基于SBAS-InSAR技术的M宗地采空区遥感解译.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：陕西省科技厅重点研发计划资助项目（）作者简介：李倩文（），女，陕西宝鸡人，助理工程师，年毕业于西安科技大学，现从事 数据处理与应用研究的工作。引用格式：李倩文，鲜全，童锋，等 基于 技术的 宗地采空区遥感解译 能源与环保，（）：，（）：基于 技术的 宗地采空区遥感解译李倩文，鲜全，童锋，张帆，张童康，孙科（西安煤航遥感信息有限公司，陕西 西安 ；新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 ）摘要：苇湖梁矿界已楔入乌鲁木齐市，采煤塌陷导致的问题日益突出，严重影响了市区土地空间规划。针对该问题，以苇湖梁矿区为研究区，宗地采空区位于矿界内，基于 年月 年 月期间 景 数据，采用先进的 技术对地表形变进行提取、光学影像辅助解译、与工作面叠加进行长时间序列分析。结果表明，宗地采空区内没有表现出形变，但是在该宗地的东北部即苇湖梁矿区工作面位置，表现出明显的地面塌陷形变，东南部及西南部有轻微形变；提取的形变位置及范围基本与苇湖梁矿区工作面位置吻合，随着时间推移、工作面推进，形变位置及范围随之发生变化；研究区最大形变速率为 ，最大累积形变量为 。以上监测结果可以为该地区的煤炭开采、场地稳定性评价以及工程建设提供依据。关键词：；解译；工作面；长时间序列分析；形变位置及范围中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；众所周知，地下开采活动一直以来都对地面稳定性造成了很大的破坏，其中以地表沉陷 、地裂缝为主，这些开采造成的地面破坏严重影响了采空区地表的生态环境和人们的日常生活 。因此，有必要对其进行监测和研究。传统的监测方法有人工巡视、水准测量 、观测站测量 、物探 等方 年第 期能源与环保第 卷法，但这些方法在实际应用起来不仅费时费力，而且只能监测到一个点上的形变信息，并不能提取整个沉降盆地的形变信息 ，给矿区开采沉陷监测造成了巨大的困难。合成孔径雷达干涉测量（，）具有全天时、大范围等优势，是一种先进的对地观测方法 。差分雷达干涉技术（，）被证实可监测地表微小形变，被广泛用于矿区、城市等地表监测，但该技术易受失相干和大气效应等影响 。针对 技术存在的不足，国内外学者提出了以永久散射体（，）和小基 线 集（，）为代表的时序 技术。技术以单主影像组合方式生成干涉对，有效减弱了大气效应，且采用矢量格式进行点处理，提高数据处理的速率，但要求影像数量在 个以上，同时要求研究区具有充足的高相干点，比较适用于城市地表形变监测 。对 进行了改进，采用多主影像组合方式生成干涉对，减弱时空基线误差，且对影像数量要求低，不需要大量数据，已被众多学者广泛应用于矿区地表形变监测。年，尹宏杰等 利用 技术提取了冷水江矿区的时序累积形变信息，并进行了时序剖线分析，最终揭示了沉降漏斗的形变规律。年，李金超等 将 技术与 算法相结合，实现淮南矿区居民区的形变监测与预测。年，方林等 基于 数据，采用 对梁北矿区地面塌陷进行解译，并野外核查了 监测结果，表明 可以应用于矿区形变监测，全面提取矿区形变信息。年，王凤云等 采用 监测了山东省济阳矿区地表沉降情况，将水准数据与其监测结果对比分析，得到二者的沉降趋势基本一致，对于沉降值小的位置，监测精度高；相反，监测精度较低，但是 可以监测矿区形变的变化趋势，满足矿区形变监测需求。由此可见，非常适用于矿区形变监测，可以精确识别形变位置及形变范围。苇湖梁矿界已楔入市内，影响了乌鲁木齐市区土地规划。目前，对于乌鲁木齐市苇湖梁矿区（宗地位于矿内）的形变监测，大部分学者都是基于光学遥感技术监测该地区的地面塌陷以及地面塌陷引发的地质灾害 ，基于 技术的该矿区地面形变监测相对较少。年，罗文奇 基于 年期间 景 数据，采用 技术监测乌鲁木齐市主城区地面沉降。年，张天等 基于 年期间 景 数据，利用 技术监测乌鲁木齐市城区建筑物形变。上述研究学者均使用 软件进行 处理，监测的数据相对现在时间较长，且未进行长时间序列形变规律分析。针对这些不足之处，本文基于 年月 年月期间免费的 数据，利用 软件，采用 技术对研究区进行形变解译，获取 宗地及其周边采空区空间分布位置、地面塌陷沉降范围以及长时间序列形变演变过程，初步分析评价采空区场地稳定性及工程建设适宜性，为圈定 宗地采空区范围和场地稳定性评价提供依据。研究方法 技术于 年提出，是在 技术基础之上发展的，核心思想是为减弱时空失相干影响，采用多主影像，设置时空基线阈值组成干涉对，利用最小二乘法求解时序形变信息 。假设选取 幅 影像，设置合理时空基线阈值，组合成幅差分干涉图，且 满足：（）（）假设对、（）个时间获取的主从影像生成第 景干涉图，去除平地和地形相位后任意一点的干涉相位可表示为：（）式中，为、时间段的雷达视线（）方向形变量；、分别为该时间段高程误差、大气误差、噪声引起的相位差。其中，、可具体表示为：（）（）式中，为雷达波长；为斜距；为垂直基线；为高程差。对差分干涉图进行自适应滤波（），采用最小费用流（）法进行解缠。去除高程、大气、噪声误差相位后的干涉相位为视线方向的形变相位值，即：（，）（，）（，）（）年平均形变相位速率为：年第 期李倩文，等：基于 技术的 宗地采空区遥感解译第 卷 ，（）则第 景干涉图的形变相位值为：，（）（）式中，为 的矩阵，采用 法求得矩阵最小范数意义上的最小二乘解，最终获得时序形变信息。具体技术流程如图 所示。图 技术流程 研究区与数据源 研究区概况本文研究区为苇湖梁矿区，重点区为 宗地采空区，一般区为遥感解译区，如图 所示。研究区位于新疆乌鲁木齐市水磨沟区，北部为苇美小区，南部达坂城小镇。图 研究区地理位置 宗地采空区东至维斯特小区，东至维斯特小区，南至世界公元小区，西至七道湾路，北至苇电南一巷。基本位于苇湖梁矿区，建设项目距乌鲁木齐市政府 ，距水磨沟区政府 。数据源研究应用的数据源有 影像数据、外部 数据、外部精密轨道数据以及光学影像数据。为了监测分析研究区地表形变特征，免费下载获取 景 影像数据。该影像数据为干涉测量宽幅模式（）的单视复数影像数据（），重坊周期为 ，时间自 年 月 日至 年 月 日，轨道文件采用 精密定轨星历数据（表 ）。表 研究区 数据获取时间及参数 编号 成像时间极化方式分辨率幅宽 轨道参数获取时间 为了去除干涉相位中的地形相位以及提高 影像之间的配准精度，在处理过程中，还需要高精度的 数据作为辅助数据进行配准、去除地形相位等操作。在 处理方面，外部 数据选用美国航空航天局提供的 分辨率 。此外，利用光学影像对研究区进行辅助解译，掌握地面塌陷形变特征。数据处理与结果分析 数据处理基于 景哨兵 升轨数据（年 月 年 月）、精密轨道（）及 数据，采用 技术监测研究区地表形变。本次数据处理在 软件中完成，具体如下。（）数据准备。选取 景 数据通过 平台导入，结合研究区了解其相对应的 及 。然后基于 软件提取出工作区域的 ，以节省时间、提高数据处理效率。同时，年第 期能源与环保第 卷为了去除地形和平地效应误差，将外部 分辨率的 数据通过地理编码转换成雷达坐标系统下的 ，将用于后续影像配准及差分干涉生成等处理。（）影像配准。根据主影像选取原则，挑选位于中间一景影像作为超级主影像（），其余为从影像，主从影像进行两两配准，将所有的影像数据重采样到主影像空间下，配准完成后需查看配准质量文件及干涉图，在方位向配准精度均优于 个像元，满足干涉的要求。（）去斜、添加精密轨道数据。由于多普勒质心变化引起方位向相位斜坡，需要对配准后生成的所有主从影像（）进行去斜处理。同时，为了减弱轨道误差，添加 景影像所对应的精密定轨星历数据（），用于更新去斜后的 参数文件。（）初始基线的差分干涉、滤波、解缠。为了减弱时空基线失相干误差，将时间阈值设置为邻近影像的三景，生成时空基线连接图。然后得到 对干涉图，为了抑制干涉图的斑点噪声，提高干涉图中每个像元的信噪比，对每一幅干涉图进行多视，裁剪后的多视视数为 ，利用外部 模拟地形相位，同干涉图进行差分，得到去除地形和平地效应相位的差分干涉图；再采用 自适应滤波方法进行滤波，进一步降低信号噪声，同时计算像元相干系数；最后对滤波后的差分干涉相位采用最小费用流（）法进行相位解缠。（）精密基线的差分干涉、滤波、解缠。由于存在基线误差的影响，采用 点结合地面高程值和对应的解缠干涉相位进行基线优化。得到优化后的干涉基线，重复上述步骤（），利用精密基线再次进行差分干涉、滤波、解缠处理，以获取解缠后的差分干涉相位。下面仅展示其中一对差分干涉图、滤波后的差分干涉图及解缠图，如图 （）、（）、（）所示，黑色圆圈为研究区，图 （）为这一对差分干涉图的相干图，用于验证本次研究数据处理的可靠性。可以看出，研究区域黄颜色较多，表明研究区域影像相干性较好，最终得到高质量解缠图。图 差分干涉 （）形变计算。基于上一步得到的解缠相位，利用最小二乘法对形变在时间维上的低通成分和可能存在的伪地形进行估计和去除，得到改善以后的差分干涉图。将改进的差分干涉图对形变速率进行重新模拟计算，并对计算得到的残余相位再次进行解缠，将解缠后的残余相位和之前得到的形变在时间维的低通部分重新相加，得到每一幅差分干涉影像的精确形变相位。最后，利用奇异值分解法（）对每个像元求最小二乘解，估计时间序列非线性形变、误差。（）大气相位去除。大气相位被认为是在空间上高相关和在时间上低相关。在处理中，先进行时间上的高通滤波，再进行空间上的低通滤波，就可以对大气相位进行估计和去除，最终得到精确的形变信息。（）地理编码。对去除大气相位形变序列图进行地理编码，可将雷达坐标系下的地表形变结果投影到地理坐标系下，得到视线方向上地表形变速率图、累积形变图及时序累积形变图。结果分析与讨论采用 技术对研究区的 景 数据进行处理，获取了 年 月 日 年 月 日期间雷达视线方向（）的年平均形变速率（图 ），累积形变量（图 ）及时间序列累积形变量（图 ）。由形变速率图及累积形变量（图 和图 ）可知，在 年 月 年 月期间，重点区（宗地采空区）内没有表现出形变，距离最近的地表塌陷区分布在 宗地采空区的东北部，垂直距离约 ，地表形变速率为 ，累积形变量为 ；宗地采空区的东南部及西部表现出微小形变，宗地采空区距离东南部形变区的垂直 年第 期李倩文，等：基于 技术的 宗地采空区遥感解译第 卷距离大约 ，形变速率为 ，累积形变量为 ；宗地采空区距离西部形变区的垂直距离约 ，形变速率为 ，累积形变量为 。图 年平均形变速率 图 累积形变量 一般区（遥感解译区）内有一小部分形变，形变速率为 ，累积形变量 。最明显的形变表现在 、两个形变区域，结合苇湖梁矿区采空区资料可得，、形变区均位于苇湖梁煤矿边界内，其中 区域为苇湖梁煤层水平西翼形变区，最大年平均沉降速率达到 ，最大累积形变为 ；区域为苇湖梁煤层水平东翼形变区，最大年平均沉降速率达到 ，最大累积形变为 ，、区域形变面积约 。在 景影像中等间隔选取的 景时序形变量如图 所 示。由 图 可 知，假 设 第 一 景 影 像（）为起始影像，即形变量为 ，从获取的整体结果上看，随着时间推移，苇湖梁矿区开采工作面推进，形变量缓慢增大，形变影响范围逐渐扩大，可以清楚地看到采空区形变缓慢的变化过程。结合苇湖梁矿区开采工作面资料可知，开采方向为自东向西、自南向北。因此，年月 日，最开始在 区域表现出明显形变；随后，于 年 月 日在区域表现出明显形变；最终，随着时间推移，工作面推进，截止到 年 月 日，、两个区域的 年第 期能源与环保第 卷形变范围逐渐扩大，使其连接在一起，区域形变比区域形变更加严重，需要引起注意。图 时序形变量 年第 期李倩文，等：基于 技术的 宗地采空区遥感解译第 卷形变区对应的光学影像如图 所示。由图 可知，蓝色代表 、形变区范围，影像上为大片广阔土地，地上有煤炭堆积，煤炭运输移动及土地松动痕迹；同时将工作面与 形变结果图叠加，发现 形变结果与工作面重合，最严重沉降中心处位于 形变区域工作面（年）上的 号煤层，表明煤矿开采具有滞后性。截至 年 月，采空区仍然表现出形变，表明采空区未稳定，需要引起注意。通过 与光学影像相结合解译，证实了 形变解译的可靠性及科学高效性。图 形变区对应的光学影像 结论采用 技术对研究区 年 月 日 年 月 日期间地表形变进行监测，主要结论如下。（）利用 技术提取了地表形变速率及时序累积形变量信息，全面了解了研究区的地面塌陷情况，达到了对本次研究整体面状区域监测的目的。（）宗地采空区内虽然没有表现出形变，但是距离最近的地表塌陷区分布在 宗地采空区的东北部（苇湖梁矿区工作面位置），垂直距离大约 ，地表形变速率为 ，累积形变量为 ；遥感解译区内有一小部分形变，形变速率在 ，累积形变量在 ；周边苇湖梁采空区地表形变表现出 、两个区域（苇湖梁煤层水平西翼、东翼），区域的形变最严重，最大形变速率达 ，最大累积形变量达 ，距离 宗地采空区较近，需要当地矿区开采人员密切关注。（）结合苇湖梁矿区开采工作面等资料，得出形变区域与工作面位置相吻合；同时，结合光学影像，剔除人为的建筑物拆除、人工回填等因素的地面高程值的变化，判别是采空塌陷引起的形变，表明了 技术在矿区地表形变遥感解译的可靠性及科学性，可为乌鲁木齐市工程建设提供参考。参考文献（）：何国清，杨伦，凌赓梯，等 矿山开采沉陷学 徐州：中国矿业大学出版社，张深 煤矿开采地表沉陷预测及其防治研究 能源与环保，（）：，（）：方忆刚，郭飞翔 永城市采煤塌陷区地质环境问题及修复治理措施 能源与环保，（）：，（）：姚未正，徐克科，刘吉鹏，等 位错模型的矿区地表沉降监测 测绘科学，（）：，（）：李海良 矿区地表沉陷监测中 代替四等水准的可行性分析 能源与环保，（）：，（）：李科强，李假广，魏增超 基于综合物探勘测的地质灾害评估 能源与环保，（）：，（）：，刘茜茜 基于多源星载 数据的矿区地面沉降监测研究 徐州：中国矿业大学，朱建军，李志伟，胡俊 变形监测方法与研究进展 测绘学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：朱邦彦，唐超，任志忠，等 基于 技术的珠海市地表形变监测与驱动力分析 测绘通报，（）：，年第 期能源与环保第 卷 ，（）：尹宏杰，朱建军，李志伟，等 基于 的矿区形变监测研究 测绘学报，（）：，（）：李金超，高飞，鲁加国，等 基于 和 的居民区形变监测与预测 大地测量与地球动力学，（）：，（）：方林，吕灯，徐郅杰 技术在矿区地表变形监测中的应用 能源与环保，（）：，（）：王凤云，陶秋香，郭在洁，等 基于 技术的矿区地面沉降监测与分析 中国科技论文，（）：，（）：杜茜诗慧，于浩，孙卫东，等 新疆苇湖梁煤矿塌陷区的动态监测分析 水土保持研究，（）：，（）：，王超，于浩，孙晓玲，唐高彤 乌鲁木齐苇湖梁煤矿沉陷区遥感地质灾害调查研究 西部探矿工程，（）：，（）：，罗文奇 技术在乌鲁木齐市地面沉降监测中的应用 南昌：东华理工大学，张天，庞蕾，徐西桂，等 短基线集干涉技术对乌鲁木齐市城区沉降监测 北京建筑大学学报，（）：，（）：张文龙，张童康 集成 与高分影像的地质灾害隐患早期识别与应用研究 能源与环保，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）王小利，张志辉 铝土矿矿山地质环境恢复治理工程设计 能源与环保，（）：，（）：任岐山，高召奎，杨德根，等 废弃采石矿山地质环境问题及治理对策 能源与环保，（）：，（）：程宝成 露天铝土矿矿山地质环境综合评价与恢复治理研究 北京：中国地质大学（北京），戴兴，郭立霞，景丽媛 焦作周窑村废弃矿山地质环境问题及治理对策 中国锰业，（）：，（）：杜华明，李广济 河南省博爱县月山寺北部废弃矿山地质环境与地质环境评价 西部资源，（）：，（）：刁文博，张传东 露天矿山地质环境问题及其综合治理技术 能源与环保，（）：，（）：刘宏磊 矿山环境修复治理和开发利用模式的理论与实践研究 北京：中国矿业大学（北京），贾超 秦岭周至县古骆矿业石英露天矿山地质环境影响评价研究 西安：长安大学，覃茂刚，伍德明，孙龙飞，等 海南小型露天采石场矿山地质环境治理方法探讨：以日富石场为例 中国矿业，（）：，：，（）：