何 榮 劉暢遠 徐可心

（河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

地下煤炭開采嚴重影響礦區(qū)地表建筑物的安全使用［1］，破壞原有地表生態(tài)環(huán)境，給礦區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展及民生問題帶來了不利影響［2］，因此有必要對礦區(qū)地表變形進行高精度、大范圍監(jiān)測，對礦區(qū)災(zāi)害預(yù)警、開采沉陷控制及生態(tài)治理具有重要意義［3］。

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測技術(shù)有GPS測量、水準(zhǔn)測量等，其監(jiān)測精度高，但獲取的是離散點數(shù)據(jù)，具有觀測周期長、人力成本高、工作效率低的局限［4］。相對上述監(jiān)測技術(shù)，InSAR技術(shù)具有全天候、大范圍、高精度等特點，已廣泛應(yīng)用于冰川運動［5］、滑坡［6］、城市地面下沉［7］等監(jiān)測中，能對目標(biāo)區(qū)域進行連續(xù)空間覆蓋觀測，獲取雷達視線向形變量［8］。

鑒于上述InSAR技術(shù)優(yōu)勢，D-InSAR在礦區(qū)地表變形監(jiān)測中取得了巨大成功［9］。煤礦多分布于郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，地表常常被農(nóng)作物等植被覆蓋，部分礦區(qū)地表發(fā)育有積水塌陷坑，這些地表散射特性不穩(wěn)定因素易降低相干性［10］，導(dǎo)致形變結(jié)果精度降低，難以實現(xiàn)高精度、長時間的形變監(jiān)測。小基線集合成孔徑雷達干涉測量（SBAS-InSAR）技術(shù)［11］可實現(xiàn)礦區(qū)長時間序列形變監(jiān)測，Luke Bateson等［12］將間歇SBAS-InSAR方法應(yīng)用到英國南威爾士煤田的地表運動監(jiān)測中，所提取到的高相干目標(biāo)量是標(biāo)準(zhǔn)SBASInSAR的3倍以上，提高了其在植被覆蓋度較高地區(qū)的適用性；尹宏杰等［13］利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了冷水江錫礦山采空區(qū)多個沉降漏斗的詳細信息；劉沂軒等［14］將SBAS-InSAR和概率積分法融合建立了礦區(qū)沉降量提取模型，有效解決了InSAR技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)大梯度沉降難題；劉一霖、朱葉飛、李達等［15-17］基于SBAS-InSAR分別對陜西某礦、九臺營城礦區(qū)及榆林某礦進行時序監(jiān)測，均取得了較好的研究結(jié)果。將SBAS-InSAR技術(shù)與特殊開采條件地表變形監(jiān)測相結(jié)合，提取地表變形時空發(fā)育特征等方面有待進一步研究，由此，本項目基于SBAS-InSAR技術(shù)獲取大采深、條帶開采條件下地表年沉降速率及時間序列形變信息，開展形變規(guī)律研究，有利于為地表建筑物保護、地下資源科學(xué)開采提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)選取

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省玉田縣境內(nèi)，礦井于1985年投產(chǎn)，至本研究時間2017年12月結(jié)束時煤炭資源基本開采完畢，處于礦井生產(chǎn)末期。礦區(qū)地表地勢平坦，多為農(nóng)田、林地，工業(yè)廣場及其周邊建筑物分布密集，采區(qū)北部為多年開采形成的積水塌陷坑，積水深度達6.5 m，在沉陷邊緣區(qū)域分布有臺階式地表變形。采區(qū)包含5個工作面，分別為1118、1029F、2220、2221、2223，位于工業(yè)廣場北，工作面彼此相鄰，采用條帶開采，工作面走向長度570～1 150 m，平均埋深530 m，平均煤層厚度4 m，煤層傾角6°～14°，工作面寬度為45 m，煤柱寬度為50 m。采區(qū)東、北和西部為已采工作面，形成大面積采空區(qū)。

1.2 SAR數(shù)據(jù)選取

本文選取31景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，影像裁剪范圍如圖1，時間為2016年1月9日至2017年12月29日，同時采用美國宇航局SRTM DEM（30 m）數(shù)據(jù)消除地形相位影響，以及歐洲空間局發(fā)布的精密軌道數(shù)據(jù)去除因軌道誤差引起的系統(tǒng)性誤差。

2 數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)處理

基于SAR-Scape系統(tǒng)進行SBAS數(shù)據(jù)處理，為保證數(shù)據(jù)干涉質(zhì)量，降低時間、空間失相干影響，設(shè)置時間基線閾值為365 d、空間基線閾值為45%進行時空基線組合，最終確定2017年1月3日的影像為超級主影像［18］，其余影像配對到該主影像上干涉處理。由此組合成385組干涉像對，空間基線組合形式如圖2所示，其中最大空間基線201 m，最大時間基線360 d。通過差分干涉處理，得到差分干涉圖、相干性強度圖，如圖3所示。

對差分和濾波后的干涉圖進行解纏處理；利用地面GCP點來精確估算軌道參數(shù)，對解纏結(jié)果進行軌道精煉和殘余相位去除；通過第一次反演估算形變速率和殘余地形，第二次反演去除大氣相位誤差并計算時間序列位移，對SBAS時間序列結(jié)果地理編碼，最后得到LOS向平均位移速率和時間序列位移結(jié)果。

2.2 研究區(qū)沉降速率獲取

基于SBAS-InSAR技術(shù)獲取到研究區(qū)年平均沉降速率，如圖4所示，提取出有效高相干點170 747個，主要分布于建筑物、公路上，在研究區(qū)北部出現(xiàn)大片失相干區(qū)，由于該區(qū)域多年開采而形成大面積積水坑，水域的散射特性較差易造成失相干，導(dǎo)致無法獲取有效監(jiān)測值。由圖4可知，研究區(qū)內(nèi)整體呈現(xiàn)沉降趨勢，最大沉降速率達到61 mm/a，位于工業(yè)廣場外側(cè)北部，工業(yè)廣場內(nèi)東北部平均沉降速率超30 mm/a。

2.3 研究區(qū)時序沉降獲取

以2016年1月9日為起始時間參考形變量獲得研究區(qū)時序累計沉降圖，如圖5所示。相對于起始時間至2016年5月8日，研究區(qū)在4個月內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了較大地面沉降，達到35～40 mm，且影響范圍不斷擴大；至2016年11月28日，研究區(qū)地面沉降量緩慢增加，沉降范圍基本穩(wěn)定，至2017年12月29日，最大沉降量達到127 mm。

研究時間范圍內(nèi)累計沉降量如圖6所示，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有一連續(xù)的變形區(qū)域。為對下沉盆地沉降進行定量分析，基于2016年5月到2017年12月SBAS結(jié)果做等值分割處理，統(tǒng)計下沉盆地各時期累計沉降面積如圖7所示。在2016年5月至2016年7月期間，沉降量主要分布在0～30 mm，累計沉降面積達到1.79 km2；在2016年7月至2016年12月期間，沉降量主要分布在0～70 mm，累計沉降面積達到2.75 km2；在2017年1月至2017年9月期間，沉降量主要分布在0～100 mm，累計沉降面積達4.15 km2；從2017年10月開始沉降量達到100 mm之多，至2017年12月沉降量大于100 mm的沉降面積達到0.32 km2，累計沉降面積達到4.33 km2，沉降面積整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

在工業(yè)廣場北部的開采工作面沉降情況最嚴重，累計沉降達到60～70 mm，最大沉降達到127 mm，不均勻沉降較為明顯，形成明顯的下沉盆地。

3 監(jiān)測結(jié)果可靠性分析

為驗證SBAS監(jiān)測精度，利用地面12個水準(zhǔn)觀測點實測數(shù)據(jù)與SBAS結(jié)果提取數(shù)據(jù)進行對比分析。由于實測水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與SBAS數(shù)據(jù)監(jiān)測時間不完全重合，選取2016年1月至2017年1月共13個月的水準(zhǔn)實測值與SBAS監(jiān)測值進行比較。水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與SBAS監(jiān)測結(jié)果比較如圖8所示，水準(zhǔn)數(shù)據(jù)觀測值整體大于SBAS結(jié)果，兩者變形量基本一致，相差均不超過10 mm，大部分點位相差在5 mm以下，均誤差為2.9 mm，沉降趨勢保持高吻合度。

導(dǎo)致兩者下沉值有所差異是由于水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與SAR數(shù)據(jù)獲取的頻率不同，水準(zhǔn)數(shù)據(jù)在開采前期觀測周期稍長，在地表下沉活躍期觀測周期較短，數(shù)據(jù)采集頻率較高，使得水準(zhǔn)測量對沉降監(jiān)測更加靈敏［19］。而SBAS做開采沉陷分析，可以最優(yōu)化SAR數(shù)據(jù)集，SAR數(shù)據(jù)獲取頻率固定（T=12 d），高密度干涉相對組合保證了干涉對的采樣率，隨著輸入數(shù)據(jù)的增加，精度也有所提高，可將測量精度由D-InSAR的厘米級提高到毫米級?；谝陨蟽牲c，采用SBAS技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地表變形具有較高的可靠性。

為量化分析大采深條帶開采條件下下沉盆地的時序地表移動特征，從SBAS結(jié)果沿工作面方向提取下沉盆地的走向、傾向剖面線，得到走、傾向剖面圖，如圖9所示。

從圖9可以看出，下沉曲線保持了很好的連續(xù)性，此次開采沉陷量級較小，SBAS監(jiān)測可以獲得相位變化量主值，與實際情況符合。該礦的地表變形特征在空間上與高斯曲線相似，說明在一定范圍內(nèi)，該礦的地表移動特征符合概率積分法模型特征，沉降較大的區(qū)域主要是受1118工作面開采的影響，其余4個工作面也在不同程度地影響地表。本項目采用二維高斯曲線擬合沉降值，根據(jù)曲線的形態(tài)分析下沉盆地的沉降特征，擬合結(jié)果如圖10所示，高斯擬合函數(shù)為

根據(jù)式（2）求得高斯擬合曲線橫向均方根誤差為0.08，縱向均方根誤差為0.02，通過擬合結(jié)果可知，高斯擬合與SBAS結(jié)果達到較高吻合度。

4 地表移動特征分析

研究區(qū)內(nèi)多個開采工作面均位于工業(yè)廣場北側(cè)，采用條帶開采方式，如圖11所示，1118工作面下沉量達到104～127 mm，其他4個條帶開采工作面下沉為60～107 mm。SBAS結(jié)果表明，地表下沉量較小，符合條帶開采工作面地表變形特征。

該煤礦在條帶工作面開采設(shè)計階段，基于概率積分法對地表移動和變形進行了預(yù)計，綜合考慮條帶開采的經(jīng)驗、參照經(jīng)驗公式計算結(jié)果，工業(yè)廣場條帶開采預(yù)計參數(shù)如表1所示。地表移動變形最大值預(yù)計結(jié)果見表2。

將SBAS監(jiān)測結(jié)果與概率積分法預(yù)計結(jié)果、地表水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，上文分析表明SBAS監(jiān)測與水準(zhǔn)測量結(jié)果基本一致，而SBAS監(jiān)測的最大下沉120 mm遠小于概率積分法預(yù)計735 mm，分析主要原因是地表下沉還未達到穩(wěn)定，地表在SBAS監(jiān)測時間內(nèi)仍處于繼續(xù)下沉的過程中。

同時，概率積分法預(yù)計結(jié)果走向影響距離為1.3 km，傾向影響距離為0.7 km，SBAS監(jiān)測結(jié)果走向影響距離為1.6 km，傾向影響距離為1.1 km，比較可知，SBAS監(jiān)測到的地表變形面積大于預(yù)計變形面積。因此可以判斷條帶工作面的開采誘發(fā)了相鄰老采空區(qū)地表再次發(fā)生變形，如圖11所示，工業(yè)廣場及相鄰3個采空區(qū)發(fā)生大面積沉降，下沉值達到20～103 mm，不均勻沉降明顯且已波及到采空區(qū)外圍，3號采空區(qū)面積較大，受開采影響最大。研究區(qū)開采屬于大采深條件，平均深厚比［20，21］為 165，深厚比較大，地表移動變形持續(xù)時間較長，易受到相鄰工作面開采誘發(fā)二次變形，地表移動衰退期長。

綜上兩點，基于SBAS技術(shù)的大采深條帶開采地表變形監(jiān)測，使其監(jiān)測范圍、持續(xù)時間等因素獲取更加全面，可準(zhǔn)確得到全盆地、全要素地表變形信息。

5 結(jié)論

（1）在大采深條帶開采礦區(qū)，SBAS-InSAR監(jiān)測到地表變形年沉降速率最大為61 mm/a，最大沉降達到127 mm，與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比分析證明采用SBAS技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)地表變形具有較高的可靠性，提取下沉盆地剖面信息進行高斯曲線擬合，與開采沉陷規(guī)律基本一致。

（2）SBAS結(jié)果表明，地表下沉量小于概率積分法預(yù)計結(jié)果，地表在SBAS監(jiān)測周期內(nèi)仍處于持續(xù)下沉過程中。條帶工作面開采誘發(fā)相鄰老采空區(qū)地表發(fā)生再變形，基于SBAS技術(shù)可準(zhǔn)確得到全盆地、全要素地表變形信息。