張成兵 張 鵬 趙激光

(1.河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北滄州 061000;2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 050031)

0 引言

河北省承德市鷹手營子礦區(qū)是一個(gè)在20世紀(jì)50年代末興起的工礦區(qū)，自1957年開始大規(guī)模開采地下煤炭資源，并下轄四個(gè)煤礦，即營子礦一采區(qū)、營子礦二采區(qū)、馬圈子礦和汪莊礦。在為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也造成了礦區(qū)地表大面積沉降與塌陷，其直接后果是地面建筑物、道路、河流、土地、水源等遭受到不同程度的損壞，特別是民宅、學(xué)校、醫(yī)院和水源受損嚴(yán)重，對(duì)人民群眾的生產(chǎn)、生活構(gòu)成威脅，嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，承德市鷹手營子礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理已迫在眉睫［1］。

為了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，政府每年都對(duì)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取必要的防治措施。在眾多的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，InSAR技術(shù)越來越被受到重視，該技術(shù)可以大面積的采樣、測(cè)量時(shí)間短，同時(shí)成本也很低［2］。在垂直變形監(jiān)測(cè)中InSAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的［3］，而且有監(jiān)測(cè)成功的例子［4］。本文圍繞鷹手營子礦區(qū)采礦塌陷狀況，利用差分InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)煤礦開采沉陷的基本狀況，選擇RADARSAT-2和8 m分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)開展地表形變信息提取，研究礦區(qū)近期地面塌陷區(qū)的分布范圍和變化特點(diǎn)，為地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)獲取

表1 RADARSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基本特性

1.1 InSAR工作方法的選用

礦區(qū)地處冀北山地，屬燕山山脈沉降帶的過渡地帶，地勢(shì)西北高，東南低。境內(nèi)山巒起伏，地形地貌復(fù)雜，山地多，平地少。最低海拔為460 m，最高為930 m，地勢(shì)相差470 m。按照河北省地貌劃分體系，礦區(qū)地跨侵蝕構(gòu)造山地區(qū)中的剝蝕構(gòu)造低山亞區(qū)和斷陷盆地及河谷平原亞區(qū)。按地層巖性及地貌成因，又細(xì)分為以碳酸鹽巖為主的低山小區(qū)、以火成巖為主的低山小區(qū)、以碎屑巖為主的低山小區(qū)、河谷平地小區(qū)［1］。

根據(jù)該礦區(qū)的位置和周邊地形條件，選擇利用較大入射角的高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，提取一定時(shí)間間隔的地面變形信息。利用常規(guī)D-InSAR(差分干涉測(cè)量)將一定時(shí)間間隔內(nèi)的兩景雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，得到該段時(shí)間內(nèi)沉降狀況。對(duì)于沉陷快速的地區(qū)，效果很明顯，干涉條紋的密度反映了沉降量的大小。而且所需要的數(shù)據(jù)量少，適合研究沉降大小。

1.2 InSAR工作原理與數(shù)據(jù)

“二軌”差分InSAR方法是利用試驗(yàn)區(qū)地表變化前后的兩幅SAR圖像生成干涉條紋圖，再利用事先獲取的DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位的條紋圖，從干涉條紋圖中去除地形信息，從而得到求解的地表形變信息。

地表形變公式表示為式(1):

式中:φdisp——試驗(yàn)區(qū)地表變化前后的兩幅SAR圖像生成的干涉相位;

φsim——DEM數(shù)據(jù)的模擬地形相位;

ΔR——所要求解的地表形變信息。

本工作擬采用的雷達(dá)數(shù)據(jù)為RADARSAT-2衛(wèi)星獲取的精細(xì)模式下8 m分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)，其覆蓋能力為50 km×50 km，滿足礦區(qū)地表形變調(diào)查與監(jiān)測(cè)應(yīng)用。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基本特性如表1所示。

RADARSAT-2可以提供11種波束模式，4種極化模式的雷達(dá)數(shù)據(jù)，它們的入射角在20°～60°之間變動(dòng)，標(biāo)稱分辨率有1 m，3 m，8 m，25 m，30 m，50 m，100 m，每景影像的分辨率不同，入射角度可調(diào)，地面覆蓋范圍不盡相同(見表1)。基于RADARSAT-2這些基本特性，使得應(yīng)用RADARSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作大中比例尺的地形圖、進(jìn)行地物目標(biāo)識(shí)別及分類、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面更加靈活、便捷。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，符合該礦區(qū)的精細(xì)模式8 m雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖1所示，礦區(qū)位于整幅雷達(dá)數(shù)據(jù)的中間位置，滿足監(jiān)測(cè)需要?？偟臅r(shí)間范圍為1個(gè)月，礦區(qū)內(nèi)共完成解譯面積148 km2。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，礦區(qū)內(nèi)汪家莊鎮(zhèn)以南、以西區(qū)域即矸石山堆積區(qū)，地面沉降速率較快，累計(jì)沉降量在10 mm～20 mm間;汪家莊鎮(zhèn)東北即擬建主廠區(qū)一帶，地面沉降速率相對(duì)較小，累計(jì)沉降量小于10 mm，這與礦區(qū)的開采現(xiàn)狀相吻合。根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》中采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)得到，汪家莊鎮(zhèn)以南、以西區(qū)域?yàn)榍贩€(wěn)定區(qū)，汪家莊鎮(zhèn)東北即擬建主廠區(qū)一帶為基本穩(wěn)定區(qū)。

表2 按地表沉降觀測(cè)確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)成果圖

3 結(jié)語

通過InSAR技術(shù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)礦區(qū)地表沉降進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，汪家莊鎮(zhèn)以南、以西區(qū)域?yàn)榍贩€(wěn)定區(qū)，汪家莊鎮(zhèn)東北即擬建主廠區(qū)一帶為基本穩(wěn)定區(qū)，與調(diào)查結(jié)果基本一致。

［1］ 河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì).河北省承德市鷹手營子礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程勘查報(bào)告［R］.滄州:河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，2011.

［2］ 何慶成，方志雷，李志明.InSAR技術(shù)及其在滄州地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.地學(xué)前緣，2006，13(1):179-184.

［3］ 路 旭，匡紹君，賈有良.用INSAR作地面沉降監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002，22(4):66-70.

［4］ Zebker HA，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the derivation of co-seismic displacement fields using differential radar interferometry the Landers earthquake［J］.JGR，1994，99A(1):1-26.

［5］ 中華人民共和國交通部.采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則［S］.