D-InSAR监测矿区地表沉陷适用性研究

刘 琪，白志辉，陈冉丽，吴 侃

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056000；3.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄 050000)

矿区开采引起的地表沉降是具有初始期、活跃期和衰退期等3个基本过程的复杂综合性变化，沉陷在时间上跨度长，在空间上范围广，对沉陷监测的精度要求高。传统测量手段(如GPS、水准测量等)受到技术本身的制约，需要预计出沉降的大概位置和范围，再通过布置监测点，对离散的监测点构建模型从而实现对地表的监测。传统全站仪水准仪等测量无法进行长期连续的监测，很难提供覆盖整个下沉盆地的地表观测数据，并且传统水准监测的成本较高，监测精度容易受到天气、温度、大气折光、人为观测误差等多方面的影响[1]。除此之外，GPS测量还会受到卫星误差、接收机误差、地球潮汐影响[2]。同时矿区地表动态沉降过程受众多因素影响(如不均匀的工作面推进速度、非均衡的岩体破坏、非均等的表土层覆盖等)，仅利用少量离散点的数据来判断和预测整个盆地的动态沉降是否可靠还有待研究。

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)是以SAR雷达天线记录的回波信号为信息源，利用干涉测量技术获取地球表面的三维地形、地表形变和地物特征变化等信息的测量技术[3]，其测量精度仅与监测波长有关，InSAR为实现矿区长时间的地表沉陷的监测提供了新的、重要的途径[4]。监测波长越短，穿透力越强，波长越长，对细节的描述就越好。其次，利用雷达进行干涉测量不受时间与天气的影响，其全天候、全天时、大范围覆盖的优势能在较为恶劣的气候条件(例如我国南方多雨地区、伦敦等多雾的地区)下，同时监测多个矿区的地表沉陷。另外，该技术能够低成本地获取矿区全盆地的高精度、高时空分辨率的形变监测数据，从而为研究矿区地表全盆地动态沉降规律提供较好的数据支持。因此，利用InSAR揭示矿区全盆地沉降的时空演化过程，分析其分布规律，为高精度监测地表动态沉降，进行地表沉陷预测及建构筑物潜在损坏精确评估提供重要技术支撑，具有十分重要的现实意义。

通过实验验证InSAR技术对监测矿区地表沉陷的适用性，利用InSAR正确判断矿区已开采、正在开采以及未开采的状态，可以为今后大面积监测矿区沉陷提供支持，有助于丰富和发展矿区地表沉陷监测的方法，对矿区沉陷影响范围进行大面积及时的监控，为进一步研究和预测矿区变形沉陷提供新的可靠途径。

1 D-InSAR技术基本原理

利用雷达系统获取的多幅同一地区的SAR影像所提供的相位信息，通过相关SAR数据解算软件，计算每次观测的相位，可以从中提取地形相位信息。通过解算相位信息，进而可以获得该地区的数字高程信息。同时，通过相位干涉求解相位差，进而反算地形及其地表形变信息,可以用来检测地表形变[5-8]。

D-InSAR可以使用双轨差分法、三轨差分法、四轨差分法3种技术方法来进行地表微小形变的监测。其中双轨差分法的可靠性最好，本文以双轨差分为例(图1)，介绍其解算流程[9-11]。

图1 双轨差分干涉流程

2 实验结果

2.1 实验选取地区

文中使用的主从影像SLC数据为一系列已经被格式化的RADARSAT-2信号数据。转换为包含目标相位和幅度信息的计算机可读结构，并具有经过包括范围和方位压缩和多普勒聚焦相位的处理信息，输入数据信息见表1。

表2是经过基线估算的干涉方案设计。由于每年11月至3月属于冬春季节，地表植被等对干涉相位的影响较小，因此本次实验选择峰峰矿区11月至3月的监测数据进行分析。

实验使用InSAR双轨差分干涉方法，对截取的九龙矿区InSAR影像图进行解算，得出形变图，从形变图中随机选取区域一、区域二、区域三3处有明显形变的区域截取沉降剖面线进行分析；同时，通过形变图与已有的采掘工程平面图叠加，选取已知为2000年停采的老采空区的区域a和历史上没有进行过矿井开采的区域b进行对比分析。

表1 数据基本信息

表2 方案设计信息

2.2 处理结果对比分析

绘出区域一、二、三沉降曲线图。

区域一累积沉降曲线见图2。区域二累积沉降曲线见图3。区域三累积沉降曲线见图4。a，b区域的下沉曲线见图5。

3 实验结果分析

3.1 区域一形变分析

从图2的沉降曲线可以看出，区域一在监测的月份内仍有沉降，3个月沉降累计沉降量较小；区域一累积沉降边界范围基本无变化。而开采沉陷要经过一个衰退期才能逐渐稳定。工作面停止推进以后，地表的移动变化不会立刻停止，而是有一个时间的延续[12-13]。因此，判断区域一为其停采时间较短的老采空区。

3.2 区域二和区域三形变分析

随着工作面向前推进，开采对地表点的影响不同。地表点会经历从开始移动到剧烈移动，最后慢慢停止移动的过程。当地下开采面积达到一定的范围后，开采影响波及到地表，地表会形成移动盆地。随着工作面的不断推进，地表移动盆地边界会随着工作面的推进而前移，最大沉陷点的位置也会随着工作面的推进而前移。

由图3和图4可知，随着时间的推移，区域二和区域三形变图的下沉曲线边界沿同一方向逐渐推

图2 区域一累积沉降曲线

图3 区域二累积沉降曲线

图4 区域三累积沉降曲线

移；沉陷下沉值的剖面线随着时间的推移而不断变化，下沉值逐渐增加，最大下沉点沿同一方向移动；变形规律符合工作面推进过程中的动态特性。由于InSAR难以监测形变量较大的区域的形变数据，因而，当时间基线较长，形变量较大的几组方案(如11月-1月，11月-2月)，下沉盆地没有显示出下沉量的持续累加，这是InSAR对大量级地表沉陷监测的固有弊端。故而判断区域二和区域三均为工作面正在推进的矿井区域。

3.3 a，b区域形变分析

由图5的沉降曲线可以看出，对于停采时间较长的老采空区，a区域沉降值均在10mm以下，沉陷规律与无采空区的b区域基本无异。去除数据处理过程参数设置和地表风化等一系列误差，可以认定a区域地表已经稳定。

4 验证分析

4.1 停采时间较短的老采空区残余变形验证

在峰峰矿区羊东矿已回采的某工作面上方，建立了监测采空区残余移动变形的专门观测站。在工作面开采结束6a后进行的观测，进而研究残余形变的下沉规律。

图6为该停采工作面上方观测站布置示意，图7为该矿井观测站8′～13′以及8″～13″的监测年均下沉曲线。

图6 观测站布置示意

图7 观测站监测年均下沉曲线

监测下沉曲线表明，在工作面回采结束后6a多时间，该区域仍有微小的下沉，1a内的平均下沉量约为20mm，每个月平均下沉量不到2mm，沉降量较小；下沉曲线趋势基本无变化。区域一的地表形变规律与该矿区沉降规律变化相同，因此可以验证区域—为停采时间较短的老采空区。

但是，与该区域沉陷观测数据相比，区域一沉降量明显较大。因而证明区域一的停采时间较短。

4.2 回采工作面位置识别验证

将区域二解算出的形变图与已有的采掘工程平面图在ArcMap中叠加显示，可以发现，统一坐标系后的形变图和已知采掘工程平面图叠加后，证明区域二地表下是九龙矿区正在推进的工作面，验证了判断结果的正确性。因此，具有相同沉陷规律的区域三地表下同样有正在推进的工作面。

5 结 论

实验表明，对于地下有工作面正在推进的矿区，其开采影响范围内的地表点与工作面的相对位置不同，地表点的下沉距离与下沉速度也不同。通过D-InSAR监测地表，可以准确获得正在回采的地下工作面的位置。对于停采时间较短的老采空区，虽然地下开采活动已经结束，由于开采引起的地表下沉依然存在。根据D-InSAR监测地表并进行处理后的形变信息，D-InSAR可以判断出近期的采空区的位置及获得残余形变的大小。对于停采时间较长的老采空区，由于残余变形很小，通过监测沉陷变形与正常区域对比可以判断其稳定性。

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