融合D-InSAR与PS-InSAR的神东矿区开采沉陷监测方法_魏纪成.pdf

融合D-InSAR与PS-InSAR的神东矿区 开采沉陷监测方法 魏纪成 1 张红霞 1 白泽朝 2 王淑晴 31 （1. 内蒙古自治区测绘院， 内蒙古 呼和浩特 010051； 2. 信息工程大学地理空间信息学院， 河南 郑州 450001； 3. 中国地质大学 （北京） 土地科学技术学院， 北京 100083） 摘要针对神东矿区地表变形区域多、 分布范围广等问题， 采用常规合成孔径雷达差分干涉测量技术 （Dif- ferent Interferometric Synthetic Aperture Radar， D-InSAR） 对矿区地表变形区进行了大范围筛查， 同时结合永久散射体 合成孔径雷达干涉测量技术 （Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar， PS-InSAR） 监测地表变形区 的长时间序列变化特征。结合2016年10月2017年6月获取的神东矿区北部鄂尔多斯地区21景Sentinel-1影像， 采用D-InSAR技术进行处理， 获取矿区地表变形信息， 揭示矿区地表变形在时间与空间上的演变过程。研究表明 利用差分干涉图共解译出了35处较为明显的地表变形区域， 结合PS-InSAR技术获取的变形图， 通过影像解译和 实地调查， 认为造成地表变形的主要因素为露天矿开采造成的边坡失稳和煤矿地下开采引起的地表塌陷， 此外， 通 过D-InSAR技术监测到的变形区与实地调查结果吻合性较好， 表明采用该技术进行矿区地表变形监测与分析效果 较好。 关键词开采沉陷地表变形D-InSARPS-InSARSentinel-1成因分析 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-055-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910009 Integrated Monitoring of the Mining Subsidence of Shendong Mining Area Based on D-InSAR and PS-InSAR Technology Wei Jicheng1Zhang Hongxia1Bai Zechao2Wang Shuqing32 （1. Inner Mongolia Autonomous Region Surveying and Mapping Institute， Hohhot 010051， China； 2. Geospatial Ination Institute， Ination Engineering University， Zhengzhou 450001， China； 3. School of Land Science and Technology， China University of Geosciences （Beijing） ， Beijing 100083， China） AbstractIn view of the large number of surface deation zones and wide distribution range in Shendong mining ar- ea， the conventional D-InSAR（different interferometric synthetic aperture radar）technology is used to screen the surface de- ation zone of the mining area， and the long-term sequence variation of the surface deation zone is monitored by PS-In- SAR（persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar）technology.Based on the 21 images of Sentinel-1 in the Or- dos area of the north of Shendong mining area from October 2016 to June 2017， the D-InSAR process is pered to obtain the surface deation ination of the mining area， and to reveal the evolution process of surface deation in time and space.The study results show that 35 obvious surface deation regions are interpreted by differential interferogram， and the deation map is obtained by combining PS-InSAR technology.Through optical image interpretation and field investigation， it is analyzed that the main factors causing surface deation are the slope instability caused by open pit mining and col- lapse caused by underground mining.In addition， the deation regions detected by D-InSAR have different degrees of defor- mation in the field， they are basically consistent with each other， which verifies the reliability of D-InSAR technology in the monitoring and analysis of mining subsidence. KeywordsMining subsidence， Surface deation， D-InSAR， PS-InSAR， Sentinel-1， Cause analysis 收稿日期2019-08-20 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41401622） 。 作者简介魏纪成 （1977） ， 男， 副高级工程师， 硕士。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 55 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 矿区地下开采在引起地表变形的同时， 会进一步 导致地面塌陷和沉降， 极大影响了矿区安全开采以及 矿区生态环境。合成孔径雷达差分干涉测量技术 （D- InSAR） 具有全天时、 全天候、 低成本等突出优势 ［1］， 能 够获取大范围、 高精度的地表变形信息， 在地震 ［2-3］等 大形变地质研究领域和滑坡 ［4-5］、 矿区沉陷［6-7］、 城市沉 降 ［8-9］等缓慢微小变形地质灾害监测分析方面得到了 广泛应用。近年来， 针对煤矿开采引发的地表变形， 学者们进行了大量研究。李楠等 ［10］利用D-InSAR技 术和概率积分参数反演方法对矿区地表沉陷进行了 研究； 肖瑶等 ［11］对二轨法、 三轨法等不同D-InSAR技 术获取的变形结果的差异性进行了分析； 李达等 ［12］ 和丁刘建等 ［13］采用SBAS-InSAR技术分别对榆林、 滕 州矿区进行了地表沉陷监测分析， 取得了理想成效； 刘琪等 ［14］和白泽朝等［15］对InSAR技术在矿区地表沉 陷监测方面的适用性进行了分析。由于受到去相 干、 打变形、 变形区分布范围广等因素影响， 多采用 常规D-InSAR技术获取短时间内的地表沉陷信息， 在相当程度上影响了矿区地表InSAR监测技术的推 广和应用。 针对矿区地表采空中心失相干严重的问题， 以 神东矿区北部鄂尔多斯地区为例， 将D-InSAR和PS- InSAR技术进行有机结合， 采用常规D-InSAR 技术对 大范围变形区进行筛查定位， 利用PS-InSAR技术 ［16］ 监测矿区周边长时间序列内的地表缓慢微小变形。 结合C波段Sentinel-1卫星数据， 采用所提方法对矿 区开采沉陷进行监测分析， 并结合矿区实地调查结 果， 进一步讨论地表沉陷监测效果。 1研究区地质概况 神东矿区位于陕西省神木县北部、 府谷县西部、 内蒙古伊金霍洛旗和鄂尔多斯东胜区南部， 为世界 七大煤田之一。研究区位于神东矿区范围内， 地理 坐标位置为 3906′～ 4011′N， 10924′～11018′E （图 1） ， 地貌主要为丘陵沟壑区， 海拔 1 300～1 500 m。气候属典型的温带大陆性气候， 干旱少雨， 全年 降水集中在 7～9 月， 年平均降水量为 300～400 mm。 神东矿区位于鄂尔多斯沉降构造盆地中部， 属华北 地台的次级构造单元、 鄂尔多斯地台向斜的一部分， 强烈的新构造抬升活动是区内环境脆弱、 侵蚀剧烈 的主要因素之一 ［17］。近年来， 矿区煤炭资源大规模 开采所引发的地质环境问题尤为突出， 沉陷盆地和 沉陷裂缝在矿区分布广泛 ［18］。 2D-InSAR处理流程及数据来源 本研究采用常规 D-InSAR 技术获取差分干涉 图， 通过解译差分干涉图， 解译出较为明显的地表变 形区域， 结合PS-InSAR技术得到时间序列形变图。 具体处理步骤为 ［19-20］ ①数据预处理， 将原始SAR影 像导入， 进行精密轨道修正， 对研究区影像进行裁 剪， 选取主影像； ②差分干涉图生成， 将主辅影像进 行配准， 计算干涉图， 去除地平和地形相位， 获取差 分干涉图； ③变形反演， 选取PS候选点， 滤波去除大 气相位， 将PS候选点的相位信息导入模型进行解算， 获取高精度的变形信息和输出地理编码成果。 试验数据采用2016年10月2017年7月的Sen- tinel-1卫星升轨获取的21景IW模式SAR影像， 分辨 率为5 m20 m， 范围60 km110 km。综合考虑时 间、 空间基线和多普勒中心等因素， 选取2017年2月 4日的影像作为公共主影像， DEM数据为SRTM的3″ 数据， 格网间隔为90 m90 m， 对数据进行常规D- InSAR及PS-InSAR处理。干涉数据基本参数如表1 所示。 3变形特征及成因分析 3. 1变形区域识别 针对矿区开采沉陷区中心变形梯度大、 失相干 56 ChaoXing 2019年第10期魏纪成等 融合D-InSAR与PS-InSAR的神东矿区开采沉陷监测方法 严重的问题， 采用常规D-InSAR技术获取差分干涉 图， 影像对成像时间内发生的地表变形一般在差分 干涉图中表现为规律的相位颜色周期变化。利用差 分干涉图的这类特性， 可以对大区域矿区中地表变 形区进行识别和定位。如图2所示， 在研究区中共解 译出了35处较为明显的地表形变区域， 选取5处典 型区域放大发现， 均存在较规律的相位颜色周期变 化特征， 表明采用D-InSAR技术可有效定位地表变形 位置和影响范围。 选取2016年12月6日2017年3月24日获取的 10景影像进行分析， 将2016年2月6日的影像作为主 影像， 其余为辅影像， 获取9幅差分干涉图， 即辅影像 成像时间相对于主影像成像时间间隔内发生的地表 变形量， 研究其变形中心的时空演变过程。图3为随 着时间增加的差分干涉序列图， 从2016年12月30日 开始出现较为明显的相位周期条纹， 随着时间基线 增加， 相位周期变化条纹增多， 变形范围逐渐扩大， 其中可分辨的最大变形量为3个相位周期 （形变量约 8.4 cm） 。随着变形梯度变得陡峭， 最终导致严重去 相关， 阻碍了地面变形的恢复 ［21］。 3. 2时间序列变形量 为详细分析矿区周边区域的地表缓慢变形， 本 研究获取了2016年10月2017年7月的地表变形量 分布图， 如图4所示。在图上共提取了136万余个PS 点， 点密度达到208个/km2， 较好地反应了研究区地 表变形情况。总体上， 神东矿区的地表变形区域位 于研究区北部和南部， 主要分布在达拉特旗、 伊金霍 洛旗以及东胜区， 共有多达30余处较明显的地表变 形区域。 本研究选取8处典型的地表变形区 （图4中A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H点） 进行分析， 并绘制了变形点的时间 序列图 （图5） 。由图5可知 8处典型区域变形漏斗 中心时间序列的变形累计量为-76～-121 mm， 其中， H点的累计变形量高达-121 mm。 57 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 3. 3变形成因 为验证本研究开采沉陷监测结果的可靠性， 对8 处典型区域中较为明显的地表变形区进行了实地勘 测。根据图2和图4对变形位置进行定位， 在研究区 北部和南部分布着数十座不同规模的煤矿， 通过实 地勘测和光学遥感影像比对， 认为造成地表变形的 主要因素为露天矿开采造成的边坡失稳和煤矿地下 开采造成地下采空引起的地表塌陷。露天矿开采实 地勘测结果如图6所示， 分布位置在达拉特旗袁家沟 （A点） 、 黑哨咀子 （B点） 、 东胜区前进队 （D点） 和榆林 市神木市东沟 （H点） 。通过光学影像解译， 内部由于 地表变化剧烈无法提取有效监测点， 变形点主要分 布在露天矿开采边坡边缘 （图7） 。实地调查表明， 边 坡深达十几米， 随着煤田不断开采， 地表变形失稳情 况日趋严重。 图8所示为煤矿地下开采引起的塌陷区， 分布在 东胜区隆盛兴村 （C点） 、 伊金霍洛旗长巴梁 （E点） 、 柠条梁 （F点） 和都嘎敖包嘎查 （G点） 。通过光学影 像解译， 发现变形区主要分布在地表裸露的沟壑 区。实地踏勘发现部分变形区地表出现沉陷裂缝以 及地表形变引起的路面开裂现象 （图9） ， 严重影响车 辆通行安全。总体上， 本研究变形监测结果与野外 实地调查结果吻合性较好， 通过影像解译出的变形 区在实地均存在不同程度的地表变形情况。 4结论 （1）Sentinel-1卫星的大幅宽数据非常适合于矿区 变形位置筛查， 通过常规D-InSAR技术获取神东矿区 58 ChaoXing 差分干涉图， 对地表变形区域进行筛查， 共解译出35 处较为明显的变形区域， 确定了变形位置和影响范围。 （2）神东矿区地表变形区位于北部和南部， 主要 分布在达拉特旗、 伊金霍洛旗以及东胜区， 选取了8 处典型变形区进行影像解译和野外踏勘， 其中榆林 市神木县东沟变形漏斗中心时间序列的累计变形量 高达-120 mm。 （3）通过光学影像解译并结合实地调查表明， 造 成地表变形的主要因素为露天矿开采造成的边坡失 稳和煤矿地下开采引起的地表塌陷。本研究监测到 的变形区域均在实地存在不同程度的变形现象， 验 证了监测结果的可靠性。 参 考 文 献 靳国旺， 徐青， 张红敏.合成孔径雷达干涉测量 ［M］ .北京 国防 工业出版社， 2014. 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