ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監測中的應用

張智華

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

近年來，InSAR技術廣泛的應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測等領域，取得了顯著的成效。InSAR技術可以獲得較高精度的地表垂向形變信息，與傳統的GPS等測量方法相比具有面監測、大范圍空間監測、定性與定量分析、較高的精細程度和低成本、效益高的優勢。

隨著ArcGIS技術逐漸應用于礦山開采三維分析，借助ArcGIS軟件對InSAR影像進行一定的處理，可以有效的提高礦山開采沉陷監測精度。

1 InSAR監測技術的優點

與常規監測技術相比，InSAR監測技術的優勢如下：

（1）具有面監測的強大優勢。與傳統的技術相比而言，InSAR技術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可獲得大范圍的觀測數據，即獲得的數據是同時的、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測中監測點密度稀疏、點位監測不連續的狀況，由“片段式”監測逐步發展為“全范圍”測量。

（2）具有大范圍空間監測優勢。與傳統技術相比，InSAR技術監測范圍很大，并且具有高密度點位采樣的特征[1]。傳統手段要解決大范圍監測難度很大，比如水準測量，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時序分析處理結果來講，每一個相干目標不僅有形變速率，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，也可以繼續監測變化。

（4）具有較高的精細程度。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度[2]。實際應用中，采樣密度即相干點的分布密度，多取決于所用SAR數據的分辨率與數據處理方法，分辨率越高，精細程度越高，目前工程所采用的TerraSAR-X分辨率能夠達到3m左右。TerraSAR-X、Sentinel-1A等觀測周期越來越密集，達到10天左右，在雙星編隊組網后可以達到10天以內甚至更短。

（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，主要體現在監測耗時短、耗費的人力、物力等資源明顯減少。

2 ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監測中的應用

2.1 礦山開采沉陷空間位置分析

InSAR在地表沉降監測中有著明顯的優勢，但以InSAR干涉影像為基礎，通過ArcGIS軟件的處理操作，可以有效的提高監測精度。在完成InSAR干涉影像差分處理的基礎上，獲得相應圖幅的InSAR干涉影像在一定時間間隔內的礦山沉陷圖，在結合開采平面、水準測量等資料，將多種數據統一到同一坐標系統下，采用ArcGIS軟件解譯，開展礦山沉陷定量分析。

在獲得Terra-SAR干涉數據的基礎上，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）。在經過差分干涉處理和誤差分析等步驟后，將相應的InSAR水平方向的變形圖轉換為垂直方向的沉陷圖[3]，并將相應的數據導入到ArcGIS軟件開展相應的后期處理。通過ArcGIS軟件處理后可以得出，干涉對1所在區域的干涉影像明顯的顯示出了開采沉陷區域，與礦山第一階段的A區域回采工作相吻合，其空間展布特征與A區域開采工作面基本保持一致。

干涉對2所在區域的干涉影像也明顯的反映出了開采沉陷區域，與礦山第二階段的B區域回采工作相吻合，其空間展布特征與B區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兩個區域的開采工作關系密切，即在空間上所呈現出來的沉陷范圍與A、B開采工作區十分吻合。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現，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生偏移，且總的沉陷區域明顯有所增加。由此可知，通過ArcGIS軟件處理后的InSAR干涉數據更能清晰的、準確的反映出沉陷范圍，對礦山開采沉降監測有著重要的幫助，具有較為廣闊的應用前景。

表1 Terra-SAR影像干涉對參數

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分別對應的時間間隔為11d、22d和33d，該相應的時間間隔內，借助InSAR干涉數據和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致礦山范圍內出現較大的沉陷幅度和較高的相位梯度，也導致沉降中心及其附近的沉降幅度的連續性不好，進而使得InSAR技術的監測精度明顯降低。

在InSAR技術處理的基礎上，結合ArcGIS軟件進行相應的處理工作，可以有效的提高三維可視化顯示效果，進而提高礦山開采沉陷監測精度。

3 結語

綜上所述，InSAR技術結合ArcGIS軟件在礦山開采沉陷監測中具有良好的應用效果，不僅可以提高監測精度，還能更準確的判別出沉陷運移的方向等。

本文以某礦山開采沉陷監測為基礎，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測中的應用，為礦山開采沉陷監測提供借鑒意義。