莊婧 屈正一

（河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院）

開采活動結束后，地表活動逐漸趨于穩(wěn)定，但地下因煤炭開采形成的地下空洞、巖體中的離層、裂縫和垮落巖塊的欠壓密等現(xiàn)象長期存在［1］，此時在老采空區(qū)上方進行建筑、交通建設等土地再利用活動時，會打破工作面首采后覆巖運移結束的平衡狀態(tài)，導致老采空區(qū)地表的二次沉降，進而致使地表建（構）筑物損壞。傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測需耗費大量人力、物力，且時間跨度較長，而老采空區(qū)已無生產(chǎn)價值，所以礦山一般疏于對老采空區(qū)殘余變形的監(jiān)測。在現(xiàn)有研究中，殘余變形監(jiān)測技術應用最為廣泛的是傳統(tǒng)水準測量，該方法測量結果穩(wěn)定，但耗時、費力，無法對采空區(qū)進行持續(xù)監(jiān)測［2］；此外，還有三維激光掃描技術、無人機傾斜攝影測量技術及合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）。

其中，三維激光掃描技術以其高精度、高效率、非接觸式測量而被廣泛應用，使得傳統(tǒng)的點測量方式逐漸向面測量轉變［3］，現(xiàn)多應用于開采沉陷監(jiān)測中，并取得了良好的成果［4］。無人機傾斜攝影測量技術可以通過提取采空區(qū)前后2 期DSM 上的走向線與傾向線觀測站的各點高程，進行變化量的計算，來達到殘余變形監(jiān)測的目的，該技術應用成本較低，使用靈活，能夠?qū)⒈O(jiān)測區(qū)域的整體情況展示給用戶［5］。而InSAR 技術可以通過存檔數(shù)據(jù)，監(jiān)測老采空區(qū)的變形歷史［6］，從而獲得老采空區(qū)殘余變形數(shù)據(jù)，為老采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供基礎。這3 種技術方法都很好地彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的缺點，且都滿足殘余變形監(jiān)測的精度要求，但3種監(jiān)測方法各具優(yōu)缺點。目前殘余變形預計方法主要分為動態(tài)和靜態(tài)2種預計方法。靜態(tài)預計主要判別地表下沉最終狀態(tài)，包括剖面函數(shù)法、影響函數(shù)法等，其中影響函數(shù)法我國學者引入后，演化為概率積分法，該方法在我國應用較為成熟。動態(tài)預計主要可以實現(xiàn)采空區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，應用較多的為Knothe時間函數(shù)模型等。

因此，本研究對上述3 種方法分別進行論述，通過歸納對比，以期為相關老采空區(qū)監(jiān)測工作提供最佳方案；為后續(xù)構建殘余變形預計模型提供獲取高精度建模數(shù)據(jù)的方法。

1 地表沉降監(jiān)測技術

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是測繪領域近些年來技術綜合進步的代表之一，它綜合了測量、圖像以及圖形處理等多種學科基礎［7］。目前，三維激光掃描技術雖然在地表沉降監(jiān)測方面可以彌補傳統(tǒng)測量方法的不足，但是根據(jù)國內(nèi)外學者的比對研究中，所得到結論存在爭議。

柏文娟［8］通過對同一礦區(qū)的2 期三維激光掃描測量與同期傳統(tǒng)測量方法所獲得的數(shù)據(jù)進行比對，得到兩者監(jiān)測結果誤差達毫米級，滿足礦區(qū)開采沉陷、殘余變形監(jiān)測的標準；邢正全等［9］通過設計相應的模擬實驗，對2次不同時期測量所得的地表模型進行分析，得到的結果表明三維激光掃描技術應用于開采沉陷監(jiān)測在精度上完全滿足要求。因此，根據(jù)已有研究，將三維激光掃描技術的優(yōu)勢總結為以下3點。

（1）非接觸式測量［10］，外業(yè)操作簡單，可以應用于各種礦山的復雜地理、地質(zhì)條件，完成傳統(tǒng)測量中人員、儀器難以完成的礦山測量工作。

（2）分辨率高，測量精度可達毫米級［11］。

（3）可外接GPS、數(shù)碼相機等，實現(xiàn)更全面、立體的沉降監(jiān)測［12］。

但部分學者認為三維激光掃描測量技術存在一定的局限性：如受軟件算法的局限，點云數(shù)據(jù)去噪處理不完善，一定程度上影響了精度［10］；被測區(qū)域內(nèi)距觀測站的距離遠近也會在一定程度上影響觀測精度，離觀測站近則精度高，反之則精度降低［13］；被測區(qū)域內(nèi)的植被等會在一定程度上影響精度［2］；進行三維建模時，克利金（Kriging）插值算法計算出的數(shù)據(jù)與實際地表信息數(shù)據(jù)存在偏差［14］。

1.2 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量以其搭載的五鏡頭傾斜相機，實現(xiàn)了正攝、前視、后視、左視、右視等5個方位拍攝，能夠獲得更加完整的數(shù)據(jù)信息，促進了包含礦山開采沉陷監(jiān)測在內(nèi)的礦山測繪從二維向三維的轉變［15］。通過在某露天礦場中運用傾斜測量技術，將測量結果利用ArcGIS、inpho、Smart3D 等軟件得到高分辨率DOM 影像與三維立體模型，可以對礦山進行更加安全的動態(tài)監(jiān)測［16］，通過傾斜測量獲取礦區(qū)的DEM、DSM、TDOM 等測量成果，為礦山開采范圍監(jiān)管提供了數(shù)據(jù)，同時也確定了無人機傾斜攝影測量技術的精度等級為厘米級［17］；通過傾斜測量技術建立帶紋理的礦山實景三維模型，將量測模型得到的數(shù)據(jù)與使用GPS-RTK 技術得到的數(shù)據(jù)比對，符合大部分工程的應用需求［18］。但是有部分學者認為在礦山開采沉陷監(jiān)測中單獨使用無人機傾斜測量存在較多缺陷，如植被區(qū)的高程精度無法保證，像控點測量需要減免等［19］。

河道縱向剖面規(guī)劃設計應保護河道與河道、河道與湖塘之間的連通性，不設或少設擋水建筑物及構筑物。對河道內(nèi)已建的壅水、阻水或影響河道排澇能力的建筑物，應給予改（擴）建或拆除。不能拆除的應考慮通過改變運營方式等保持水流暢通，或修建跌水與魚道工程。

1.3 InSAR技術

合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）誕生于20 世紀50 年代，是一種結合了高分辨率成像、合成孔徑雷達（SAR）和干涉測量技術的衛(wèi)星成像技術，InSAR 以其高精度、全天候、大范圍覆蓋等優(yōu)點引發(fā)了以InSAR技術為基礎的研究熱潮，衍生出許多基于InSAR的新技術，如PS-InSAR、GPS-InSAR 融合技術、CR-PSIn-SAR 聯(lián)合測量技術、SBAS-InSAR 技術、基于相干點目標點的多基線D-InSAR技術等。

20 世紀90 年代，研究人員發(fā)現(xiàn)D-InSAR 在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的應用極具潛力，具有信息量大，無需建立地面控制網(wǎng)即可實現(xiàn)大面積監(jiān)測等優(yōu)點，且應用較為成熟。D-InSAR 是通過一系列的操作，將其他因素引起的相位消除，只剩下由地表形變引起的相位，然后通過相位差分、地理編碼等操作來研究礦區(qū)地面沉降信息。

D-InSAR 在礦山沉陷監(jiān)測中的應用研究，特別是殘余變形監(jiān)測方面的研究較多，劉曉菲等［20］通過對某礦區(qū)的PAL-SAR影響數(shù)據(jù)進行處理得到徐州某老采空區(qū)的地表形變場，發(fā)現(xiàn)盡管地下工作面開采已結束15 a 以上，其地表依舊尚有殘余沉降，證明對老采空區(qū)進行殘余變形監(jiān)測十分必要。但僅僅依靠D-InSAR 技術進行地表沉降監(jiān)測，會存在不同程度的時空失相關和大氣效應，所以許多研究將不同的技術與D-InSAR 進行有機結合以克服此問題［21-22］。如魏紀成等［23］提出將D-InSAR 與PS-InSAR 技術有機結合，通過與實地踏勘對比，驗證了此方法的可行性。但是PS-InSAR 不能很好地解決D-InSAR 監(jiān)測過程中的時間、空間去相干，研究認為SBAS-InSAR技術可以很好地彌補這一缺陷［24］，適合應用于老采空區(qū)的殘余變形監(jiān)測中。

1.4 結果比對分析

老采空區(qū)的殘余沉降是緩慢且漸變的，所以殘余沉降監(jiān)測對精度的要求十分高，三維激光掃描技術及InSAR技術的監(jiān)測精度最高可達毫米級，而無人機傾斜測量技術的監(jiān)測精度達厘米級。就監(jiān)測精度方面看，三維激光掃描技術及InSAR技術可達傳統(tǒng)地表沉降監(jiān)測精度，同時也滿足《煤礦測量規(guī)范》要求精度。從殘余沉降監(jiān)測工作效率及工作量方面看，三維激光掃描技術雖減輕了外業(yè)工作負擔，但是依舊需要測量人員定時、定期進行外業(yè)監(jiān)測，且點云數(shù)量龐大，內(nèi)業(yè)工作繁重［11］。而InSAR 技術可以通過存檔數(shù)據(jù)，監(jiān)測老采空區(qū)的變形歷史，從而獲得老采空區(qū)殘余變形規(guī)律［25］，在老采空區(qū)土地再利用時進行監(jiān)測及穩(wěn)定性評價，有效地減免監(jiān)測工作的冗余。綜上所述，從精度和工作有效性2 個角度對比3 種方法后，認為InSAR技術是監(jiān)測老采空區(qū)殘余變形量的最佳方法（表1）。

2 殘余變形預計模型

在老采空區(qū)土地再利用時，需對其進行長期的穩(wěn)定性評價，不僅需要對其殘余沉降進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行殘余沉降變形預計也是關鍵所在。因此，國內(nèi)外許多學者研究提出了相應的預計模型。

2.1 預計模型建模方法

此外，還有學者通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型及人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行老采空區(qū)殘余沉降建模［29］。目前，更多關于采空區(qū)的殘余變形預計方法是將概率積分法與各種預計方法結合來進行殘余變形的預計，如運用概率積分法推導殘余變形計算公式，結合數(shù)值模擬法計算采空區(qū)注漿處理時的渠道開挖前施工活動中的場區(qū)位移［30］；羅佳竺等［31］結合概率積分法沉陷理論和WSPS軟件建立殘余變形預計模型；解陳［32］運用概率積分法來推導地表殘余變形的靜態(tài)預計公式，并應用黏彈性體開爾文模型，建立了殘余下沉時間函數(shù)等。通過上述方法，對老采空區(qū)的穩(wěn)定性及殘余沉降進行預計，從而達到提高土地再利用的安全性，對礦業(yè)城市的建設具有重要意義。

地表最大殘余沉降值可以直接反映老采空區(qū)殘余變形的強度，并控制著其他移動變形量，是衡量殘余移動變形的主要指標。目前殘余變形預計多基于實測數(shù)據(jù)，通過概率積分法建立相關經(jīng)驗公式，因此上述預計模型對老采空區(qū)的殘余變形量預計具有一定的適用性。

2.2 InSAR在殘余變形預計中的應用

可靠的殘余變形監(jiān)測方法是所有殘余變形預計模型的精度保障，上文總結出InSAR 技術是最佳殘余變形監(jiān)測方法，在此探究基于InSAR 監(jiān)測的殘余變形預計模型十分必要。目前，對InSAR 應用在殘余變形預計中的研究非常少，研究更多的是基于In-SAR 的開采沉陷預計模型，但是對于殘余變形，究其根本也是屬于開采沉陷的一種，因此通過梳理基于InSAR的開采沉陷預計模型，與上文概率積分法在殘余變形預計模型中的應用尋找共同點，來論述InSAR在殘余變形預計模型中的可行性。

劉沂軒等［33］將D-InSAR 與offset-tracking 技術融合，建立了基于InSAR 與概率積分法的殘余變形預計模型，成功預計了廢棄采空區(qū)的殘余變形，證明DInSAR 可以為研究廢棄采空區(qū)的殘余變形提供基礎數(shù)據(jù)，同時D-InSAR 與概率積分法融合，可以更有效地實現(xiàn)礦山開采沉陷監(jiān)測與預計的一體化［34］。閆大鵬［35］發(fā)現(xiàn)可以直接通過測量D-InSAR 中間成果的色周直徑，得到拐點偏移距S、主要影響半徑r等預計參數(shù)，并且將D-InSAR 計算所得的最大下沉值代入到概率積分公式中反演出折減系數(shù)η，從而完成概率積分法中所有參數(shù)的非主觀定值，這種模型反演方式，可以修正概率積分模型中的經(jīng)驗參數(shù)，使得預計成果更準確。

可以看出，D-InSAR 可以獲得精度較高的實測數(shù)據(jù)，保證后續(xù)殘余變形預計模型的建模精度。

3 結論

（1）通過對3 種殘余變形監(jiān)測方法進行論述，從精度及工作有效性角度進行歸納對比，得出InSAR技術目前是老采空區(qū)殘余變形監(jiān)測的最優(yōu)方法。

（2）在殘余變形預計方面，目前研究最多的是基于概率積分法的各種預計模型，其中基于D-InSAR技術的殘余變形預計模型可以提高其預計精度。

（3）雖然融合D-InSAR 與概率積分法殘余變形預計模型優(yōu)勢很多，但是也有局限，在監(jiān)測方面可以選擇技術融合彌補缺點，在建模方面可以考慮與相似模擬或數(shù)值模擬相結合的方法。

（4）目前對老采空區(qū)地表的長期穩(wěn)定性與評價的關注較少，殘余變形監(jiān)測、預計與其土地再利用的安全性還需開展深入研究。