桑秀明

摘要：本文對(duì)張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測(cè)示范項(xiàng)目技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)探討。

關(guān)鍵詞：煤礦區(qū)地面沉陷；雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；國(guó)產(chǎn)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)；地面?zhèn)鞲衅?；星地一體監(jiān)測(cè)

1.項(xiàng)目的來(lái)源、目的

河北省是礦業(yè)資源大省，自然地質(zhì)災(zāi)害也頻發(fā)。河北省第二測(cè)繪院根據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害變化遙感監(jiān)測(cè)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，向省國(guó)土資源廳申請(qǐng)立項(xiàng)了“張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測(cè)示范”項(xiàng)目。本項(xiàng)目的主要工作目標(biāo)是：以張家口蔚縣煤礦區(qū)的崔家寨礦和單侯礦為示范區(qū)，通過(guò)高分辨率衛(wèi)星雷達(dá)遙感影像差分干涉數(shù)據(jù)處理自動(dòng)提取地面沉陷變化信息、資三衛(wèi)星面向?qū)ο蟮倪b感影像變化監(jiān)測(cè)技術(shù)研究、布設(shè)用于地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的地面地質(zhì)環(huán)境傳感網(wǎng)、多源數(shù)據(jù)挖掘及智能算法GIS功能開(kāi)發(fā)，來(lái)構(gòu)建星、地一體化的監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估分析。

本項(xiàng)目利用雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、國(guó)產(chǎn)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、地面?zhèn)鞲衅鳎约笆占降母鞣N專業(yè)資料，完成了蔚縣煤礦示范區(qū)域內(nèi)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像周期性監(jiān)測(cè)和地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)常態(tài)性監(jiān)測(cè)等工作，構(gòu)建了地面沉陷星地一體化的監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。并以此來(lái)完成對(duì)采礦引起的突發(fā)性地面沉陷、地表形變、山體坍塌等有效監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了地面沉陷管理的感知立體化、信息可視化、控制自動(dòng)化和監(jiān)管常態(tài)化，提高了地面沉陷監(jiān)管水平。在張家口市蔚縣崔家寨和單侯煤礦礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用示范，推進(jìn)星空地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.完成的主要工作內(nèi)容

1）、地面沉陷衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和處理

項(xiàng)目使用了德國(guó)TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)20景（2015年6月～2016年1月、條帶式、降軌、右視、空間分辨率3m、重訪周期11天），進(jìn)行了礦區(qū)沉陷差分干涉監(jiān)測(cè)D-InSAR數(shù)據(jù)處理和分析，提取了地面沉陷位置，制作了相關(guān)沉陷監(jiān)測(cè)圖件。

項(xiàng)目使用了高分一號(hào)衛(wèi)星（2013年3月、7月、9月、11月）、資源1號(hào)02C衛(wèi)星（2014年2月、7月、9月、11月）、資源三號(hào)衛(wèi)星（2015年2月、3月、7月、11月）的多光譜和全色影像數(shù)據(jù)54景，進(jìn)行了礦區(qū)土地利用變化檢測(cè)和生態(tài)環(huán)境地表覆蓋分類研究，建立了礦區(qū)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并制作了相關(guān)監(jiān)測(cè)圖件成果。

2）、地面沉陷傳感網(wǎng)的布設(shè)和監(jiān)測(cè)

在單侯礦和崔家寨礦區(qū)域80 Km2范圍內(nèi)，選擇了2處監(jiān)測(cè)區(qū)域，分別布設(shè)了傳感器網(wǎng)絡(luò)（其中單侯礦布設(shè)30點(diǎn)，崔家寨礦布設(shè)30點(diǎn)，共埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)63個(gè)，角反射器10個(gè)）；傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)太陽(yáng)能供電和無(wú)線組網(wǎng)連接實(shí)時(shí)連續(xù)不間斷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并遠(yuǎn)程與服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行連接和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、預(yù)警。

3）、地面GPS及水準(zhǔn)連續(xù)觀測(cè)

本項(xiàng)目對(duì)布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（按11天的衛(wèi)星過(guò)境周期）同步進(jìn)行了18次三等水準(zhǔn)測(cè)量，每次水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)各傳感器進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，各次水準(zhǔn)路線平均長(zhǎng)度約60Km，按要求進(jìn)行了平差計(jì)算，得到了各點(diǎn)的沉降量及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4）、星地立體化地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估信息平臺(tái)的建立

采用MicroSoft SQL Sever對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域基本基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、InSAR遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、資源三號(hào)衛(wèi)星高分辨率遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理；使用ArcGIS Server作為GIS開(kāi)發(fā)組件，采用C#、.Net等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)C/S架構(gòu)的“張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估信息平臺(tái)”。同時(shí)，也開(kāi)發(fā)了基于Android系統(tǒng)（手機(jī)、PDA等設(shè)備）的“實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)進(jìn)行傳感器狀態(tài)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)和預(yù)警信息的推送。

3.完成的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

3.1 地質(zhì)環(huán)境“星地”立體化監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

構(gòu)建以高分辨率衛(wèi)星遙感的周期性宏觀監(jiān)測(cè)，建立以地質(zhì)環(huán)境傳感網(wǎng)為輔助的地面常態(tài)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的“星地”立體化監(jiān)管技術(shù)體系。建立基于高分辨率光學(xué)遙感影像、InSAR遙感影像和航空遙感影像立體建模技術(shù)的一體化監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)遙感影像與地質(zhì)環(huán)境傳感器系統(tǒng)無(wú)縫集成。

3.2 基于地面沉陷傳感網(wǎng)的重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

在蔚縣崔家寨礦和單侯礦范圍內(nèi)的煤礦區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的地面沉陷監(jiān)測(cè)，搭建和布設(shè)地面沉陷傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)信號(hào)和實(shí)際布置環(huán)境，傳感器可以設(shè)置不同的環(huán)網(wǎng)和密度，一般為每2500平方米布設(shè)一個(gè)，每個(gè)礦區(qū)根據(jù)重點(diǎn)區(qū)域面積進(jìn)行布設(shè)和監(jiān)控，計(jì)劃布設(shè)63個(gè)傳感器。通過(guò)傳感器，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。

3.3 建立地面沉陷星地一體化監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)平臺(tái)

通過(guò)在蔚縣示范區(qū)的實(shí)地監(jiān)測(cè)，對(duì)示范區(qū)的自然地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)、工礦集中區(qū)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估的應(yīng)用示范或試驗(yàn)。通過(guò)智能算法自動(dòng)識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害類型、面積、損失情況等信息，提高監(jiān)測(cè)精度。建立基于GIS的災(zāi)損信息系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)星地立體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估分析。

4.總結(jié)

項(xiàng)目以張家口蔚縣煤礦區(qū)的崔家寨礦和單侯礦為示范區(qū)，全面開(kāi)展地面沉陷星地一體化監(jiān)測(cè)，深入研究地面環(huán)境傳感網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，重點(diǎn)開(kāi)展地面沉陷變化信息自動(dòng)提取技術(shù)、基于資源三號(hào)衛(wèi)星的遙感影像變化監(jiān)測(cè)技術(shù)及傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建三個(gè)方面的研究，開(kāi)展了地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的地面地質(zhì)環(huán)境傳感網(wǎng)的布設(shè)、星地一體化的監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)平臺(tái)、風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估平臺(tái)的研發(fā)。同時(shí)提出衛(wèi)星遙感與地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)協(xié)同監(jiān)測(cè)模式。主要是衛(wèi)星遙感提供大范圍、連續(xù)范圍、間隔觀測(cè)，地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)提供空間離散、小范圍、時(shí)間連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，選擇和組合相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與信息。并提出煤礦井工開(kāi)采區(qū)星形連結(jié)的面狀傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案，在人工建（構(gòu)）筑物及地面沉降區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀、溫濕度等傳感器。在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，靜力水準(zhǔn)儀可以對(duì)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按照11天為一周期的時(shí)間間隔監(jiān)測(cè)可以看出相對(duì)沉降精度在毫米級(jí)別，并與實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)精度達(dá)到毫米級(jí)；而雷達(dá)影像可以大范圍直觀的看出區(qū)域內(nèi)沉降中心的轉(zhuǎn)移情況，從雷達(dá)影像干涉條紋圖可以看出沉降中心從麥子坡村示范區(qū)的南部開(kāi)始往西北部和西南部移動(dòng)，而且隨著時(shí)間的推移，崔家寨煤礦區(qū)的沉降速率加快，并且與實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度達(dá)到厘米級(jí)，滿足項(xiàng)目要求。

1）針對(duì)蔚縣崔家寨礦和單侯礦范圍內(nèi)的煤礦區(qū)實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)研究區(qū)位移、形變、應(yīng)力、土壤溫濕度等參數(shù)，搭建和布設(shè)地面沉陷傳感器網(wǎng)絡(luò)，布設(shè)42個(gè)溫度傳感器、42個(gè)濕度傳感器、22個(gè)三軸傳感器、22個(gè)加速度傳感器、22個(gè)陀螺儀傳感器、22個(gè)氣壓傳感器、20個(gè)拉線傳感器及20個(gè)靜力傳感器，共布設(shè)214個(gè)傳感器，并繪制1：2000傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)地布設(shè)位置圖。

2）研究了礦山地質(zhì)環(huán)境信息提取及生態(tài)評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)，利用20景雷達(dá)影像，影像范圍為531平方公里，提取地表形變信息，并繪制1：10000煤礦區(qū)地面沉陷InSAR圖及煤礦區(qū)地面沉陷衛(wèi)星InSAR監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)演示圖；利用54景光學(xué)影像，影像范圍為154.6平方公里，進(jìn)行多時(shí)相變化監(jiān)測(cè)、地表覆蓋分類及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等分析研究，并繪制1：10000地面沉陷區(qū)衛(wèi)星遙感反演生態(tài)環(huán)境圖及地表覆蓋類型圖。

3）開(kāi)發(fā)了張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)及張家口蔚縣煤礦區(qū)地面沉陷星地一體綜合分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，并將遙感影像與地質(zhì)環(huán)境傳感器系統(tǒng)無(wú)縫集成。

4）結(jié)合礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)要求，以相關(guān)國(guó)家和行業(yè)規(guī)范為依據(jù)，建立地面沉降災(zāi)害預(yù)警預(yù)測(cè)相關(guān)規(guī)程。構(gòu)建濕度/位移變化模型、濕度/姿態(tài)變化模型及濕度/靜力水準(zhǔn)沉降變化模型三種災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)模型。結(jié)合相關(guān)研究及實(shí)地情況，在濕度/位移變化模型，位移值閾值設(shè)置為6mm，當(dāng)水平變形大于6mm/m時(shí)，建筑物的損壞程度為極度嚴(yán)重?fù)p壞。在濕度/姿態(tài)變化模型，模型閾值為姿態(tài)角3%，當(dāng)姿態(tài)角大于3%時(shí)，儀器設(shè)備的姿態(tài)變化過(guò)大，超出正常范圍，存在塌陷的可能。在濕度/靜力水準(zhǔn)沉降變化模型依據(jù)地表下沉速度可劃分為初始期、活躍期和衰退期 3個(gè)階段，初始期的地表下沉速度小于1.67mm/d，而活躍期的沉降速度大于1.67mm/d。

5）在張家口市蔚縣崔家寨和單侯煤礦礦區(qū)進(jìn)行應(yīng)用示范，并初步完成星空地一體化地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合應(yīng)用的目標(biāo)，形成煤礦區(qū)星地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施方案，為后期礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供技術(shù)支持。

6）項(xiàng)目應(yīng)用效益：實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)模式上的重大創(chuàng)新，提高了監(jiān)測(cè)效率，降低工作量；地面沉陷預(yù)警模塊應(yīng)用極大地改變了傳統(tǒng)預(yù)警方法，提高預(yù)警效率，提升預(yù)警精度。通過(guò)預(yù)警模塊，使得地面沉陷造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷害等降到最低，創(chuàng)造了社會(huì)效益；生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)模塊的應(yīng)用降低了工作人員野外考察的工作量、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程，同時(shí)提供生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果；簡(jiǎn)化傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)模式的工作流程，提高工作效率，減少人工成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。

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