摘要：開展礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)對(duì)于礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾具有重要意義。該文采用短基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（SBASInSAR）技術(shù)，對(duì)山東省某煤礦2021年11月7日至2022年3月19日期間的采空區(qū)地表沉陷情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲取了監(jiān)測(cè)區(qū)域的年均沉降速率和時(shí)序沉降量，分析了地表沉陷時(shí)空分布特征和監(jiān)測(cè)精度。結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)最大年均沉降速率達(dá)到679.2 mm/a，累計(jì)沉降量最大為258.7 mm，監(jiān)測(cè)到的沉降空間位置與實(shí)際開采工作面空間位置十分吻合，沉陷盆地走向和傾向沉降曲線均呈“V”型，表明SBASInSAR監(jiān)測(cè)到的采空區(qū)地表沉陷位置、范圍和時(shí)空連續(xù)變化趨勢(shì)與煤礦實(shí)際開采情況相符，可有效獲取煤礦采空區(qū)的地表沉陷信息。

關(guān)鍵詞：SBASInSAR；地表沉陷；時(shí)空分布特征

中圖分類號(hào)：P642.26" ""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.02.001

0 引言

煤炭資源采出后，會(huì)在地下逐漸形成大面積采空區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致地面下沉，對(duì)生態(tài)環(huán)境、土地資源利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成巨大影響，嚴(yán)重限制了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展^［1］。對(duì)煤礦開采過程中的地面下沉情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)獲取礦區(qū)地面破環(huán)的影響范圍，為煤礦進(jìn)行土地補(bǔ)償、生態(tài)修復(fù)治理等提供依據(jù)，對(duì)研究礦區(qū)開采沉陷規(guī)律具有重要意義^［23］，因此，開展煤礦采空區(qū)的地表沉陷監(jiān)測(cè)方法研究和應(yīng)用十分必要。

煤礦常用的地表沉陷監(jiān)測(cè)方法主要通過在開采工作面上方預(yù)先布設(shè)一定數(shù)量的地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS測(cè)量、三角高程測(cè)量等技術(shù)定期獲取地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程值，計(jì)算實(shí)際下沉量，該方法監(jiān)測(cè)精度雖高，但布設(shè)點(diǎn)位容易遭受人為破壞、監(jiān)測(cè)成本高、點(diǎn)位數(shù)量有限，難以全面反映煤礦采空區(qū)的地表沉陷情況^［4］。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（Difference Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR）技術(shù)利用形變前后兩幅配準(zhǔn)后的單視復(fù)數(shù)雷達(dá)影像，可以從面狀尺度獲取厘米級(jí)精度的地表形變信息，具備高精度、大范圍、高頻次、長時(shí)序的突出監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)^［5］，在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的永久散射體技術(shù)（Permanent Scatterer InSAR，PSInSAR）、短基線集方法（Small Baseline Subset InSAR，SBASInSAR）等時(shí)間序列InSAR技術(shù)將監(jiān)測(cè)精度提升至毫米級(jí)^［67］，已相繼推廣應(yīng)用于煤礦采空區(qū)的地表沉陷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。吳立新等^［8］在國內(nèi)首次分析了DInSAR技術(shù)應(yīng)用于煤礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測(cè)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并指出了該技術(shù)具體的監(jiān)測(cè)目標(biāo)和亟需解決的關(guān)鍵問題。朱建軍等^［9］分析了DInSAR、PSInSAR、SBASInSAR等技術(shù)在煤礦開采沉陷監(jiān)測(cè)中的當(dāng)前應(yīng)用情況和局限性，給出了InSAR監(jiān)測(cè)礦區(qū)形變的發(fā)展趨勢(shì)。閆建偉等^［1012］利用DInSAR技術(shù)分別得到了淮南礦區(qū)、濟(jì)寧礦區(qū)、神東礦區(qū)的InSAR形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，證明DInSAR可以有效獲取礦區(qū)大范圍的地表開采沉陷信息。王道順等^［1317］針對(duì)DInSAR技術(shù)在煤礦采空區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)中的局限性，利用PSInSAR或SBASInSAR等時(shí)序InSAR技術(shù)獲取了長時(shí)間序列上的礦區(qū)地表形變結(jié)果，分析了煤礦開采沉陷的時(shí)空分布特征規(guī)律。

本文以山東省某煤礦區(qū)為研究區(qū)域，利用SBASInSAR方法對(duì)覆蓋研究區(qū)域的11景C波段Sentinel1A影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取了2021年11月7日至2022年3月19日的年均沉降速率和時(shí)序沉降量，分析了沉陷盆地走向、傾向的時(shí)間和空間分布特征。

1 研究區(qū)域概況

本次實(shí)驗(yàn)選擇山東省濟(jì)寧某礦區(qū)為研究區(qū)域，該礦區(qū)位于濟(jì)寧市西南，其地理位置概況見圖1。礦區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間簡(jiǎn)易公路四通八達(dá)，地理位置優(yōu)越，交通方便。

該煤礦現(xiàn)主采3煤層，共劃分4個(gè)采區(qū)，本次具體研究區(qū)域?yàn)槲挥诿旱V南部的首采區(qū)，監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2021年11月至2022年3月。該礦首采區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)有1315、1318工作面正在采動(dòng)，其中1315工作面開采時(shí)間為2020年10月—2022年3月，1318工作面開采時(shí)間為2021年10月至2022年3月?？紤]到對(duì)相鄰老采空區(qū)地表沉陷的疊加影響，將鄰近的1307、1320工作面納入本次研究范圍，其中1307和1320工作面分別已于2015年2月和2021年9月結(jié)束開采。具體位置及地質(zhì)采礦信息見圖1和表1。

2 數(shù)據(jù)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

實(shí)驗(yàn)收集到覆蓋研究區(qū)域的11景相同軌道的C波段Sentinel1A SLC影像，時(shí)相為2021年11月7日至2022年3月19日，各影像時(shí)間間隔12 d，數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇使用每景影像對(duì)應(yīng)的精密定軌星歷數(shù)據(jù)（Precise Orbit Ephemerides，POD）減弱軌道誤差，使用開源的ALOS World 3D數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)去除外部地形相位。

2.2 研究方法

考慮到研究區(qū)域內(nèi)地表主要為農(nóng)田，監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)SAR影像數(shù)據(jù)量又偏少，因此本次實(shí)驗(yàn)選擇SBASInSAR時(shí)序方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該方法較其他時(shí)序InSAR方法能夠在所用SAR影像數(shù)據(jù)量較少的前提下得到較高精度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，且監(jiān)測(cè)對(duì)象為分布式散射體，可以在礦區(qū)得到更多的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。SBASInSAR首先計(jì)算覆蓋同一區(qū)域不同時(shí)間段的多景SAR影像時(shí)間和空間基線，通過設(shè)定合適的時(shí)間和空間基線閾值，將SAR影像組合成具有多主影像的干涉集合；然后對(duì)組成的集合內(nèi)各干涉對(duì)進(jìn)行配準(zhǔn)、干涉、差分干涉、濾波、相位解纏等處理；最后對(duì)所有集合內(nèi)干涉對(duì)組成相位方程，采用奇異值分解（SVD）方法進(jìn)行形變參數(shù)的估計(jì)，并采用時(shí)間和空間域?yàn)V波的方法去除大氣延遲相位，分離非線性形變，最終得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的形變信息。該方法數(shù)據(jù)處理的流程主要為：

（1）連接圖生成。將下載到的11景Sentinel1A單視復(fù)數(shù)（SLC）影像進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并按研究區(qū)域范圍統(tǒng)一進(jìn)行裁剪；設(shè)置時(shí)間基線閾值48 d，空間基線不超過臨界基線的10%，自動(dòng)選擇2022年1月6日影像為超級(jí)主影像，共生成30個(gè)干涉像對(duì)，其中最小空間基線12.4m，最大空間基線177.9m，生成的干涉對(duì)連接情況見圖2。

（2）差分干涉處理。對(duì)生成30個(gè)像對(duì)進(jìn)行配準(zhǔn)和共軛相乘，生成干涉結(jié)果；利用外部DEM數(shù)據(jù)模擬地形相位，對(duì)干涉結(jié)果進(jìn)行去除平地相位、地形相位處理，生成差分干涉圖集；對(duì)差分干涉結(jié)果進(jìn)行Goldstein濾波處理，減弱噪聲影響，同時(shí)生成每個(gè)干涉像對(duì)對(duì)應(yīng)的相干系數(shù)圖；設(shè)置相干解纏閾值0.2，利用最小費(fèi)用流解纏方法恢復(fù)各差分干涉像對(duì)的真實(shí)相位值。由于本次監(jiān)測(cè)時(shí)間為2021年11月7日至2022年3月19日，研究區(qū)域在秋冬季地表植被覆蓋度較低，因此各干涉對(duì)相干性較高，平均相干值達(dá)到0.8，差分干涉和相位解纏效果均較好，可全部保留。

（3）軌道精煉和重去平。為了估算和去除各干涉對(duì)解纏后的殘余相位，綜合參考各干涉對(duì)差分干涉和解纏結(jié)果，在遠(yuǎn)離形變的穩(wěn)定區(qū)域、相干性高、未發(fā)生解纏錯(cuò)誤的區(qū)域手動(dòng)選擇22個(gè)地面控制點(diǎn)，利用三次多項(xiàng)式模型對(duì)整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的誤差相位予以去除。

（4）形變速率反演?；谥厝テ胶蟮慕饫p相位進(jìn)行第一次形變速率反演，估算殘余高程，并進(jìn)行二次解纏優(yōu)化；解算完第一次形變速率后，進(jìn)行相位優(yōu)化和重去平，設(shè)置時(shí)間窗口365 d、空間窗口1 200m，估算并去除大氣相位，經(jīng)地理編碼后最終得到更加精確的時(shí)間序列形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

經(jīng)過SBASInSAR數(shù)據(jù)處理后，即可獲得研究區(qū)域2021年11月7日至2022年3月19日的視距方向（LOS）形變量，依據(jù)雷達(dá)入射角，將其轉(zhuǎn)換為垂直方向形變量，InSAR監(jiān)測(cè)得到的垂直方向平均沉降速率結(jié)果見圖3。由圖3可知，受1315、1318工作面開采影響，研究區(qū)域分布有2處沉陷盆地，其中北側(cè)沉陷盆地最大沉降速率為679.2mm/a，南側(cè)沉陷盆地最大沉降速率為355.7mm/a。

為了驗(yàn)證InSAR監(jiān)測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)對(duì)年均沉降速率結(jié)果的頻數(shù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖4），可以看出沉降速率峰值為2.06mm/a，頻數(shù)主要分布在0mm/a附近，統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈直方狀態(tài)，表明監(jiān)測(cè)區(qū)域除受開采影響的沉陷盆地外，大部分仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，該結(jié)果符合實(shí)際情況，可以在一定程度上反映本次InSAR監(jiān)測(cè)的可靠性。

圖5是以2021年11月7日為初始日期，其他監(jiān)測(cè)時(shí)間分別相對(duì)于初始日期影像的累計(jì)沉降量。結(jié)合圖1分析，由于1315工作面回采時(shí)間為2020年10月，至本次監(jiān)測(cè)時(shí)間（2021年11月7日）開始時(shí)已開采358m，因此至2021年11月19日時(shí)，雖然煤層埋深較深，但時(shí)間相隔12 d已呈現(xiàn)出明顯沉降現(xiàn)象；1318工作面回采時(shí)間為2021年10月16日，至2021年11月1日僅向前開采12m，加之煤層埋深較深，因此在2021年11月19日時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)明顯沉降，直至2021年12月1日才發(fā)生沉降，最大沉降量18mm；由于1320工作面停采時(shí)間為2021年9月（自東向西開采），西距1315工作面344m，南距1318工作面552m，該工作面尚未達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，加之受1315、1318工作面的影響，2022年1月6日時(shí)已監(jiān)測(cè)到該工作面上方的地面沉降；隨著1315、1318工作面的不斷推進(jìn)，2處沉陷盆地的沉降范圍和沉降量不斷增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)沉陷盆地東側(cè)有沉降現(xiàn)象發(fā)生，分析開采資料，該區(qū)域存在1個(gè)已于2021年3月停采的工作面，由于該工作面未達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，受1318工作面開采影響同樣出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象。

結(jié)合地質(zhì)采礦條件和開采沉陷一般規(guī)律分析，1315和1318工作面埋深和煤層厚度相當(dāng)，監(jiān)測(cè)到的最大沉降量分別為258.7mm和134.5mm，原因在于1315工作面開采范圍更大，另外在于與之相鄰的1307工作面已于2015年2月回采結(jié)束，地表早已達(dá)到穩(wěn)沉，但受到1315工作面的重復(fù)采動(dòng)影響，破壞了老采空區(qū)的穩(wěn)沉狀態(tài)，導(dǎo)致在1315工作面監(jiān)測(cè)到的沉降量和沉降影響范圍大于1318工作面。此外1320工作面已于2021年9月回采結(jié)束，監(jiān)測(cè)時(shí)間開始時(shí)還仍繼續(xù)沉降，未達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，但由于距1315和1318工作面較遠(yuǎn)，重復(fù)采動(dòng)影響較弱，因此監(jiān)測(cè)到的沉降量較小。

為了更直觀分析監(jiān)測(cè)區(qū)域的沉降空間特征，在2處沉陷盆地開采工作面的傾向和走向各選取1條剖線ab、cd和a′b′、c′d′（位置見圖3），提取了剖線方向上的沉降量值，并繪制沉降曲線（圖6）?？梢钥闯?，提取的走向和傾向沉降曲線均呈“V”型，表現(xiàn)出明顯的沉陷盆地特征，符合開采沉陷特征規(guī)律。

利用2021年11月7日至2022年3月19日11景Sentinel1A雷達(dá)影像和SBASInSAR技術(shù)，獲取了山東省某煤礦年均沉降速率和時(shí)序沉降量，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，受1315、1318工作面開采影響，該區(qū)域最大年均沉降速率達(dá)到679.2mm/a，累計(jì)沉降量最大為258.7mm，監(jiān)測(cè)區(qū)域形成的2處沉陷盆地空間位置與1315、1318開采工作面空間位置十分吻合，且隨著工作面的持續(xù)開采，沉陷盆地范圍不斷增大，提取的走向和傾向沉降曲線均呈“V”型，證明SBASInSAR監(jiān)測(cè)到的采空區(qū)地表沉陷位置、范圍和時(shí)空連續(xù)變化趨勢(shì)與煤礦實(shí)際開采情況相符，可有效獲取煤礦采空區(qū)的地表沉陷信息。

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Monitoring and Analysis on Surface Subsidence Timeseries InSAR in Coal Mining Area

WANG Zijian1， WANG Ruiyun2

（1. No.1 Exploration Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology， Shandong Qingdao 266590， China; 2. Engineering College of Ji'ning University， Shandong Ji'ning 272100， China）

Abstract：Carrying out surface subsidence monitoring in mining areas is of great significance for the protection of mine geological environment and land reclamation. In this paper， by using shortbaseline integrated aperture radar interferometry （SBASInSAR） technology， surface subsidence of the goaf in a coal mine in Shandong province from November 7th， 2021 to March 19th， 2022 has been monitored. The annual average settlement rate and temporal settlement amount of the monitored area are obtained， and the spatiotemporal distribution characteristics of surface subsidence have been analyzed. It is showed that the maximum annual average subsidence rate in the study area can reach 679.2mm/a， and the maximum cumulative subsidence is 258.7mm. The monitored subsidence spatial position is in good agreement with the actual mining face spatial position. The subsidence basin direction and dip subsidence curve show a \"V\" shape. It is indicated that the surface subsidence position， range and spatiotemporal continuous change trend of the goaf monitored by InSAR are consistent with the actual mining situation of the coal mine. It can effectively obtain surface subsidence information of the goaf.

Key words：SBASInSAR; surface subsidence; spatial and temporal distribution characteristics

基金項(xiàng)目：濟(jì)寧學(xué)院青年基金科研課題“基于改進(jìn)型遺傳算法的有限元概率積分法模型在開采沉陷預(yù)計(jì)可視化中的應(yīng)用（2019QNKJ04）”

作者簡(jiǎn)介：王子?。?989—），男，山東鄆城人，工程師，主要從事工程測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量工作；Email：625551344@qq.com

*通信作者：王瑞云（1986—），男，山東濟(jì)寧人，講師，主要從事變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理；Email：574133201@qq.com

引文格式：王子健，王瑞云.煤礦采空區(qū)地表沉陷時(shí)序InSAR監(jiān)測(cè)與分析［J］.山東國土資源，2025，41（2）：16.WANG Zijian， WANG Ruiyun. Monitoring and Analysis ob Surface Subsidence Timeseries InSAR in Coal Mining Area［J］.Shandong Land and Resources，2025，41（2）：16.