ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用

張智華

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六五大隊（核工業(yè)鷹潭工程勘察院）,江西 鷹潭 335000）

近年來，InSAR技術(shù)廣泛的應(yīng)用于地面沉降觀測中，如城市地面沉陷、隧道開挖沉降和礦山開采沉降監(jiān)測等領(lǐng)域，取得了顯著的成效。InSAR技術(shù)可以獲得較高精度的地表垂向形變信息，與傳統(tǒng)的GPS等測量方法相比具有面監(jiān)測、大范圍空間監(jiān)測、定性與定量分析、較高的精細(xì)程度和低成本、效益高的優(yōu)勢。

隨著ArcGIS技術(shù)逐漸應(yīng)用于礦山開采三維分析，借助ArcGIS軟件對InSAR影像進(jìn)行一定的處理，可以有效的提高礦山開采沉陷監(jiān)測精度。

1 InSAR監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點

與常規(guī)監(jiān)測技術(shù)相比，InSAR監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢如下：

（1）具有面監(jiān)測的強(qiáng)大優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比而言，InSAR技術(shù)是在同步條件下完成對觀測對象信息的獲取，也意味著在相同的時間間隔內(nèi)可獲得大范圍的觀測數(shù)據(jù)，即獲得的數(shù)據(jù)是同時的、同步的。InSAR以一種非接觸的方式全面反映整體變形情況，能夠改變目前形變監(jiān)測中監(jiān)測點密度稀疏、點位監(jiān)測不連續(xù)的狀況，由“片段式”監(jiān)測逐步發(fā)展為“全范圍”測量。

（2）具有大范圍空間監(jiān)測優(yōu)勢。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，InSAR技術(shù)監(jiān)測范圍很大，并且具有高密度點位采樣的特征[1]。傳統(tǒng)手段要解決大范圍監(jiān)測難度很大，比如水準(zhǔn)測量，路線越長、誤差越大、測量時間越長。

（3）具有定性與定量分析優(yōu)勢。InSAR獲得的不僅僅是高精度的形變圖，而且是定量的形變圖。從PSInSAR時序分析處理結(jié)果來講，每一個相干目標(biāo)不僅有形變速率，還有累積形變量和時間序列，每一個點都是一個變化過程，每一個時段又是一張變形場的“圖譜”，可以回溯歷史，也可以繼續(xù)監(jiān)測變化。

（4）具有較高的精細(xì)程度。InSAR在空間上的采樣密度和時間上的觀測頻率都有很好的精細(xì)度[2]。實際應(yīng)用中，采樣密度即相干點的分布密度，多取決于所用SAR數(shù)據(jù)的分辨率與數(shù)據(jù)處理方法，分辨率越高，精細(xì)程度越高，目前工程所采用的TerraSAR-X分辨率能夠達(dá)到3m左右。TerraSAR-X、Sentinel-1A等觀測周期越來越密集，達(dá)到10天左右，在雙星編隊組網(wǎng)后可以達(dá)到10天以內(nèi)甚至更短。

（5）低成本、效益高。一般來說，檢測成本隨著檢測效率的增高而降低，主要體現(xiàn)在監(jiān)測耗時短、耗費(fèi)的人力、物力等資源明顯減少。

2 ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 礦山開采沉陷空間位置分析

InSAR在地表沉降監(jiān)測中有著明顯的優(yōu)勢，但以InSAR干涉影像為基礎(chǔ)，通過ArcGIS軟件的處理操作，可以有效的提高監(jiān)測精度。在完成InSAR干涉影像差分處理的基礎(chǔ)上，獲得相應(yīng)圖幅的InSAR干涉影像在一定時間間隔內(nèi)的礦山沉陷圖，在結(jié)合開采平面、水準(zhǔn)測量等資料，將多種數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，采用ArcGIS軟件解譯，開展礦山沉陷定量分析。

在獲得Terra-SAR干涉數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將干涉影像按照成像時間分為3個干涉對，分別編號為1、2、3（表1）。在經(jīng)過差分干涉處理和誤差分析等步驟后，將相應(yīng)的InSAR水平方向的變形圖轉(zhuǎn)換為垂直方向的沉陷圖[3]，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS軟件開展相應(yīng)的后期處理。通過ArcGIS軟件處理后可以得出，干涉對1所在區(qū)域的干涉影像明顯的顯示出了開采沉陷區(qū)域，與礦山第一階段的A區(qū)域回采工作相吻合，其空間展布特征與A區(qū)域開采工作面基本保持一致。

干涉對2所在區(qū)域的干涉影像也明顯的反映出了開采沉陷區(qū)域，與礦山第二階段的B區(qū)域回采工作相吻合，其空間展布特征與B區(qū)域開采工作面基本保持一致；干涉對3的時間間隔是干涉對1和2之和，在沉陷圖中所反映出來的沉陷范圍與A、B兩個區(qū)域的開采工作關(guān)系密切，即在空間上所呈現(xiàn)出來的沉陷范圍與A、B開采工作區(qū)十分吻合。此外，在干涉對3所反映的沉陷圖和干涉對1和2所反映的沉陷圖中對比發(fā)現(xiàn)，隨著礦山開采后時間的累積，礦山地表沉陷中心逐漸由北東向南西發(fā)生偏移，且總的沉陷區(qū)域明顯有所增加。由此可知，通過ArcGIS軟件處理后的InSAR干涉數(shù)據(jù)更能清晰的、準(zhǔn)確的反映出沉陷范圍，對礦山開采沉降監(jiān)測有著重要的幫助，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

表1 Terra-SAR影像干涉對參數(shù)

2.2 礦山沉陷定量分析

由表1可知，干涉對1、干涉對2和干涉對3分別對應(yīng)的時間間隔為11d、22d和33d，該相應(yīng)的時間間隔內(nèi)，借助InSAR干涉數(shù)據(jù)和ArcGIS軟件處理后的沉陷圖可獲得最大沉陷量分別為41mm、43mm和47mm，總體上沉降速率約0.87mm/d，而僅僅使用InSAR技術(shù)處理后獲得的沉陷速率為0.93mm/d，二者之間存在較明顯的誤差，主要原因在于第一階段的開采工作導(dǎo)致礦山范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的沉陷幅度和較高的相位梯度，也導(dǎo)致沉降中心及其附近的沉降幅度的連續(xù)性不好，進(jìn)而使得InSAR技術(shù)的監(jiān)測精度明顯降低。

在InSAR技術(shù)處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合ArcGIS軟件進(jìn)行相應(yīng)的處理工作，可以有效的提高三維可視化顯示效果，進(jìn)而提高礦山開采沉陷監(jiān)測精度。

3 結(jié)語

綜上所述，InSAR技術(shù)結(jié)合ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用效果，不僅可以提高監(jiān)測精度，還能更準(zhǔn)確的判別出沉陷運(yùn)移的方向等。

本文以某礦山開采沉陷監(jiān)測為基礎(chǔ)，從礦山開采沉陷空間位置分析和礦山沉陷定量分析兩個方面講述了ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用，為礦山開采沉陷監(jiān)測提供借鑒意義。