范 忻

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006)

0 引言

永城市是全國六大無煙煤基地之一，華東工業(yè)的能源后方，共有陳四樓煤礦、城郊煤礦、車集煤礦、新莊煤礦、葛店煤礦等11個煤田。長期以來，煤炭在為經(jīng)濟發(fā)展和社會進步作出巨大貢獻的同時，其傳統(tǒng)的開發(fā)利用也帶來了一系列嚴峻的地質(zhì)環(huán)境損害問題。在目前礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞突發(fā)性頻發(fā)的情況下，大面積快速精確地監(jiān)測礦山地表形變的技術(shù)還較少，傳統(tǒng)的煤礦地表形變監(jiān)測大多采用三角測量、水準(zhǔn)測量和GPS測量的方法[1]，這些方法存在工作量大、費用高、測點難以保存以及無法實現(xiàn)大面積詳細測量等缺點，而廣泛應(yīng)用的合成孔徑雷達干涉測量(INSAR)技術(shù)在解譯煤礦區(qū)地表形變信息時則出現(xiàn)失相干嚴重，解纏錯誤較多，成果精度無法保證的問題，亟需利用新技術(shù)對地表形變監(jiān)測技術(shù)進行補充[2-6]。

近幾年來中國礦業(yè)大學(xué)的劉沂軒、耿智海，廣東的雷廣淵以及詹景祥，河海大學(xué)的郭樂萍等均對小基線基(SBAS)技術(shù)應(yīng)用于地表形變工作中進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，小基線集(SBAS)技術(shù)可有效解決INSAR技術(shù)中時空基線過長的失相干問題，同時降低圖像對基線的依賴[7-10]，因此為了實現(xiàn)城郊煤礦地表形變的精確監(jiān)測與預(yù)測，本研究在永城市城郊煤礦大范圍地表形變監(jiān)測工作中引入小基線集(SBAS)方法，彌補常規(guī)INSAR方法受時間失相干和空間失相干影響嚴重，難以獲得精確形變信息的不足之處。然后采用克里金內(nèi)插法，將時空基準(zhǔn)統(tǒng)一后的水準(zhǔn)測量結(jié)果和SBAS-INSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)成果進行精度分析與評價。最后依托北斗衛(wèi)星連續(xù)運行參考站監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)觀測數(shù)據(jù)確定礦區(qū)下沉系數(shù)，總結(jié)形變規(guī)律，對城郊煤礦開采工作面的地表形變發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

1 SBAS-INSAR監(jiān)測技術(shù)原理

小基線集技術(shù)(SBAS)是近年提出的一種新的INSAR時間序列分析方法，它能有效地克服時空時間和空間失相干現(xiàn)象等限制性因素，具有可增加時間采樣率，對影像數(shù)量要求不高等優(yōu)點[11]。

SBAS-INSAR方法是將同一地區(qū)不同時間段獲取的N幅SAR影像組成N個子集，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)臅r間和空間基線閾值，生成M幅干涉圖集，并滿足N/2≤M≤[N(N-1)]/2，在對SAR影像干涉時對基線進行了限制，可以保證每幅干涉圖的高相干性，同時，如果所有影像都屬于一個小基線集，則在對多個干涉圖子集進行聯(lián)合求解時，可以利用矩陣的奇異值分解(SVD)得到形變相位，增加了算法的時間采樣[11]。另外，SBAS算法能部分降低利用外部DEM所引入的誤差，且充分考慮到大氣延遲相位對形變結(jié)果的影響，利用時空域濾波的方法來削弱大氣延遲相位。

SBAS-INSAR技術(shù)監(jiān)測煤礦區(qū)地表形變技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1 SBAS-INSAR技術(shù)監(jiān)測流程Fig.1 Monitoring flow of SBAS-INSAR technique

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)位于永城市城郊煤礦，井田位于黃淮平原腹地，南北長約12 km，東西寬約11 km，面積92.924 km2。研究區(qū)內(nèi)平均海拔31.9 m。選取的SAR數(shù)據(jù)為2017年4月至2017年9月的13景分辨率為5 m×20 m 的哨兵1號數(shù)據(jù)和4景5 m分辨率的RADARSAT-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，光學(xué)遙感數(shù)據(jù)為2017年7月獲取的ZY-3資源三號衛(wèi)星影像以及30 m分辨率SRTM的DEM。研究區(qū)城郊煤礦交通位置概況，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)城郊煤礦交通位置概況Fig.2 Traffic location of Chengjiao coal mine in study area

2.2 基于SBAS-INSAR技術(shù)的地面形變監(jiān)測

與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量和GPS監(jiān)測技術(shù)相比，SBAS-INSAR技術(shù)能夠抑制長基線導(dǎo)致的幾何去相干，增加時間上的采樣，在區(qū)域性地表形變監(jiān)測具有較高的垂向監(jiān)測精度，適合對地表緩慢形變而非地表突發(fā)塌陷情況進行監(jiān)測，易識別出地表形變的分布規(guī)律以及動態(tài)變化趨勢，更適合應(yīng)用于礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中[12]。

為了精確的獲取地表形變監(jiān)測工作中時序沉降區(qū)域以及開采工作面的累積變形值，同時減少時間去相關(guān)對SAR監(jiān)測技術(shù)成果的影響[13]，本次實驗選取GAMMA軟件平臺，采用短基線干涉測量方法，在獲取的較多的SAR干涉組合中，選取基線小，時間連續(xù)的SAR圖像干涉像對。以“二軌”差分干涉測量為基礎(chǔ)，將多個差分干涉測量形變結(jié)果進行組合運算，最終提取研究區(qū)地面塌陷信息。

根據(jù)解譯成果(見圖3)可知，在2017年4月至2017年9月期間，城郊煤礦地表形變面積為10.59 km2，共出現(xiàn)4個形變區(qū)域，其中形變最為嚴重的區(qū)域位于翰李莊、周莊、潘莊(見圖3中C區(qū)域)，監(jiān)測期間C區(qū)域最大地表形變量為248 mm。

圖3 城郊煤礦SBAS-INSAR地表形變解譯圖Fig.3 Interpretation results of surface deformation of SBAS-INSAR in Chengjiao coal mine

2.3 精度分析與評價

為了驗證SBAS-INSAR技術(shù)獲取成果的精度及可靠性，同時考慮到常規(guī)空間差值方法在精度評價方面的欠缺，本研究選取克里金插值法對SBAS-INSAR技術(shù)獲得的地面形變監(jiān)測成果進行精度分析與評價[14]。普通克里金插值法以統(tǒng)計學(xué)作為理論基礎(chǔ)，能夠克服內(nèi)插中誤差難以分析的問題，不會產(chǎn)生回歸分析的邊界效應(yīng)，插值精度很高，適用性較廣[15-16]。

由于本研究實測的四等水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)和SBAS-INSAR數(shù)據(jù)在時間上并不統(tǒng)一，為了實現(xiàn)時間基準(zhǔn)的統(tǒng)一并保證精度分析的可靠性，將水準(zhǔn)和INSAR的監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)一投影到WGS84坐標(biāo)系，經(jīng)過時間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一后，對獲得的SBAS-INSAR監(jiān)測地表形變值、四等水準(zhǔn)測量結(jié)果以及差值進行精度對比與分析(見圖4)，然后采用克里金插值法在水準(zhǔn)點上提取SBAS-INSAR的解譯值，經(jīng)過整體偏差補償，最終實現(xiàn)SBAS-INSAR監(jiān)測成果的精度分析與評價。

圖4 水準(zhǔn)驗證結(jié)果、SBAS-INSAR監(jiān)測結(jié)果及誤差對比折線圖Fig.4 Comparison of level verification results，SBAS-INSAR monitoring results and error

精度分析與評價公式為：

平均誤差公式：

(1)

中誤差公式：

(2)

式中:φ為平均誤差；dli為水準(zhǔn)觀測值；dIi為INSAR觀測值；m為中誤差；N為監(jiān)測個數(shù)；i為監(jiān)測時間段個數(shù)。

經(jīng)過整體偏差補償后，剔除誤差比較大的點9個，剔除率為18%。最終計算得出，平均誤差為±2.1 cm，中誤差為±2.9 cm，精度為±2.3 cm，完全滿足監(jiān)測需要。

2.4 地表形變趨勢預(yù)測

本研究通過北斗衛(wèi)星連續(xù)運行參考站系統(tǒng)和礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)(MSPS)，建立城郊煤礦地表形變持續(xù)監(jiān)測站，預(yù)測地表形變趨勢。數(shù)據(jù)采用HCmonitor2.0(連續(xù)運行監(jiān)測站管理系統(tǒng))軟件進行解算統(tǒng)計，獲取任意時間段參考站點的下沉情況，如2017年7月至2017年11月，BD01號監(jiān)測站點累積向北移動6.5 mm，向西移動2.1 mm，下沉值為93 mm。通過解算可以得出BD01號監(jiān)測站的沉降加速度，分析工作面地表形變狀態(tài)[17-20]。沉降加速度折線圖，見圖5。

圖5 沉降加速度折線圖Fig.5 Settlement acceleration line graph

通過對城郊煤礦2506工作面采煤擾動下地表形變進行持續(xù)觀測并分析，可知參考站BD01所在的城郊煤礦2506工作面在開采后6個月進入地表形變活躍期，1～2年進入地表形變穩(wěn)沉期。結(jié)合礦區(qū)監(jiān)測成果以及搜集到的城郊煤礦礦區(qū)開采實地資料，確定下沉系數(shù)q為0.89，最后通過礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)(MSPS)預(yù)計得到城郊煤礦近五年、十年和十五年內(nèi)地表形變預(yù)測區(qū)域。根據(jù)預(yù)測成果，預(yù)計2023年底，地表形變區(qū)域可達到23.51 km2，地表穩(wěn)沉可治理區(qū)域達到13.78 km2。城郊煤礦2018-2033年地表形變預(yù)測圖，見圖6。

圖6 城郊煤礦2018-2033年地表形變預(yù)測圖Fig.6 Surface deformation prediction map of Chengjiao coal mine from 2018 to 2033

3 結(jié)束語

本文利用小基線集(SBAS-INSAR)技術(shù)對永城市城郊煤礦礦山地表形變進行了監(jiān)測，并聯(lián)合北斗衛(wèi)星連續(xù)運行參考站監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)測了城郊煤礦地表形變發(fā)展趨勢，得出以下結(jié)論：

1)在永城城郊煤礦大范圍煤礦區(qū)地表形變監(jiān)測工作中引入小基線集SBAS-INSAR技術(shù)，通過采用克里金插值法與實測的高精度水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)進行精度分析與評價，監(jiān)測精度達到±2.3cm，驗證了SBAS技術(shù)的準(zhǔn)確性和時效性，為INSAR技術(shù)應(yīng)用于煤礦區(qū)地表形變監(jiān)測中提供了新思路。

2)采用北斗衛(wèi)星連續(xù)運行參考站對城郊煤礦地表形變進行持續(xù)性觀測，不僅得到較可靠的預(yù)測下沉參數(shù)及成果，還為進一步研究永城礦區(qū)開采沉陷規(guī)律，以及相關(guān)部門搬遷避讓等方面提供了重要的科學(xué)依據(jù)。