)的煤礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)

姚丹丹 吳 侃 何 強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于D-InSAR技術(shù)的煤礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)

姚丹丹 吳 侃 何 強(qiáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形時(shí)間集中、形變量大，使得基于D-InSAR技術(shù)的煤礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)受到了諸多的限制，很難獲取準(zhǔn)確的地表沉陷信息。為使D-InSAR技術(shù)能夠更好地應(yīng)用于煤礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)，采用“兩軌法”差分干涉技術(shù)處理了多景RadarSat-2影像數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了植被因素對(duì)影像相干性的影響，探究了監(jiān)測(cè)量級(jí)對(duì)地表沉陷信息解譯結(jié)果的影響，并以峰峰礦區(qū)的九龍礦為試驗(yàn)區(qū)對(duì)D-InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：地表植被覆蓋率是影響影像間相干性的決定性因素，在地表植被稀疏的冬季相比植被茂盛的夏季更適合使用D-InSAR技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)；由于地質(zhì)采礦條件復(fù)雜，導(dǎo)致地表下沉速度超過(guò)衛(wèi)星可監(jiān)測(cè)范圍，通常只能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到盆地邊緣的形變；當(dāng)沉降量不超過(guò)監(jiān)測(cè)量級(jí)時(shí)，D-InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果大致吻合；隨著相關(guān)理論研究的不斷深入與處理軟件的日趨成熟，D-InSAR技術(shù)在煤礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景將更為廣闊。

D-InSAR 礦區(qū)沉陷 形變監(jiān)測(cè) 植被 監(jiān)測(cè)量級(jí) 監(jiān)測(cè)精度

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭資源的開(kāi)發(fā)與利用為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)，但也不可避免地嚴(yán)重破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，使得礦區(qū)及其附近產(chǎn)生了不同程度的地面沉降。與傳統(tǒng)的工作量大、觀(guān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、空間分辨率低相比[1]，D-InSAR技術(shù)具有快捷方便、低成本、高精度、對(duì)微小變形的高敏感度等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于地面沉降方面的監(jiān)測(cè)。但由于煤礦區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜且變化迅速，地表沉降量大、形變時(shí)間集中，使得D-InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)煤炭開(kāi)采引起的礦區(qū)地表沉陷應(yīng)用上受到了諸多的限制，亟需對(duì)基于D-InSAR技術(shù)的煤礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)體系、算法進(jìn)行研究改進(jìn)，由此發(fā)展出了PS技術(shù)、CPT技術(shù)、相干目標(biāo)分析、小基線(xiàn)集算法等新技術(shù)[1-7]。為此，本研究利用GAMMA軟件，分析了植被和監(jiān)測(cè)量級(jí)對(duì)D-InSAR礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了植被因素對(duì)影像相干性的影響，根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證了在監(jiān)測(cè)量級(jí)范圍內(nèi)將D-InSAR技術(shù)應(yīng)用于煤礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)可行性，并在此基礎(chǔ)上分析了沉降監(jiān)測(cè)的精度，為改進(jìn)基于D-InSAR的煤礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)提供解決思路。

1 D-InSAR變形監(jiān)測(cè)限制因素

D-InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)煤炭開(kāi)采引起的礦區(qū)地表沉陷應(yīng)用上受到了諸多的限制：①影像失相干使得D-InSAR技術(shù)無(wú)法正常反演出地表特征，影響去相干的因素有空間、時(shí)間、熱噪聲及數(shù)據(jù)處理過(guò)程的失相干等；②大氣效應(yīng)是干涉處理過(guò)程中非常重要的影響因素，大氣延遲相位可能掩埋掉地形相位或形變相位，導(dǎo)致2幅影像的失相干；③當(dāng)?shù)乇硇》秶霈F(xiàn)較大的移動(dòng)變形會(huì)造成干涉圖相位的急劇變化而使干涉條紋變得模糊，使得地表變形造成的沉降量很難應(yīng)用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)到[8-11]。

2 地表植被因素的影響

影像對(duì)的相干性直接影響了差分干涉測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量，關(guān)系到能否獲得可用的地表形變。導(dǎo)致時(shí)間失相干的因素主要有：①季節(jié)交替或農(nóng)作物收割導(dǎo)致的地表植被覆蓋變化，②季節(jié)交替導(dǎo)致的冰雪覆蓋變化，③天氣原因?qū)е碌牡乇頋穸茸兓芡寥莱煞值淖兓取?/p>

為了研究植被變化對(duì)D-InSAR技術(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)選取了同一區(qū)域不同時(shí)間段的多景Radarsat-2影像，影像位于平原區(qū)域，建筑物、山區(qū)、河流變化因素可以忽略不計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。不同時(shí)序的相干系數(shù)圖見(jiàn)圖1所示，統(tǒng)計(jì)直方圖如圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的影像對(duì)

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)二影像獲取時(shí)間處于冬季，地表植被覆蓋率很低，相干性最高，平均相干系數(shù)值為0.932 3，獲得的干涉相位圖條紋也最為清晰；實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)三影像獲取時(shí)間分別處于秋、春2季，植被覆蓋率較高，相干性較好，實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)三的平均相干系數(shù)值分別為0.792 3、0.800 8，也可形成干涉圖，但條紋較密；實(shí)驗(yàn)四影像獲取時(shí)間處于夏季，植被生長(zhǎng)茂盛、覆蓋率高，導(dǎo)致相干性大大降低，平均相干系數(shù)值為0.320 4，無(wú)法獲得干涉相位圖。

圖1 相干系數(shù)

圖2 相干系數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖

影像監(jiān)測(cè)受到植被因素影響，產(chǎn)生季節(jié)性失相干，冬季相干性最佳，春、秋2季相干性較好，均可獲取沉降圖，但夏季相干性很低，該季節(jié)的數(shù)據(jù)無(wú)法使用。但是，礦區(qū)沉陷變形持續(xù)時(shí)間一般為1 a甚至數(shù)年，時(shí)間跨度大、季節(jié)交替變化，受植被因素影響，處于夏季時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測(cè)影像數(shù)據(jù)相干性很低甚至失相干，導(dǎo)致該季節(jié)期間的沉陷情況均無(wú)法監(jiān)測(cè)到，從而很難獲取礦區(qū)長(zhǎng)時(shí)間緩慢累積的地表形變。

3 沉陷監(jiān)測(cè)量級(jí)的影響

在單位像元內(nèi)能夠監(jiān)測(cè)到的臨界形變梯度是一個(gè)條紋周期，當(dāng)?shù)乇淼男巫兞考?jí)超過(guò)這個(gè)臨界形變梯度時(shí)就會(huì)造成影像之間的空間失相干，從而不能夠解算出真實(shí)的形變量[2]。D-InSAR技術(shù)可監(jiān)測(cè)到的臨界形變量可表示為[12]：

(1)

式中，Wmax為地表可監(jiān)測(cè)的最大沉降量；r為沉降盆地的主要影響半徑；g為雷達(dá)影像的地面分辨率；λ為傳感器波長(zhǎng)。

根據(jù)各衛(wèi)星系統(tǒng)所采用的波長(zhǎng)和地面分辨率的不同，由式(1)可計(jì)算得到其能監(jiān)測(cè)的地表最大下沉值。當(dāng)假設(shè)沉降盆地的主要影響半徑r為100 m時(shí)，目前常用衛(wèi)星系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)的最大地表沉降量如表2。

以RadarSat-2衛(wèi)星為例，由表2可知，該衛(wèi)星可監(jiān)測(cè)最大沉降量為28 cm，重訪(fǎng)周期為24 d，平均每天可監(jiān)測(cè)到的下沉量為11.7 mm。當(dāng)下沉速度超過(guò)11.7 mm/d時(shí)，超出該衛(wèi)星可監(jiān)測(cè)量級(jí)，導(dǎo)致大的形變量監(jiān)測(cè)不到。

表2 不同衛(wèi)星系統(tǒng)可探測(cè)的最大地表沉降量

注：不同衛(wèi)星系統(tǒng)具有多種不同的產(chǎn)品模式，其地表分辨率不同，此表中僅列出了各衛(wèi)星系統(tǒng)常見(jiàn)分辨率的產(chǎn)品。

[13]，地表最大下沉速度V為

(2)

式中，K為下沉速度系數(shù)，一般取為1.8；C為工作面推進(jìn)速度，m/d；Wfm為地表最大下沉值，m；H0為平均開(kāi)采深度，m；M為煤層厚度，m；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角,(°)。

假設(shè)某一工作面的推進(jìn)速度為6m/d，下沉速度系數(shù)取1.8、下沉系數(shù)取0.8、煤層傾角取10°，只有最大下沉速度小于11.7mm/d，才可以監(jiān)測(cè)到地表沉降量。若開(kāi)采深度為300m，根據(jù)式(2)計(jì)算可知，煤層厚度要小于等于0.4m。反之，若煤層厚度已知為1m，則開(kāi)采深度要大于等于727m，否則無(wú)法監(jiān)測(cè)到正確的地面沉降。

由于礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，采煤工作面的布設(shè)常受到煤層埋藏深度、煤層厚度等因素的影響，開(kāi)采深度和煤層厚度無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足臨界值的要求，導(dǎo)致開(kāi)采產(chǎn)生的最大沉降超過(guò)監(jiān)測(cè)量級(jí)，通常只能獲取盆地邊緣小形變量，而不能監(jiān)測(cè)到完整的沉陷盆地，限制了D-InSAR技術(shù)在煤礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍。

4 D-InSAR技術(shù)沉陷監(jiān)測(cè)精度分析

目前，普遍采用常規(guī)觀(guān)測(cè)站的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果對(duì)D-InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。峰峰礦區(qū)九龍礦在152下31S工作面上方布設(shè)有地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站，選擇覆蓋九龍礦的RadarSat-2影像數(shù)據(jù)，將2011-01-09和2011-02-02的影像形成干涉對(duì)，影像信息見(jiàn)表3，此期間正在開(kāi)采的工作面如圖3所示粗線(xiàn)條框格部分，與影像監(jiān)測(cè)到的塌陷區(qū)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

表3 SAR影像信息

圖3 九龍礦152下31S工作面示意

圖4 九龍礦監(jiān)測(cè)塌陷區(qū)與工作面對(duì)應(yīng)圖

將應(yīng)用D-InSAR方法監(jiān)測(cè)的地表沉降量與觀(guān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的沉降量進(jìn)行對(duì)比如圖5所示，從圖中可知，兩者的最小絕對(duì)誤差為0 mm，最大絕對(duì)誤差為30 mm，18個(gè)點(diǎn)誤差在10 mm以?xún)?nèi)，11個(gè)點(diǎn)誤差在10 mm及以上，平均誤差為8.97 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.68 mm。在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，影像監(jiān)測(cè)到礦區(qū)沉降在100 mm以?xún)?nèi)，不超過(guò)監(jiān)測(cè)量級(jí)280 mm，與地表觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知兩者誤差較小，監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確且接近實(shí)際情況。

圖5 D-InSAR與水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)沉降量對(duì)比

另外，利用淮南礦區(qū)的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，提取出2007年12月10日到2008年1月25日這段時(shí)間內(nèi)礦區(qū)的地面沉陷，其中潘一礦、潘二礦、潘三礦、顧橋礦北部、顧北礦東部、張集礦、新集礦、花園湖礦、謝橋礦的地面沉陷明顯，利用D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)獲取的沉降圖，可以清晰地標(biāo)示沉陷區(qū)域和下沉程度，監(jiān)測(cè)到的最大地面沉降量值為508.6 mm，在該衛(wèi)星最大監(jiān)測(cè)量級(jí)(580 mm)范圍內(nèi)，滿(mǎn)足沉陷監(jiān)測(cè)量級(jí)的要求。

D-InSAR技術(shù)可應(yīng)用于礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)，與實(shí)測(cè)結(jié)果大致吻合，并具有一定的可靠性和精度。但是，當(dāng)?shù)V區(qū)沉降量超過(guò)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)量級(jí)時(shí)，則無(wú)法獲得準(zhǔn)確的沉陷信息。

對(duì)于礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)而言，一方面應(yīng)該盡可能地設(shè)置觀(guān)測(cè)站、獲取地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并與D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在一定程度上定量分析D-InSAR監(jiān)測(cè)精度的可靠性；另一方面，針對(duì)D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)中的誤差源和干涉圖像質(zhì)量，建立合理的定性或定量分析的可靠性評(píng)價(jià)體系，是D-InSAR技術(shù)精度評(píng)定的技術(shù)關(guān)鍵[8]。

5 結(jié) 論

D-InSAR技術(shù)具有常規(guī)監(jiān)測(cè)方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景非常廣闊。

(1)地表植被覆蓋率是影響影像間相干性的決定性因素，植被稀疏區(qū)域即可應(yīng)用D-InSAR技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)，不受影像成像時(shí)間和地形條件的限制，但是夏季植被覆蓋率高、降低了影像相干性，無(wú)法成功獲取該時(shí)間段內(nèi)的沉降量。

(2)不同衛(wèi)星系統(tǒng)可探測(cè)最大地表沉降量不同，以RadarSat-2衛(wèi)星監(jiān)測(cè)量級(jí)為例，只有當(dāng)工作面開(kāi)采條件達(dá)到監(jiān)測(cè)量級(jí)允許范圍內(nèi)，才能夠正確獲取地面沉降。

(3)通過(guò)對(duì)九龍礦以及淮南礦沉陷監(jiān)測(cè)的實(shí)例說(shuō)明，在影像監(jiān)測(cè)量級(jí)范圍內(nèi)，D-InSAR技術(shù)可以很好地應(yīng)用于礦區(qū)監(jiān)測(cè)，并具有較高的精度。

(4)隨著高分辨率合成孔徑雷達(dá)的發(fā)射、干涉處理中關(guān)鍵算法與處理軟件的日趨完善成熟、D-InSAR相關(guān)技術(shù)如永久散射體、短基線(xiàn)的發(fā)展以及與其他數(shù)據(jù)源融合技術(shù)的研究，使得差分干涉測(cè)量技術(shù)在礦區(qū)的應(yīng)用前景更為廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Coal Mine Subsidence Monitoring Based on D-InSAR Technology

Yao Dandan Wu Kan He Qiang

(School of Environmental Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

Due to time concentration and large deformation in ground movement and deformation caused by coal mining，there are various limitations in monitoring coal mining subsidence with D-InSAR，and it is difficult to obtain accurate surface subsidence information.In order to apply D-InSAR technology to monitoring land subsidence in coal-mining areas，RadarSat-2 data are processed by “two-pass” differential interference technology.The effects of vegetation factor on the coherence between images were analyzed through experiments，and the influence of monitoring magnitude on the interpretation results of surface subsidence was explored.With Jiulong mine in Fengfeng coal mining area as an experimental zone，the monitoring precision based on D-InSAR technology was analyzed.The results show that vegetation coverage rate is the decisive factor of affecting the coherence between images，and D-InSAR technology can be better used in less vegetation in winter than more vegetation in summer.Subsidence velocity exceeds the range that can be monitored by the satellite and only the deformation of the basin edge can be accurately monitored due to the complexity of geological and mining conditions；when mining subsidence does not exceed monitoring magnitude，the monitoring results by D-InSAR technology are consistent with the usual leveling monitoring data.With the depth of relevant theory and the maturity of processing software，the D-InSAR technology will have a broader application prospect in coal-mining areas.

D-InSAR，Mining subsidence，Deformation monitoring，Vegetation，Monitoring magnitude，Monitoring precision

2014-09-01

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(編號(hào)：SZBF2011-6-B35)。

姚丹丹(1989—)，女，碩士研究生。

TD325.2

A

1001-1250(2014)-11-151-05