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基于 StaMPS 技术的矿区开采沉陷监测与分析 李达1， 2，邓喀中1， 2，陈华1， 2，杨俊凯1， 2，高明章3 1. 中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116;2. 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116; 3. 兖州煤业股份有限公司 兴隆庄煤矿，山东 兖州 272102 摘 要针对 DInSA 技术易受时空失相关、大气相位延迟等影响的问题，采用 StaMPS 方法 对 12 景 ALOS PALSA 数据进行时序处理。首先获取了采动区边缘区域 2012 2014 年的非线性时序 沉降量，在工作面边缘地区走向方向和倾向方向各选取若干点，提取各点的时序沉降量进行时序分 析，掌握了采动区在不同时间段里的地表下沉情况。实验表明 StaMPS 技术可为矿区的开采沉陷监测 与分析提供新的手段。 关键词StaMPS 技术;开采沉陷;非线性沉降;时序分析;形变监测 中图分类号 TD327 文献标识码 A 文章编号 1006- 6225 201605- 0071- 04 Mining Subsidence Monitoring and Analysis Based on StaMPS Technique LI Da1， 2，DENG Ka- zhong1， 2，CHEN Hua1， 2，YANG Jun- kai1， 2，GAO Ming- zhang3 1. School of Envoriment Science and Spatial Inatics，China University of Mining Technology，Xuzhou 221116，China; 2. Jiangsu Key Laboratory of esources Environment Ination Engineering，Xuzhou 221116，China; 3. Xinglongzhuang Coal Mine，Yanzhou Coal Industry Co. ，Ltd. ，Yanzhou 272102，China AbstractDInSA technology could be influenced by time- space correlation，atmosphere phase delay and so on，then 12 pairs of ALOS PALSA data was manged with time processor based on StaMPS technology. First，nonlinear time sequence subsidence data of marginal area of mining area belong years 2012 to 2014 were collected，many points that along strike and dip direction in marginal area of working face were selected，time sequence subsidence volume of all points were managed with time sequence analysis，surface sub- sidence situation of different time in mining area were mastered. The experiment showed that StaMPS technology provide a new for mining subsidence monitoring and analysis. Key wordsStaMPS technology;mining subsidence;nonlinear subsidence;time sequence analysis;deation monitoring 收稿日期 2016 04 01 DOI 10. 13532/j. cnki. cn11 3677/td. 2016. 05. 020 基金项目 国家自然科学基金项目 41272389 ;测绘地理信息公益性行业科研基金项目 201412016 作者简介 李达 1989 ，男，辽宁鞍山人，硕士研究生，主要从事 InSA 技术在矿区中的形变监测研究。 引用格式 李达，邓喀中，陈华，等 . 基于 StaMPS 技术的矿区开采沉陷监测与分析 J 煤矿开采，2016，21 5 71 74. 我国是一个缺油、少气、富煤的国家，煤炭在 我国一次性能源结构中处于主要位置，但煤炭资源 大规模、高强度开采一方面促进了国民经济建设， 另一方面由此所引起的地表沉陷和环境灾害问题也 日益突出 1 。为了应对矿区开采引起的环境灾害 问题，需要对采动区地表进行变形监测，通过变形 监测研究开采沉陷规律，采取合理的技术措施，减 轻采动对环境的影响 2 。 合成孔径雷达差分干涉测量技术 DInSA 可以监测到毫米级的形变量，该技术已经被国内外 学者应用到矿区变形监测方面 3 4 。但由于 DIn- SA 技术受时空失相关、大气延迟的影响，制约 了该技术在形变监测中的应用，时序 SA 技术应 运而生 5 6 。StaMPS 技术可以克服时空失相关、 大气延迟的影响，应用数量有限的影像得到毫米级 的时序沉降量 7 8 。 依据徐州市某煤矿开采进度与工作面的关系， 应用 StaMPS 技术对 2012 2014 年 12 景 ALOS PLASA 数据进行处理，获得了采动区边缘的时序 沉降值，并分析时序沉降值和开采工作面进度的关 系，得出 StaMPS 技术可以为矿区的开采沉陷监测 与分析提供新的手段。 1StaMPS 技术简介 StaMPS 技术是由斯坦福大学的 Hooper 等人提 出，该技术核心思想是认为在稳定散射点 PS 的雷达回波中，信号和噪声可以通过一定时空滤波 手段加以分离，利用这一特性，StaMPS 算法不需 要假定特殊的形变模型，直接通过三维相位解缠来 获取地表形变信息 9 。StaMPS 技术处理过程大致 可分为干涉图的生成与差分处理、相干系数的计 算、稳定散射点选取与形变量估计10 4 个步骤 17 第 21 卷 第 5 期 总第 132 期 2016 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 5 Series No. 132 October2016 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 1干涉图的生成与差分处理选取主影像， 生成主影像和各副影像的干涉图，再将干涉图和 DEM 反演的相位进行差值，得到差分干涉图。 2相干系数的计算先通过振幅离差阈值 法初步选取一些 PS 候选点，将这些 PS 候选点编码 转换到规则格网上，滤除与空间相关的相位，然后 利用参数空间粗搜索方法来估计垂直基线相位，使 时间相干系数达到最大。 3稳定散射点选取通过概率积分方法求 出相干系数阈值 *的值，当 PSC 的相干系数 x大 于 *时，即被选为 PS 点，反之，则被认为是非 PS 点。 p x 1 pr x pps x 1 1 * pr x dx/ 1 * p x dx q 1 式中，p x为 所 有 散 射 点 的 概 率 密 度 函 数; pr x为非 PS 点的概率密度函数;pps x为 PS 点的概率密度函数; 为取值范围 0 1 的未知数; q 为一个预警值。 4形变量估计将估计出来的垂直基线相 关相位从原始干涉相位中去除后，对选取的 PS 点 进行三维相位解缠，然后通过最小二乘法求出主影 像的大气相位和轨道误差相位，再对剩下的相位进 行时间域的高、低通滤波器，即可分离出形变相 位。 2研究区域概况及数据处理 2. 1研究区域概况 研究区域为徐州市某煤矿，在 2012 2014 年 期间，该区域有 2 个工作面，一个是 2014 年开采 完的 7123 工作面，该工作面长 1040m，宽 157m， 开采标高 1000m 左右，煤层平均采厚 3. 62m，开 采方向自西向东。另一个是 2011 2014 年期间开 采的 9115 工作面，该工作面长 2000m，宽 170m， 开采标高 730m，煤层平均采厚 4. 5m，开采方向 也是自西向东。研究区域和工作面的关系如图 1。 图 1研究区域 PS 点选取结果 2. 2实验数据 实验选用 12 景覆盖实验区的 ALOS PALSA 数据，该数据为 L 波段，影像的中心入射角为 38，方位向和距离向的分辨率分别为 7. 489m 和 3. 075m。差分干涉中所用的 DEM 是 30m 分辨率的 外部 DEM 数据。根据垂直基线和时间基线选取 2013 年 2 月 25 日获取的影像作为主影像，干涉影 像详细信息如表 1 所示。 表 1研究区 PALSA 数据 日期时间基线/d垂直基线/m轨道 201201084142528. 0546449 201202233683195. 8285449 20120710230675. 2140449 2013011046180. 7466449 2013022500449 201307131381044. 6876449 201308281841329. 9227449 201310132301301. 4268449 201401133221672. 3999449 201402283682265. 4051449 201405314602533. 9672449 201410165983200. 1727449 2. 3数据处理 1在 Ubuntu 系统下利用脚本文件对12 幅影 像进行基线计算，选取 2013 年 2 月 25 日影像为主 影像，然后将其余影像和主影像进行配准，最后利 用 30m 分辨率 DEM 进行差分，得到差分干涉图。 2PS 点处理。以振幅离差阈值 0. 4 选取 PS 候选点;通过迭代方法计算相干系数 x，进而估 算出 PS 候选点的相位噪声;利用概率公式 1 挑选出 PS 点;剔除易受邻域干扰和相位噪声低的 PS 点;去除空间非相关视角误差;对 PS 点进行三 维相位解缠;最小二乘法估算主影像空间相关视角 误差、大气误差和轨道误差;时空滤波手段得到沉 降相位。 3结果分析 3. 1PS 点选取结果分析 研究区域 PS 点选取结果如图 1。通过 StaMPS 方法在研究区域一共选取了 62000 多个 PS 点，这 些 PS 点在城市地区分布比较密集，在农田地区分 布相对稀疏，在积水区没有，说明选取的 PS 点还 是很可靠的，如图 1 显示。但因为 7123 工作面在 农田里面，所以工作面上选取的 PS 点较少，而 9115 工作面上面有积水，所以 9115 工作面的正上 方没有选取到 PS 点，只有在工作面西面下沉区域 的边界选取到一些 PS 点，后续将对这些 PS 点进行 27 总第 132 期煤矿开采2016 年第 5 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 时序沉降分析。 3. 2PS 点的时序沉降图 PS 点的时序沉降图如图 2 所示。 图 2 a k所示为实验区域 2012 年 1 月 8 日至 2014 年 10 月 16 日用 StaMPS 方法得到的 累计沉降图。从图2 a c可以看出研究区 图 2 PS 点的时序沉降 域有轻微的下沉情况，但下沉值并不是很大，这是 因为在 2011 年至 2012 年期间，工作面距离研究区 域约 1000m，由于距离工作面较远，所以对研究区 域的影响较小。随着工作面的推进，工作面离研究 区距离越来越近，所以 2013 年的下沉值有了显著 的变化。在 2014 年期间，工作面离研究区域最近， 沉降值变化明显，最大沉降值达到 244mm。整个 过程监测到的沉降量值较小，主要因为大部分 PS 点分布在工作面边缘的缘故。 为了进一步分析开采沉陷的变化规律，在研究 区域走向和倾向方向各布设 1 条观测线，如图 1 所 示，在走向和倾向各提取 10 个观测点的值，分析 其地表沉降规律，沉降曲线见图 3。 通过分析图 3 a走向沉降曲线可知，在 2012 年至 2013 年期间各点沉降值变化不超过 10mm，最大下沉值约为 60mm，表明在 2013 年 1 月之前，研究区域沉降很缓慢，开采引起的沉降较 小;在 2013 年 1 月至 2 月沉降值的变化最大可达 40mm，最大沉降值为 90mm，表明随着工作面的 推进，研究区域的沉降不断变大，沉降速度也在增 加;在 2013 年 7 月至 8 月期间，地面沉降量出现 很大变化，最大沉降值达到 150mm，并且随着工 作面不断推进，地面沉降值不断变大，最大沉降值 约为 240mm。在倾向沉降图上，提取点的沉降值 图 3走向和倾向沉降曲线 分别在2013 年2 月和2013 年8 月有很大变化，分别 增加约20mm 和 30mm，这和走向点的沉降变化规律 是一致的;所有提取点都随着工作面推进，沉降值不 断变大，Q1 点在2012 年至 2014 年，沉降值从 35mm 增大到150mm。同一时间段内，倾向点沉降值变化 不大，都在一定范围波动，在 2012 年 2 月至 2013 37 李达等基于 StaMPS 技术的矿区开采沉陷监测与分析2016 年第 5 期 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年 1 月，倾向点沉降值大约在 40mm 波动。 4结论 针对传统的 D InSA 方法时空失相关等问 题，利用 StaMPS 方法对 12 景 ALOS 影像进行处 理，得到矿区采动区的时序沉降图，并监测到其边 缘最大沉降值 244mm。根据时序沉降图分析了不 同时段工作面推进对地面沉降的影响，根据走向和 倾向沉降曲线，对各时间段沉降规律进行量化分 析，结果显示采动区在 2013 年 2 月和 2013 年 8 月 沉降值有较大变化，分析结果符合开采沉陷规律， 即离工作面距离越近地面沉降值越大，并随着开采 时间不断变大，表明 StaMPS 技术可成为监测分析 矿区开采沉陷的新手段。 参考文献 1 陈炳乾 . 面向矿区监测 InSA 研究与应用 D 徐州中国 矿业大学，2014. 2 何国清，杨伦，凌赓娣，等 . 矿山开采沉陷学 M 徐 州中国矿业大学出版社，1991. 3 邓喀中，姚宁，卢正，等 . 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