基于D-InSAR技術的楊伙盤礦區地表形變監測與分析

馬立龍 蔡瑞慶 張帆 李倩文

摘 要：【目的】煤炭資源的開采引發一系列的生態環境問題，地面塌陷問題尤為嚴重，而地表形變監測是修復生態環境問題的首要工作。【方法】InSAR技術作為一種面監測技術，已成功應用到煤礦地面塌陷監測中，本研究利用雷達差分干涉測量（D-InSAR）技術，計算2020年8月至2022年10月間共31景Sentinel-1A數據。【結果】在監測期內，開采工作面的地表共形成3個形變中心，分別位于301和303盤區的工作面，地表在煤礦開采后進入快速形變期，之后開始緩慢形變，直至趨于穩定狀態。【結論】D-InSAR技術對于此類地面塌陷問題，相較于點監測技術，具有先天的優勢，能夠快速、準確地獲取整個工作面的形變情況，對煤礦生態環境問題的改善起到了指導作用。

關鍵詞：楊伙盤煤礦；D-InSAR；Sentinel-1A；地表形變監測；工作面

中圖分類號：TD327；P237；P642.26? 文獻標志碼：A? 文章編號：1003-5168（2024）03-0037-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.008

Monitoring and Analysis of Surface Deformation in Yanghuopan

Mining Area Based on D-InSAR Technology

MA Lilong1 CAI Ruiqing1 ZHANG Fan2 LI Qianwen2

（1.Xinjiang Bureau of Geo-exploration & Mineral Development the Third Geological Group，Korla 841000，China;2. Xi'an Meihang Remote Sensing Information Co.， Ltd.， Xi'an 710100，China）

Abstract： [Purposes] The mining of coal resources has caused a series of ecological and environmental problems， and among them， the problem of ground collapse is particularly serious， and the monitoring of surface deformation is the primary work to repair ecological environment. [Methods] InSAR technology has been successfully applied to the monitoring of coal mine surface collapse as a surface monitoring technology， and 31 Sentinel-1A data fromAugust 2020 to October 2022 were calculated by using radar differential interferometry （D-InSAR） technology to monitor surface deformation in Yanghuopan Coal mine in this paper. [Findings] During the monitoring period， according to the monthly shape variables obtained by D-InSAR technology， three deformation centers were formed， which were located in the working face of the 301 and 303 panels respectively， and the surface of the coal mine entered the rapid deformation period after mining， and then began to deform slowly until it reached a stable state. [Conclusions] D-InSAR technology has a congenital advantage over point monitoring technology for this kind of ground collapse problem， which can quickly and conveniently obtain the deformation of the whole working face， and plays a reference role in improving the ecological environment monitoring..

Keywords： Yanghuopan Coal Mine; D-InSAR; Sentinel-1A; surface deformation monitoring; working face

0 引言

我國的煤炭等礦產資源較為豐富，但開采的同時，也會引起較多的生態環境問題。例如地面塌陷及其引發的一系列次生災害，導致農田被破壞［1］，發生崩塌或滑坡等［2］，給人民的生產生活帶來了嚴重的經濟損失，甚至會危及人民生命財產安全［3-4］。因此，在地下煤炭開采過程中對礦區進行地表形變監測、分析及預測顯得尤為重要［5-6］。

目前，在礦區地表形變監測方面，主要還是依賴于傳統的水準及GPS測量，即在生產工作面上每隔一段距離布設一個水準點或GPS點進行測量。此方法一方面人工消耗成本高，周期長；另一方面兩者都是基于點觀測，對于礦區大范圍、大區域的監測需要大量加密點通過擬合獲取最終結果，無法保證精度［7-9］。合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術作為一種高效觀測技術，不受天氣、云霧的影響，具有大范圍面監測的優勢，很大程度上降低了人力、物力、財力的消耗［10-12］。

本研究基于D-InSAR技術，利用中分辨率Sentinel-1A數據對楊伙盤煤礦礦區地表形變進行監測分析，結合礦區的工作面分布等資料，提取礦區工作面開采沉陷形變場，分析沉陷變化規律。

1 研究區概況

楊伙盤煤礦位于陜西省神木市城北約30 km的府店一級公路北側，行政區劃屬神木市店塔鎮。工作區交通便利，西（安）—包（頭）鐵路、210國道西（安）—包（頭）公路從楊伙盤煤礦西側通過，神（木北）—朔（州）鐵路及府店一級公路均從煤礦南緣黃羊城溝內通過，緊鄰煤礦工業場地。

根據現有巷道布置情況，結合各煤層開采范圍及煤層賦存特點，一水平3-1煤劃分為4個盤區，分別為301、302、303、304盤區。3-1號煤層開采工作面分布情況如圖1所示，301盤區工作面為30101～30120，302盤區工作面為30201～30208，303盤區工作面為30301～30304，304盤區工作面為30401～30405。2020年對30113、30115、30117、30112和30114工作面進行回采；2021年對30117、30114、30116、30301和30302工作面進行回采；2022年對30302、30303、30116、30118和30119工作面進行回采。

2 研究數據及方法

2.1 SAR數據

本研究使用的SAR數據為歐洲太空局Sentinel-1A衛星在TOPS成像模式下的寬幅干涉SLC數據，為目前最常用的中分辨率SAR數據，數據詳細參數見表1。本次共收集的2020年8月至2022年11月間的31景升軌數據見表2，軌道號為113/126。

DEM數據為ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30 m”（AW3D30），水平分辨率為30 m（1弧秒），高程精度5 m。其是目前世界上最精確的3D地圖，覆蓋全球所有的土地尺度。精密軌道數據采用成像21 d之后發布的POD精密軌道數據。

2.2 D-InSAR技術方法

D-InSAR技術是以合成孔徑雷達兩次及以上數據提取的相位信息為信息源，獲取地表三維信息和變化信息的一項技術。雙軌D-InSAR是對同一研究區在形變發生前后獲取的兩幅SAR影像，進行干涉得到干涉圖，干涉圖中的相位值即為兩次成像的相位差測量值。然后基于外部的DEM模擬地形相位，與干涉圖進行差分處理，得到差分干涉圖，最終提取目標點處地表沿視線向形變量，流程如圖2所示。

D-InSAR技術主要是利用相位差信息來獲取地形及形變信息［13］，相位差信息計算見式（1）。

[δ?=?1??2=4πλ（ρ1?ρ2）] （1）

式中：[δ?]表示相位差；[?]表示相位；[λ]表示波長；[ρ]表示斜距。

將衛星分別在兩個軌道處獲取的SAR圖像做相干運算，獲取形變前的地形差分相位信息，同理可以獲取形變發生后的地形差分相位信息。將形變前后的地形差分相位信息作差分，就可以獲取地表形變的干涉紋圖。

3 結果與分析

通過D-InSAR技術獲取工作面的30幅月度形變量圖。由于工作面采煤的時間和強度情況不同，每個時間段的形變分布范圍和量級均有差異，總體來說，形變主要分布在①、②、③三個區域，分別位于301和303盤區。例如，20210226—20210403時間段的形變量分布如圖3所示。由圖3可知，①、②區域均有形變，而③區域的工作面尚未進行開采，因此無形變分布。在①、②、③三個區域的工作面分別做一條剖線，形變分析如下。

①區域的月度形變分布如圖4所示，工作面開采及形變時間間隔基本在2020年8月至2022年10月之間。涉及的工作面為30112、30114、30116、30118。本研究對30114工作面的開采情況進行說明。在2020年10月左右［圖4（4）］，30114工作面開始開采，到2021年9月末［圖4（14）］，開采導致的形變基本結束。在30114工作面上畫一條剖線，分析其在開采階段的形變情況，如圖5所示。在開采過后，地表沿著工作面隨著時間推移逐段出現突變，最大形變量約為-40 mm，處于20210521—20210801時間段，主要是由于時間間隔較長。其余時間段的形變量級基本都在-30 mm范圍內。

②區域的月度形變分布情況如圖6所示，工作面開采及形變時間間隔為2020年8月至2021年5月，之后該區域的工作面地表無形變。開采的工作面主要有30115和30117工作面，而形變覆蓋的工作面為30113、30115、30117和30119。本次對30117工作面的開采情況進行說明。大概在2020年11月左右［圖6（5）］，30117工作面開始開采，到2021年5月末［圖6（10）］，形變基本結束。在30117

工作面上畫一條剖線分析其在開采階段的形變情況，如圖7所示。在開采過后，地表沿著工作面逐段出現突變，最大形變量約為-35 mm。

③區域的月度形變分布情況如圖8所示，工作面開采及形變時間間隔為2021年5月至2022年10月。開采和形變涉及的工作面主要有30301、30302和30303工作面。本研究對30302工作面的開采情況進行說明。2021年10月［圖8（6）］，30302工作面開始開采，到2022年5月［圖8（13）］，形變結束。在30302工作面上畫一條剖線，分析其在開采階段的形變情況，如圖9所示。在開采過后，地表沿著工作面逐段出現突變，最大形變量約為-45 mm。

4 結論

本研究利用傳統的D-InSAR技術對楊伙盤煤礦地表進行了月度形變量監測，并結合工作面的開采情況進行了具體分析，得出以下結論。

①獲取到2020年8月至2022年11月之間的31幅形變量分布圖，形變隨著開采工作面的采煤推進進行展布，可探測的最大形變量約為-63 mm。

②在監測期內，煤礦開采的工作面為30112、30114、30116、30118、30115、30117、30301、30302、30303。而形變覆蓋的工作面比開采工作面范圍廣，30113和30119工作面也有形變分布。

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