基于SBAS-InSAR 技术与Sentinenl-1A影像的 贵州西部矿区地表沉陷监测.pdf

年 卷第 期(总第 期)贵 州 地 质 ()收稿日期 修回日期基金项目贵州省地质矿产勘查开发局地质科研项目(合同编号:黔地矿科合 号)、贵州省矿产资源国情调查项目(项目编号:、黔科合基础一般)作者简介安全()男硕士研究生工程师主要从事 与雷达遥感地质灾害监测及应用研究通讯作者况忠()男高级工程师长期从事遥感与地质、环境等方面的应用研究基于 技术与 影像的贵州西部矿区地表沉陷监测安 全 况 忠陈 红奚世军胡邦红卢定彪李思发李 亮安亚运(贵州省地质调查院贵州 贵阳 自然资源部基岩区矿产资源勘察技术创新中心贵州 贵阳 铜仁学院贵州 铜仁 贵州省织金县第四中学贵州 毕节 湖南省怀化市气象局湖南 怀化)摘 要为了有效监测贵州西部地区因长期进行地下采矿引起的地面持续性沉降本文以纳雍县中岭煤矿区为研究区基于 技术对覆盖其范围的 期 升轨影像(年间)利用 奇异值准则获取了观测时段内的地面沉降范围和深度进行了时序分析通过采煤工作面和野外调查等手段验证了监测结果的准确性与可靠性 结果表明:()在观测时段内在研究区共探查到 处典型持续沉降中心其视线向()年平均形变速率变化范围在 最大沉降速率达到 ()通过分析认为研究区形变特征符合采矿沉陷规律且随着时间的累积沉降变形从起初不明显到变化剧烈再到逐渐趋于稳定过程其范围特征呈东西向延伸渐有合并趋势并不断向南北向扩张 从验证情况分析认为基于 技术获取的地面沉降信息可靠准确率达 以上可为矿山安全开采、沉降灾害的预治提供参考关键词矿区地面沉陷 技术 影像沉降监测贵州西部中图分类号 文献标识码 文章编号()地下煤层的持续开挖常常会引起上覆岩层的应力重新分布造成岩层移动和破坏当岩层移动发展到地表就会引发地表沉陷、地裂缝、滑坡等地质环境问题 持续的地面沉降增加了矿山安全开采的隐患并威胁着矿区人民的生命和财产安全 研究矿区煤炭资源开采历史悠久有多个大型矿井仍处于生产状态导致滑坡、崩塌、地面沉降和地裂缝等地质灾害频发因此如何对煤矿开采区的地面沉陷进行高时效监测与分析对矿山的安全生产、矿区居民合理规避采矿沉陷灾害等显得尤为重要(何国清等陈萍周泽汤伏全等况忠等李思发等)传统地面测量技术主要有水准测量、测量、三角高程测量等这些技术虽然监测精度高但却存在监测周期长、人力资源成本高、成果不连续且存在大区域连续面的地表变形监测不连续等缺陷(杨泽发等朱叶飞等孟庆凯等卢莹等朱茂等马涛等)合成孔径雷达干涉测量()技术的出现弥补了传统测 量 的 不 足 差 分 干 涉 测 量 技 术()可通过两幅 影像相位差提取地表形变信息而不需要考虑矿区地表变形的非线性关系使监测结果更为理想成了矿区地表变形监测的常见手段但 技术因其存在轨道误差、时空失相干和大气延迟误差等缺陷使其在推广应用上受到限制于是在此基础上发展起来了永久散色体合成孔径干涉雷达测量技术()和小基线合成孔径干涉雷达测量技术()等 较 技术而言 技术限制了长基线导致的几何去相干使更多的 图像参与到形变计算增加了时间上的采样使获取的形变序列在空间上更连续(魏聪敏等张宏雪等张香凝等 夏 锐 朱 怡 飞 等)当前 技术在地面沉降方面的应用和研究得到了国内外学者(安炳琪等徐子兴等周定义等 )高度重视和广泛应用并取得了较好的应用效果 鉴于此本文基于 技术提取了贵州西部纳雍县中岭矿区(以下简称“研究区”)年 年 期 波段升轨形变场识别研究了矿区持续沉降变形的范围和程度并分析了该区域时序沉降时空变化其结果对煤矿矿山的安全生产、矿区居民生活保障和财产保护具有重要评价和指导意义 研究区概况研究区位于贵州省西部煤矿核心开采区面积约 矿区整体为脊状山、中山深切割岩溶侵 蚀 地 貌 地 势 南 北 高 东 西 低 最 高 海 拔 最低海拔 相对高差 气候为亚热带季风气候区年平均降雨量 降雨多集中在 月份研究区构造发育见有北东、近东西、北西向断裂褶皱较为宽缓出露的地层以二叠系、三叠系为主第四系零星分布 地层岩性以碳酸盐岩为主碎屑岩次之岩浆岩以喷出的峨眉山玄武岩为主见少量基性岩脉侵入 截至目前研究矿区煤矿累计查明资源探明资源量 千吨控制资源量 千吨推断资 源 量 千 吨 潜 在 矿 产 资 源 千吨研究矿区内采煤矿井 个其中 个生产 个在建 个停采其余为关闭矿井(该数据来源于 年贵州省矿产资源国情调查数据库)研究矿区地质灾害频发有历史滑坡、崩塌、地面沉降和地裂缝等数处 数据来源与方法 数据来源及处理研究采用 升轨干涉宽幅()模式 级雷达影像为数据源其数据分辨率为 幅宽:相关参数见表 辅助精轨数据以相应区域相应时段的 精密定轨星历数据为准地形相位的去除采用美国宇航局()提供的 数据分辨率为 实验应用 软件基于 技术分析了 数据 技术提取研究矿区形变信息主要步骤有 原始 数据格式转化、数据裁剪、精密定轨星历数据轨道修正差分干涉对生成、点目标选取、差分干涉图的解缠以及时间形变序列的提取等数据处理过程中为了提高监测精度设置差分干涉多视比为 最大时间基线 天空间基线 天相干点方法选取相干系数和振幅离差法并将相干系数大于 的相干点目标保留共获取高相干点目标 个表 数据及获取时间 序号数据获取时间序号数据获取时间序号数据获取时间 贵 州 地 质 年 卷 续表序号数据获取时间序号数据获取时间序号数据获取时间 研究方法 技术监测形变的原理是通过设置时空、基线条件将同一研究区的多期 影像分组成若干个基线集合利用最小二乘准则获得每个基线集合的地表形变时间序列通过 分解方法再将分组后的短基线集进行联合求解进而得到研究区整个观测时间段内时序的地表形变信息具体可表述为:假定同一研究区成像时间为 的 幅 影像在短基线距的条件下可形成 幅差分干涉图且满足/()/对于干涉图 在去平地相位后干涉图中任意位置()的干涉相位可表示为:()()()()()()()()其中为干涉图 所对应 影像的获取时间为 时间段内地表视线向()形变相位、分别为大气相位和噪声相位 其中前三项可表示为:()()()/()()/()()()()()式中 为雷达波长 为斜距 为垂直基线为 高程差 为入射角若不同干涉图间的形变速率为 则 的累积形变量可表达为:()()()对 幅干涉图进行三维时空相位解缠和地理编码后便可求出不同 影像获取时间的形变速率(何秀凤等张丰等)结果与分析首先分析研究区的年平均形变速率、时序形变量然后结合采煤工作面和野外调查等方式验第 期 安 全等:基于 技术与 影像的贵州西部矿区地表沉陷监测证了监测结果的准确性与可靠性 形变速率分析基于 技术获取的研究区 年 月 日 年 月 日的年平均形变速率如图 所示红色负值表示地物目标位移远离卫星传感器的方向绿色正值表示地物目标位移朝着卫星传感器的方向即前者为沉降变形后者为抬升变形 据监测结果分析可知研究区视线向()年平均形变速率变化范围在 最大沉降年平均沉降速率达到 主要沉降变形区外围有一定的微抬升变形且未变形区域主要位于老滑坡群底部或煤矿井口附近这主要是老滑坡坡顶滑坡碎屑物质因力学性质失衡往下堆填或采煤遗留废渣外排所致 研究区沉降速率大于 的形变区主要集中在中部偏北变化范围较集中形变方向沿呈近东西向展布 从图 还可以看出本次利用 时序分析技术共监测出 处范围较大的沉降隐患中心即为、和 且矿区地表沉降程度由西至东逐渐增大沉降变形越来越明显图 研究矿区年 向平均形变速率分布 中岭井沉降中心、湖坝中井沉降中心、向阳矿井沉降中心 时序 分析为更直观分析研究区地表形变的时空分布规律首先将 技术获取的 年 月 日 年 月 日的形变累积量利用 采用自然邻域法插值法得到研究区各期连续面上形变量然后选出 年总共 个季度具有代表性的形变量制图分析研究区地表形变量的时空变化如图 所示 从观测时段内累积形变量时空分布季度变化图可以看出 年 月 日 年 月 日前研究区地表基本上未发生沉降变形地表处于较稳定状态自 年 月 日后研究矿区中部开始发生沉降变形此时变形区出现了一个沉降中心随后沿沉降中心沿走向方向开始出现了许多小的沉降中心沉降中心范围沿初始沉降中心走向和倾向方 贵 州 地 质 年 卷 向逐渐合并扩大 从 年 月 日年 月 日小的沉降中心逐渐与相邻沉降中心合并形成更大的沉降形变中心截至 年 月 日形成了 个大的沉降中心此时沉降中心范围基本固定 从 年 月 日年 月 日主要沉降变形区南北向范围变化不大东西向略微增加但 个大的沉降中心范围持续累积变大沉降深度也持续增加 另外在研究区南部区域从 年 月 日开始出现了一处较为明显的沉降变形中心截至 年 月 日该沉降中心的沉降深度和范围均有持续变化由此可见自 年下半年 年年末研究区的沉降变形具有持续性和连贯性尤其在 年 月 月期间沉降变形的范围和深度最为显著说明地下煤矿的开采范围也是持续扩大的图 研究矿区形变累积量时序变化 监测结果验证为了检验本次基于 技术获取 地表形变信息的准确性与可靠性将研究区煤矿的采矿工作面与监测结果叠加分析并结合实地野外调查核实方式进行验证其结果如图、所示从图 中可以看出、沉降中心主要位于 矿井工作面内 沉降中心主要位于、矿井工作面内三个典型沉降变形中心与矿井工作面具有较高的空间一致性由此可以看出研究矿区的沉降变形主要由地下煤矿开采引起经野外核实(图)为、矿井因煤矿开采形成的沉降中心 在地表也有较明显的变形反映一是在老滑坡群(含部分崩塌)基座部位发现有新滑坡体和崩落堆积物二是沉降中心附近道路路面有开裂下沉现象部分居民房屋墙体、院坝等设施出现有明显的拉张裂隙和沉降深度基于采矿工作面和实地野外调查核实均进一步证实了利用 技术获取的沉降形变结果是可靠的准确率达 以上第 期 安 全等:基于 技术与 影像的贵州西部矿区地表沉陷监测图 典型沉降变形中心与矿井工作面 中岭井工作面湖坝中井工作面向阳矿井工作面中岭井沉降中心湖坝中井沉降中心向阳矿井沉降中心图 、矿井变形区野外验证 讨论目前有关地面沉降的研究有人通过在变形区安装水准测量仪器、测量仪器以获取实测数据并在灾害发生时自动报警 基于实测数据相关学者将其与 检测数据对比发现二者误差在 以内(朱茂等马涛等魏聪敏等)证明了 观测结果具有较高的可靠性 然而本文研究区地形地貌复杂主要沉降变形区周围缺乏实地测量数据仅依据矿山采煤工作面、巷道以及采空区等数据和野外调查核实方式验证本次基于 期 波段影像观测的沉降变形结果的可靠性和准确性本次将 观测获取的主要沉降变形区与矿山开采工作面、采空区叠加分析其吻合度较好有较好的一致性在获取的沉降变形范围内随机选择部分点进行了野外验证有房屋、道路开裂和位移等现象说明本次观测结果准确可靠但因研究矿区地形地貌复杂植被覆盖较好如何在实测数据因变量与通过卫星数据观测获取的变量间建立联系用什么方法获取更精准的检测沉降变形乃至全面探查出类似矿区潜在变形隐患都是今后研究的方向 贵 州 地 质 年 卷 结论本文以纳雍县中岭矿区为研究区应用 时序分析技术成功识别了覆盖其范围的 期 升轨影像于 年观测时段内地面沉降隐患采用网格法获取主要沉降漏斗剖面特征点对其进行时序分析并结合矿山采煤工作面和野外调查验证了监测结果的准确性与可靠性结果表明:()研究区视线向()年平均形变速率变化范围在 最大沉降速率达到 沉降速率大于 的形变点主要集中在其中部偏北变化范围较集中形变方向沿呈近东西向展布并在观测时段内共检出了 处典型持续的沉降中心()沉降中心时序分析结果表明 技术监测沉降变形量时序变化符合矿山采煤沉降变形规律随着时间的变化沉降变形从起初不明显到变化剧烈再到逐渐趋于稳定其范围随煤矿采区的变化而变化就当前监测的地表沉降的分布态势而言呈在南北向扩张东西向渐有合并延展的趋势()将本次基于 期 波段影像观测的沉降变形结果与矿山采煤工作面、巷道以及采空区等数据叠加分析并在检出的变形区进行了野外调查和核实验证了 技术获取沉降变形的可靠性准确率达 以上上述研究结果充分说明了 技术获取的沉降变形对煤矿矿山的安全开采、以及研究矿区沉陷灾害的防治等都具有重要现实意义和指导意义参考文献安炳琪罗海滨丁海勇等 基于 技术的西宁地表形变监测 遥感技术与应用():陈萍 岩溶山区矿坑顶板冒落导水裂隙带高度估算有关问题讨论 贵州地质():何国清杨伦凌庚娣等 矿山开采沉陷学 徐州:中国矿业大学出版社何秀凤何敏 对地观测数据处理方法与综合测量 北京:科学技术出版社况忠熊兴国黄欣欣等 西藏改则亭贡地区遥感地质信息提取及找矿预测 贵州地质():李思发李亮安全 基于 卫星数据的矿山遥感监测方法及对象识别研究 贵州地质():卢莹颜惠庆杨俊凯等 不同分辨率 对 变形监测精度的影响分析 中国科技论文():马涛赵彦军张伟等 技术在矿山开采区沉降监测中的应用 测绘与空间地理信息():孟庆凯汪宝存苗放 基于短基线集方法()技术的山区城市地面沉降监测研究以攀枝花为例 科学技术与工程():汤伏全董龙凯王宗良等 基于沉陷对称特征的近水平煤层开采 三维位移反演模型 煤炭学报():魏聪敏葛伟鹏邵廷秀等 利用 合成孔径雷达干涉时间序列监测陇东地区地面沉降变形 遥感技术与应用():夏锐李铁张景发等 基于 技术的 矿区沉降监测与建筑群安全性研究 自然灾害学报():徐子兴季民张过等 基于 技术和 模型的矿区沉降动态预测方法 自然资源遥感():杨泽发朱建军李志伟等 联合 和水准数据的矿区动态沉降规律分析 中南大学学报():张丰刁鑫鹏谭秀全等 基于 技术的煤矿采空区探查与稳定性评价 煤炭科学技术():张宏雪曾润强孙萍萍等 基于 技术的延安新区地表沉降监测与分析 兰州大学学报:自然科学版():张香凝贺黎明刘翠之等 基于 技术的煤矿开采沉陷监测与分析 遥感技术与应用():周定义 左小清 喜文飞等 基于 技术的深切割高山峡谷区滑坡灾害早期识别 中国地质灾害与防治学报():周泽 岩溶矿区采动裂隙发育及其地表塌陷规律研究湖南:湖南科技大学朱茂沈体雁黄松等 技术地铁沿线建筑物形变监测 国土资源遥感():朱叶飞朱锦旗张雅婷等 基于小基线 技术监测九台营城矿区 年地表形变 遥感技术与应用():朱怡飞姚鑫姚磊华等 基于 和光学遥感的贵州鬃岭采煤滑坡识别与危险性评价 地质力学学报():():/:第 期 安 全等:基于 技术与 影像的贵州西部矿区地表沉陷监测 (.)().:()().().贵 州 地 质 年 卷