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中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 Q 3 圣 密级 公珏 基于I n S A R 技术的锡矿山开采沉陷规律研究 L a wo f m i n i n gs u b s i d e n c ei nX i k u a n g s h a nu s i n gI n S A R 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 论文答辩日期到 雷广渊 测绘工程 变形监测 地球科学与信息物理学院 朱建军教授 洪明洋高工 答辩委员会主席兰4 丛盗』 中南大学 2 0 1 3 年0 5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名霉≠墨型日期卫年堕月翌日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留 学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩 印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名 新签名燮竖隗型年虫乒日 基于ln S A R 技术的锡矿山开采沉陷规律研究 摘要矿产资源的过度开采使得在地下空间形成了较大区域的采空区，大范 围的采空区致使岩层和地表发生移动，地上建筑物、道路等被破坏，不仅危 害了人类的生命财产安全，而且造成了矿产资源开采难度增加甚至无法开采。 合成孔径干涉雷达技术 I n t e r f e r o m e t r i cS y n t h e t i cA p e r t u r eR a d a r , I n S A R 应用 在矿山地表监测方面已经有较多案例，它具有全天候、面状观测以及可以监 测厘米级形变等优势。本文探索研究合成孔径雷达差分干涉测量 D i f f e r e n t i a l I n t e r f e r o m e t r i cS y n t h e t i cA p e r t u r eR a d a r , D I n S A R 技术与地形图的配准问题 和利用小基线集 S m a l l ．b a s e l i n eS u b s e t ，S B A S 技术获得的矿区形变监测结 果分析锡矿山的开采沉陷规律，主要研究工作和创新点包括 1 基于C R 点的I n S A R 沉降场与地形图的配准研究 I n S A R 沉降场与我国地形图在坐标系和投影方式上存在差异，而且 I n S A R 本身的地理编码也存在误差。针对这一问题，本文提出一种基于人工 角反射器 C R 点 的I n S A R 沉降场与地形图的配准算法。该算法首先通过 探测和识别S A R 影像上C R 点位置，然后对地理编码后的I n S A R 影像进行 校正，最后利用仿射变换对I n S A R 沉降场进行坐标和投影转换，从而实现与 地形图的配准。实验结果表明，该算法精度可靠，原理简单，易于编程实现。 2 小基线集技术分析锡矿山开采沉陷规律 D ．I n S A R 技术由于失相关等因素影响无法获得长周期的时序形变，小基 线集技术削弱了失相关影响，可以获得时序的地表形变。本文将小基线技术 应用在金属矿山开采沉陷规律分析中，通过1 4 期小基线观测数据分析了锡 矿山童家院矿床的地表移动形态特征，实验表明，锡矿山上覆地表移动规律 从宏观上可以使用高斯正态曲线拟合矿体走向和倾向两个方向的下沉曲线。 通过与采空区叠加分析得出了锡矿山地表的沉降的原因，并针对I n S A R 获取 的沉降值在求取倾斜曲线时出现不连续性，本文利用滑动平均方法对下沉值 进行修正，获得了具有合理物理意义的倾斜曲线。图3 0 幅，表6 个，参考 文献5 0 篇。 关键词I n S A R ；配准；地形图；小基线集；金属矿山；开采沉陷 分类号 1 1 L a wo fm i n i n gs u b s i d e ‘X i k u a n g s h a nu s i n gInSARm s i a e n c ei n A b s t r a c t O v e r - e x p l o i t a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e si nt h eu n d e r g r o u n ds p a c e f o r m e dl a r g ea r e ao ft h eg o a f , w h i c hl e a dt ot h er o c ka n ds u r f a c em o v e ．B u i l d i n g s ， r o a d sa n do t h e rf a c i l i t i e so nt h eg r o u n da r ed a m a g e d ，t h o s en o to n l ye n d a n g e rt h e s a f e t yo fh u m a nl i f ea n dp r o p e r t y , b u ta l s or e s u l ti nt h ee x p l o i t a t i o no fm i n e r a l r e s o u r c e sm o r ed i f f i c u l to re v e nu n a b l et om i n i n g ．S y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r t e c h n o l o g yh a sb e e ns o m es u c c e s s f u lc a s e su s e di nm i n em o n i t o r i n g ．I th a st h e a d v a n t a g eo fa l l w e a t h e r , p l a n a ro b s e r v a t i o na n dm o n i t o r i n gc e n t i m e t e r - l e v e l d e f o r m a t i o n ．T h i sa r t i c l e e x p l o r e st w op r o b l e m s ．O n e i st h er e s e a r c ho n r e g i s t r a t i o nb e t w e e nI n S A Rs u b s i d e n c ea n dt o p o g r a p h i cm a p ．A n o t h e ri st ou s e s m a l lb a s e l i n e ，S m a l l ．B a s e l i n eS u b s e tS B A S t e c h n o l o g yt oa n a l y s i st h el a w so f m i n i n gs u b s i d e n c eo fX i k u a n g s h a n ．T h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e s 1 W 色c a no b t a i nh i g h p r e c i s i o ns u b s i d e n c ef i e l db yt h et e c h n i q u eo fI n S A R ， w h i l ei t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni sc o n f i n e db yu s i n gd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m a n dp r o j e c t i o nm e t h o dw i t hr e s p e c tt ot h o s eu s e di nC h i n a ．a sw e l la st h e d e v i a t i o n so fg e o c o d i n gc a u s e db ys a t e l l i t eo r b i t a la n da t m o s p h e r i ce r r o r s ．T o s o l v e t h e s ep r o b l e m s ，i nt h i sp a p e rw er e s e a r c ho nt h er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m b e t w e e ns u b s i d e n c ef i e l do fI n S A Ra n dt o p o g r a p h i cm a pb a s e do nc o m e r r e f l e c t o r s C R ．F i r s t l y , w ed e t e c tS A Ri m a g et oi d e n t i f yt h ep o s i t i o n so fC R p o i n t s ，w h i c hc a nb er e g a r da sc o n t r o lp o i n t sf o rr e g i s t r a t i o na n dr e c t i f i c a t i o n ． T h e n ，w eu s eaq u a d r a t i cp o l y n o m i a lt or e c t i f yt h eg e o c o d e dI n S A Ri m a g e ． F i n a l l y , t h em e t h o do fa f f i n ei su s e dt oc o n v e r tc o o r d i n a t er e f e r e n c ef r a m e s b e t w e e nI n S A Ri m a g ea n dv e c t o rm a p ．B yt h e s ew a y s ，t h es u b s i d e n c ef i e l d so f I n S A Rn o to n l yh a v ea c c u r a t ec o o r d i n a t e s ，b u ta l s ob u i l dc o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et o p o g r a p h i cm a p s ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ea l g o r i t h mi sa c c u r a t e a n dr e l i a b l e ，a n dt h et h e o r yi sr a t h e re a s yt ob er e a l i z e di np r o g r a m m i n g ． 2 、lD - I n S A Rt e c h n o l o g yc a n n o tb eo b t a i n e dat e m p o r a ld e f o r m a t i o n s e q u e n c ed u et os p a t i a la n dt i m ed e c o r r e l a t i o n ．I no r d e rt og e tat e m p o r a l d e f o r m a t i o n s e q u e n c e ．w eu s eS B A Sa l g o r i t h mt ow e a k e nt h ei n f l u e n c eo f I I I d e c o r r e l a t i o n ．I nt h i sP a p e r , w et r yt oa n a l y s i st h ec u r v eo fg r o u n dm o v e m e n ti n T o n g j i a o f X i k u { g s h a nb yf o u r t e e no b s e r v a t i o nd a t a ‘ 一 Sa lgorithmlongllayuan o tX l k u a n g s h a nb yI b u r t e e no b s e r v a t i o nd a t au s l n f fS B A Sa l g o r i t h m ． ● E x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es i n k i n gc u r v e sb o t hi nd i r e c t i o no fs t r i k ea n dt e n d e n c y h a v et h es a m ec h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hc a nf i t b yG a u s s i a nc u r v e ．B yo v e r l a y b e t w e e ng o a fa n ds u b s i d e n c ef i e l d ，w ec a nu n d e r s t a n dt h ef e a t u r e so ft h eg r o u n d m o v e m e n ti nX i k u a n g s h a nc l e a r l y ．W ec a l c u l a t et h es l o p e so f6 6 t he x p l o r a t i o n 1 i n ef o rf u r t h e ru n d e r s t a n dt h ef e a t u r eo fg r o u n dm o v e m e n ti nX i k u a n g s h a n ．b u t t h es l o p e sc a l c u l a t e db ys u b s i d e n c ev a l u e sa r en o tg o o d ．T h e nw eu s em o v i n g a v e r a g et oc o r r e c tt h es u b s i d e n c ev a l u e s ，b yt h i ss t e p ，w ef i n dt h es l o p eh a v ea r e a s o n a b l ep h y s i c a le x p l a n a t i o n ．F i g u r e s3 0 ，t a b l e s6 ，r e f e r e n c e s5 0 ． K e y w o r d s I n S A R ；R e g i s t r a t i o n ；M a p ；S B A S ；M e t a lm i n e ；M i n i n gS u b s i d e n c e C l a s s i f i c a t i o n 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．I I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 开采沉陷研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2I n S A R 技术与开采沉陷结合的研究现状⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 本文研究的目的和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．1 研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．4 文章的组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 开采沉陷的相关理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 岩层与地表移动原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．1 地表移动形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．2 地表下沉盆地⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 地表沉陷的一般规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1 地表下沉盆地稳定后主断面的分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 采动过程中地表移动和变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 I n S A R 在开采沉陷方面的优势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3h l S A R 相关技术原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1h 1 S A R 技术原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 D ．I n S A R 原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 3 ．2 ．1D ．I n S A R 处理流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．3 小基线集原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．3 ．1 小基线集原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 ．2S B A S 数据处理流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4 基于C R 点的I n S A R 沉降场与地形图的配准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 V 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2I n S A R 沉降场与地形图的配准算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2 ．1S A R 影像C R 点识别探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2 ．2 地理编码纠正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．2 ．3 基于控制点的I n S A R 沉降场与地形图配准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．3 实验与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．3 ．1 实验数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．3 ．2 实验及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．3 ．3 误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．4 结j 沦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 基于I n S A R 技术的锡矿山沉陷规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 5 ．2 概率积分法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 5 - 3 锡矿山北矿区开采沉陷规律探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 5 ．3 ．1 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．3 ．2 基于S B A S 技术的锡矿山监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．3 ．3 锡矿山地表移动规律探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．3 ．4 锡矿山地质采矿因素与地表下沉联系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 9 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 本文完成工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．2 本文工作不足以及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。5 2 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 V I 硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 ．1 选题背景 矿产资源是人类前进和发展的物质基础，也是国家和社会发展的动力。我国 矿产资源丰富，种类较为齐全，煤炭已探明储量约1 0 0 0 0 亿吨，居世界第一；金 属矿中，铁、锡、钨、稀土、锑、钽、钒、钛、钼、铌、铍、锂等均在世界前三； 非金属矿中，菱镁矿、石墨、滑石等也在世界前列，矿产资源已经成为我国经济 发展的重要基石。据中国矿产资源报告 2 0 1 1 显示，中国矿产资源的开发利 用已经为全球经济做出了突出的贡献，仅2 0 0 9 年，我国稀土产量占全球产量的 9 7 ％，锑矿产量占全球产量的8 8 ％，钨矿产量占全球产量的8 1 ％。与此同时，矿 产资源的开采已经成为经济增长的重要部分，据资料显示，截止2 0 0 7 年，矿产 资源的生产总值已占到国内生产总值的5 ．5 ％。所以矿产资源的开采既是经济发 展的保障，也是人类赖以生存的前提。 但是，随着人类日益增长的需求以及矿产资源的大量开采，部分区域矿产已 经被采空。为最大限度的开采资源，不得不涉及到建筑物下、水下以及道路下开 采矿产资源。过度的矿藏开采，会导致地表塌陷，建筑物公路等受损，危害到人 类的生命财产安全。仅煤炭资源，据不完全统计，我国水下、铁路下、建筑物下 “三下” 煤储量达1 3 3 ．5 亿吨，而开采量仅占储量的5 ％。随着开采强度的提 高，“三下”开采的问题就更加突出[ 1 】。山西是我国煤矿资源大省，大量的煤矿 开采导致了大片区域出现塌陷，全省总面积的l ／7 全部为采空区，约2 万多平方 公里，其中约有1 ／3 采空区上方的地域出现地质灾害【2 J 。湖南锡矿山，是世界锑 储量最大的锑金属矿山，1 9 世纪3 0 年代，在新华昌西侧山顶，由于资源的过度 开采，地表形成塌陷坑，长1 0 0 余米、宽5 0 余米、高近1 0 米，并造成约3 0 0 人伤亡，矿产资源的过度开采已经造成了大量地质灾害p J 。 为解决资源开采引起的地质灾害，需要对矿山岩层和地表进行监测，并利用 矿区的资料，分析地表塌陷与矿山开采之间的联系。通过开采与地表塌陷建立矿 区的沉陷模型，分析矿区的沉陷规律，从而预计地表的最大形变以及对矿区潜在 的危险进行预报，因此，通过矿山监测数据分析矿山开采沉陷机理是矿山安全生 产的重要组成部分。 目前，在矿山开采沉陷规律分析上有较多成果，如概率积分法、负指数函数 等。但是其观测数据大多是基于传统的测量方式，研究的成果也多适用于煤矿。 I n S A R 技术能够获得高精度的时空形变数据，在矿山监测方面已有先例。金属矿 山开采与煤矿开采有较大差异，地质构造也较为复杂，本文探索利用I n S A R 以 硕士学位论文 1 绪论 及S B A S 等分析金属矿山的沉陷规律。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 开采沉陷研究现状 矿山开采沉陷的研究始于十五、六世纪时期，由于矿产资源的开采，矿区地 表出现塌陷，部分甚至影响到地下水。1 8 3 8 年，多里斯斯第一次提出了开采沉 陷的相关理论一“垂线理论”，比利时G o n o t 在大量的资料基础上将原有的理论 发展成“法线理论”，进一步推进了开采影响范围上下边界的判断方法。十九世 纪中后期，法国法约尔提出了“拱形理论”，之后豪斯将空区的上覆岩层按沉陷 形式分为“三带”～垮落带、裂隙带、弯曲带【4 引。 十九世纪末，工业革命迅速发展，人们逐渐认识到工业在国民经济中的重要 位置，而矿产资源成为工业生产的重要物质基础。在发展工业迅速发展的同时， 矿产资源被大量开采，地下形成了大量采空区，地表出现塌陷、裂缝，相关问题 日益严重。为了解决开采带来的地质灾害，开采沉陷的相关研究工作增多，理论 也越加深入。具有代表性的有1 9 4 7 年苏联阿维尔辛在利用塑性理论建立了符合 指数函数的地表下沉的剖面方程，并认为水平移动和倾斜存在正比关系。1 9 5 0 年，波兰学者K n o t h e 和苏联学者布雷克共同提出了几何理论，并发现水平煤层 的下沉盆地曲线与正太分布函数较为符合。1 9 5 4 年，苏联的李特维尼申将上覆 岩层看成随机介质，从理论上证明K n o t h e 和布雷克的理论[ “】。 2 0 世纪中期，随着矿山开采地质采矿条件的复杂化，开采沉陷的相关理论 研究成果也大量涌现，主要有剖面函数、影响函数法、连续介质力学方法、数值、 物理模拟方法，相关的理论也逐渐成熟，详细见图1 ．1 硕士学位论文 1 绪论 开采沉陷研究 相 似 材 料 模 拟 图1 1 开采沉陷理论体系 我国在开采沉陷的研究始于2 0 世纪，也有较多研究成果。我国刘宝琛、廖 国华等人在随机介质理论上发展起来的概率积分法已经应用广泛，何国清等人在 此基础上提出的碎块理论【5 ] 。在连续介质力学方面，钱鸣高等人提出了砌体梁假 设【7 】。随着计算机等技术的发展，有限元、离散元、边界元等均有了很大的进步。 我国在金属矿山开采沉陷方面也做了较多探索研究，并在金川、程潮铁矿、 北沼河铁矿等矿区进行了分析，得到了较为显著的成果。金属矿山沉陷规律由于 复杂的地质构造以及裂隙发育的块状矿体与煤矿有所区别，应用广泛的概率积分 法无法普遍适用。利用相似材料模拟分析金属矿山开采沉陷时，由于应力分布不 同，而且有不同程度的离层、崩落以及弹塑性变形，使得相似材料模拟也存在局 限性。 杜维吾，刘宝琛考虑岩石垮落以及碎膨胀性对金属矿山沉陷利用随机介质 理论进行了定量讨论【8 J 。 贺跃光等人对构造应力下的金属矿山地表移动规律进行了探讨，认为构造应 力、覆岩结构对金属矿山地表下沉均有影响，使用随机介质模型需要对模型进行 改化【9 1 。 李文秀等人在模糊测度理论的基础上建立了岩层移动的数学模型，并将其应 用在金属矿山的开采预计中，但是结果可视化程度还需提高【l0 1 。 自义如等通过对程潮铁矿的大量观测资料分析得出，程潮铁矿破坏主要是缓 硕士学位论文l 绪论 慢性破坏，并总结出了采深与回采累积高度比与地表下沉之间的联系【1 1 】。 李春雷等人将G I S 技术与概率积分法结合，将其应用在北沼河铁矿中，利 用G I S 强大的建模和分析功能，对无底柱崩落法金属矿山开采沉陷预计研究和 探讨并进行了三维可视化【12 1 。 黄平路等人对复杂地质矿山地表移动规律进行了分析，针对复杂地质移动角 和沉陷角预测不准的问题导致的灾害进行了分析，认为地下开采是破坏的主要因 素，地下水产生的压力加强了岩体的破坏【1 3 ] 。 叶粤文等人通过对锡矿山南矿等金属矿山进行分析发现，认为框架式的开采 结构伴随着不同程度的重复采动影响，在矿柱和隔离柱上都是应力聚集带，当矿 山空区范围较大时，地表出现塌陷分为两类突发性和渐发性【1 4 1 。 李永树等对背斜和向斜两种地质构造下的概率积分法进行了改正，建立了背 斜和向斜的概率积分函数模型[ 1 5 1 。 袁义利用金属矿山的蠕变特性，对矿山移动角进行修正，并利用流体力学得 到了地表下沉与时间的关系【l6 | 。 陈岩等人利用S u r f e r 对金属矿山开采沉陷进行预计，并利用S u r f e r 进行三维 可视化[ 1 7 ] 。马风山【18 1 ，宋卫东[ 1 9 】，袁仁茂‘2 0 1 等也对金属矿山沉陷规律进行了研 究，研究的成果虽然不能普遍适用于我国金属矿，但是对地质采矿条件相似的矿 区具有指导意义。总而言之，虽然开采沉陷的理论发展较快，但是多数情况下都 是针对煤矿开采。对于金属矿山开采沉陷的规律目前基本还没有成熟的理论，对 金属矿山开采的规律还处于探索性研究阶段，获得的结果仅为相似矿山提供工程 类比依据。 1 ．2 ．2I n S A R 技术与开采沉陷结合的研究现状 I n S A R 相关技术能够获得高空间分辨率，面状、高精度的地表形变监测数据， 已经广泛的应用在地震【2 】] 、冰 l l t 2 2 1 、矿山[ 2 3 ] 、冻土【2 卅等领域。随着I n S A R 技术 的革新，譬如P S ．I n S A R 、C R ．I n S A R 、S B A S 等技术的发展，在矿山监测方面， I n S A R 的相关技术在精度上已经可以达到厘米甚至毫米级。这对开采沉陷的研究 也带来了新的机遇和挑战，下面介绍在矿山监测方面，I n S A R 技术与开采沉陷结 合的研究现状。 1 9 8 9 年，G a b r i e l 利用D ．I n S A R 技术监测美国某灌溉区域的变形，昭示了该 技术在监测微小变形的可能行【2 引。随着技术的发展，D ．I n S A R 逐渐应用在较多 的研究领域。1 9 9 6 年，C a r n e c 等人利用D ．I n S A R 对法国某煤矿进行了沉降监测， 揭示了差分干涉技术在矿区监测方面的优势。C a m e c 在之前的研究基础上，与该 4 硕士学位论文1 绪论 矿区的工作面进行比较发现，沉降的变化与工作面的推进较为吻合【2 6 埘】。G e 等 利用多源的雷达数据对矿区进行监测，结果显示L 波段得到的矿区形变结果更 加可靠【2 8 】。 随着I n S A R 技术的发展，D ．I n S A R 技术在监测地表形变方面，受到空间基 线和时间基线的制约，无法获取时序的地表形变，为了克服失相关等的影响，出 现了P S ．I n S A R 和S B A S ．I n S A R 技术。C o l e s a n t i 等首次利用P S ．I n S A R 技术对法 国某矿区监测，获取了该矿区地表形变序列，并通过P S 点分析矿区的塌陷过程 L 2 9 1 。J u n g 等采用2 5 对日本的J E R S 干涉数据，使用P S ．I n S A R 技术，获得了韩 国G a e u n 煤矿区大范围地面沉降变形以及该矿区变形速率【3 ⋯。 目前国内在利用I n S A R 技术监测矿区地表方面也有了很多研究成果。 2 0 0 5 年，吴立新等采用5 幅S A R 影像对开滦煤矿进行了监测，得到了L O S 方向的形变，并对其进行了水平和垂直分解【3 。 2 0 0 7 年，独知行等提出了G P S 和I n S A R 技术融合来监测矿山开采，提出了 矿山开采沉陷监测方面的新思路【32 l 。同年，王行风等人也对I n S A R 技术对山西 煤矿区进行了分析，提出了利用G I S 分析和计算塌陷区域等【3 3 1 。 2 0 1 1 年，尹宏杰、朱建军等采用9 景P A L S A R 影像，利用S B A S ．I n S A R 获 得了湖南冷水江锡矿山及其周围矿区的地表沉降序列[ 3 4 】。同一年朱建军、邢学 敏等利用P S ．I n S A R ，采用1 4 景P A L S A R 影像获取了河南某矿区的地形形变速 率，并与实际的水准结果比较，吻合较好【3 5 1 。同年，L ．J i a n g 等也利用S B A S ．I n S A R 技术，采用3 2 景E N V I S A T 影像对内蒙古乌达煤矿监测，得到了煤火引起的地 表时序沉陷【36 | 。 从上面的案例可以得出，I n S A R 技术应用在矿区监测上已经有较多成功的案 例，该技术也成为矿山监测必不可少的部分。但是大部分基于I n S A R 技术矿区 监测的研究重点在I n S A R 数据处理上，都是对沉降结果的形变作定量分析，其 他的成果还不多。 1 ．3 本文研究的目的和内容 1 ．3 ．1 研究目的和意义 我国国民经济对矿产资源的依靠性较强，矿山开采引起大面积的地表塌陷， 造成了资源的浪费以及财产的损失。I n S A R 目前作为一种新型的遥感技术，其在 矿山监测方面的优势也较为显著。金属矿山采矿形成的空区规则迥异，与煤矿等 有本质区别。将面状的形变信息与生产中的地形图进行配准研究对矿山工作者全 硕士学位论文1 绪论 面了解地表沉降具有重大意义。同时，金属矿山的地表沉陷分析，国内外还处于 研究探索阶段，形成的成果多数仅适合本矿区使用。S B A S 技术可以获得时序的 地表形变，结合形变场与矿区采矿图配准进行分析，可以得到时空一体化的信息， 对分析金属矿山以及其他矿山方面具有现实意义。 1 ．3 ．2 主要研究内容 本文主要的研究思路是将I n S A R 获得的沉降数据应用在金属矿山沉陷规律 分析方面，首先为了方便分析沉陷规律，需要将沉降数据与地形图或者矿区采空 图进行配准。由于I n S A R 获得数据与我国使用的坐标系统和投影方式不同，研 究一种地形图与I n S A R 沉降场的配准算法，然后将配准的结果应用在冷水江锡 矿山沉陷规律分析上面，通过分析多期沉降数据，总结出锡矿山的地表沉陷规律。 图1 2 技术路线图 1 基于C R 点的I n S A R 影像与地形图的配准研究 本文主要利用C R 点对I n S A R 影像在数据处理时地理编码不准确带来的位 置偏差使用二次多项式进行校正。对于坐标系统和投影方式的不同，采用仿射变 换进行近似转换，从配准的精度和结果显示，方法可行。 2 基于S B A S 技术的锡矿山童家院矿床地表沉陷规律 锡矿山属于世界级大型金属矿，在金属矿山的开采沉陷规律分析上，国内外 还处于探索阶段，还没有形成成熟的理论。本文利用小基线集技术可以获取高空 间分辨率的时序形变，对锡矿山童家院矿床进行分析，结果显示，童家院矿床在 浅层开采引起的地表沉陷曲线宏观上与高斯正太曲线较为相近。并将地表下沉与 硕士学位论文 1 绪论 开采活动联系发现，童家院地表下沉主要由于三中段和四中段的残采和空区所致。 1 ．4 文章的组织结构 本文共分为六章，第一章首先介绍了本文的选题背景，然后分别介绍了开采 沉陷和I n S A R 应用在矿区监测方面的国内研究现状。 第二章介绍了开采沉陷的相关理论支持体系，首先对地表下沉
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