何 榮 劉暢遠(yuǎn) 徐可心

（河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

地下煤炭開(kāi)采嚴(yán)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(jì)的可持續(xù)發(fā)展及民生問(wèn)題帶來(lái)了不利影響［2］，因此有必要對(duì)礦區(qū)地表變形進(jìn)行高精度、大范圍監(jiān)測(cè)，對(duì)礦區(qū)災(zāi)害預(yù)警、開(kāi)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(cè)技術(shù)有GPS測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量等，其監(jiān)測(cè)精度高，但獲取的是離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，具有觀測(cè)周期長(zhǎng)、人力成本高、工作效率低的局限［4］。相對(duì)上述監(jiān)測(cè)技術(shù)，InSAR技術(shù)具有全天候、大范圍、高精度等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于冰川運(yùn)動(dòng)［5］、滑坡［6］、城市地面下沉［7］等監(jiān)測(cè)中，能對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)空間覆蓋觀測(cè)，獲取雷達(dá)視線向形變量［8］。

鑒于上述InSAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)，D-InSAR在礦區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度、長(zhǎng)時(shí)間的形變監(jiān)測(cè)。小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（SBAS-InSAR）技術(shù)［11］可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列形變監(jiān)測(cè)，Luke Bateson等［12］將間歇SBAS-InSAR方法應(yīng)用到英國(guó)南威爾士煤田的地表運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)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(gè)沉降漏斗的詳細(xì)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(cè)礦區(qū)大梯度沉降難題；劉一霖、朱葉飛、李達(dá)等［15-17］基于SBAS-InSAR分別對(duì)陜西某礦、九臺(tái)營(yíng)城礦區(qū)及榆林某礦進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè)，均取得了較好的研究結(jié)果。將SBAS-InSAR技術(shù)與特殊開(kāi)采條件地表變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合，提取地表變形時(shí)空發(fā)育特征等方面有待進(jìn)一步研究，由此，本項(xiàng)目基于SBAS-InSAR技術(shù)獲取大采深、條帶開(kāi)采條件下地表年沉降速率及時(shí)間序列形變信息，開(kāi)展形變規(guī)律研究，有利于為地表建筑物保護(hù)、地下資源科學(xué)開(kāi)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(shí)間2017年12月結(jié)束時(shí)煤炭資源基本開(kāi)采完畢，處于礦井生產(chǎn)末期。礦區(qū)地表地勢(shì)平坦，多為農(nóng)田、林地，工業(yè)廣場(chǎng)及其周邊建筑物分布密集，采區(qū)北部為多年開(kāi)采形成的積水塌陷坑，積水深度達(dá)6.5 m，在沉陷邊緣區(qū)域分布有臺(tái)階式地表變形。采區(qū)包含5個(gè)工作面，分別為1118、1029F、2220、2221、2223，位于工業(yè)廣場(chǎng)北，工作面彼此相鄰，采用條帶開(kāi)采，工作面走向長(zhǎng)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(shí)間為2016年1月9日至2017年12月29日，同時(shí)采用美國(guó)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(cè)結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)處理

基于SAR-Scape系統(tǒng)進(jìn)行SBAS數(shù)據(jù)處理，為保證數(shù)據(jù)干涉質(zhì)量，降低時(shí)間、空間失相干影響，設(shè)置時(shí)間基線閾值為365 d、空間基線閾值為45%進(jìn)行時(shí)空基線組合，最終確定2017年1月3日的影像為超級(jí)主影像［18］，其余影像配對(duì)到該主影像上干涉處理。由此組合成385組干涉像對(duì)，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(shí)間基線360 d。通過(guò)差分干涉處理，得到差分干涉圖、相干性強(qiáng)度圖，如圖3所示。

對(duì)差分和濾波后的干涉圖進(jìn)行解纏處理；利用地面GCP點(diǎn)來(lái)精確估算軌道參數(shù)，對(duì)解纏結(jié)果進(jìn)行軌道精煉和殘余相位去除；通過(guò)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(jì)算時(shí)間序列位移，對(duì)SBAS時(shí)間序列結(jié)果地理編碼，最后得到LOS向平均位移速率和時(shí)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(diǎn)170 747個(gè)，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(kāi)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(wú)法獲取有效監(jiān)測(cè)值。由圖4可知，研究區(qū)內(nèi)整體呈現(xiàn)沉降趨勢(shì)，最大沉降速率達(dá)到61 mm/a，位于工業(yè)廣場(chǎng)外側(cè)北部，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)東北部平均沉降速率超30 mm/a。

2.3 研究區(qū)時(shí)序沉降獲取

以2016年1月9日為起始時(shí)間參考形變量獲得研究區(qū)時(shí)序累計(jì)沉降圖，如圖5所示。相對(duì)于起始時(shí)間至2016年5月8日，研究區(qū)在4個(gè)月內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了較大地面沉降，達(dá)到35～40 mm，且影響范圍不斷擴(kuò)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(dá)到127 mm。

研究時(shí)間范圍內(nèi)累計(jì)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(duì)下沉盆地沉降進(jìn)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(jì)下沉盆地各時(shí)期累計(jì)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(jì)沉降面積達(dá)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(jì)沉降面積達(dá)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(jì)沉降面積達(dá)4.15 km2；從2017年10月開(kāi)始沉降量達(dá)到100 mm之多，至2017年12月沉降量大于100 mm的沉降面積達(dá)到0.32 km2，累計(jì)沉降面積達(dá)到4.33 km2，沉降面積整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

在工業(yè)廣場(chǎng)北部的開(kāi)采工作面沉降情況最嚴(yán)重，累計(jì)沉降達(dá)到60～70 mm，最大沉降達(dá)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(cè)結(jié)果可靠性分析

為驗(yàn)證SBAS監(jiān)測(cè)精度，利用地面12個(gè)水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與SBAS結(jié)果提取數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于實(shí)測(cè)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與SBAS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間不完全重合，選取2016年1月至2017年1月共13個(gè)月的水準(zhǔn)實(shí)測(cè)值與SBAS監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較。水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與SBAS監(jiān)測(cè)結(jié)果比較如圖8所示，水準(zhǔn)數(shù)據(jù)觀測(cè)值整體大于SBAS結(jié)果，兩者變形量基本一致，相差均不超過(guò)10 mm，大部分點(diǎn)位相差在5 mm以下，均誤差為2.9 mm，沉降趨勢(shì)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(kāi)采前期觀測(cè)周期稍長(zhǎng)，在地表下沉活躍期觀測(cè)周期較短，數(shù)據(jù)采集頻率較高，使得水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)沉降監(jiān)測(cè)更加靈敏［19］。而SBAS做開(kāi)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(duì)組合保證了干涉對(duì)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(cè)量精度由D-InSAR的厘米級(jí)提高到毫米級(jí)。基于以上兩點(diǎn)，采用SBAS技術(shù)監(jiān)測(cè)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(kāi)采條件下下沉盆地的時(shí)序地表移動(dòng)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(kāi)采沉陷量級(jí)較小，SBAS監(jiān)測(cè)可以獲得相位變化量主值，與實(shí)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(shuō)明在一定范圍內(nèi)，該礦的地表移動(dòng)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(kāi)采的影響，其余4個(gè)工作面也在不同程度地影響地表。本項(xiàng)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(guò)擬合結(jié)果可知，高斯擬合與SBAS結(jié)果達(dá)到較高吻合度。

4 地表移動(dòng)特征分析

研究區(qū)內(nèi)多個(gè)開(kāi)采工作面均位于工業(yè)廣場(chǎng)北側(cè)，采用條帶開(kāi)采方式，如圖11所示，1118工作面下沉量達(dá)到104～127 mm，其他4個(gè)條帶開(kāi)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(kāi)采工作面地表變形特征。

該煤礦在條帶工作面開(kāi)采設(shè)計(jì)階段，基于概率積分法對(duì)地表移動(dòng)和變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，綜合考慮條帶開(kāi)采的經(jīng)驗(yàn)、參照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，工業(yè)廣場(chǎng)條帶開(kāi)采預(yù)計(jì)參數(shù)如表1所示。地表移動(dòng)變形最大值預(yù)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

將SBAS監(jiān)測(cè)結(jié)果與概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果、地表水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，上文分析表明SBAS監(jiān)測(cè)與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果基本一致，而SBAS監(jiān)測(cè)的最大下沉120 mm遠(yuǎn)小于概率積分法預(yù)計(jì)735 mm，分析主要原因是地表下沉還未達(dá)到穩(wěn)定，地表在SBAS監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)仍處于繼續(xù)下沉的過(guò)程中。

同時(shí)，概率積分法預(yù)計(jì)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(cè)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(cè)到的地表變形面積大于預(yù)計(jì)變形面積。因此可以判斷條帶工作面的開(kāi)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(chǎng)及相鄰3個(gè)采空區(qū)發(fā)生大面積沉降，下沉值達(dá)到20～103 mm，不均勻沉降明顯且已波及到采空區(qū)外圍，3號(hào)采空區(qū)面積較大，受開(kāi)采影響最大。研究區(qū)開(kāi)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(dòng)變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，易受到相鄰工作面開(kāi)采誘發(fā)二次變形，地表移動(dòng)衰退期長(zhǎng)。

綜上兩點(diǎn)，基于SBAS技術(shù)的大采深條帶開(kāi)采地表變形監(jiān)測(cè)，使其監(jiān)測(cè)范圍、持續(xù)時(shí)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(kāi)采礦區(qū)，SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)到地表變形年沉降速率最大為61 mm/a，最大沉降達(dá)到127 mm，與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析證明采用SBAS技術(shù)監(jiān)測(cè)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(jìn)行高斯曲線擬合，與開(kāi)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(jì)結(jié)果，地表在SBAS監(jiān)測(cè)周期內(nèi)仍處于持續(xù)下沉過(guò)程中。條帶工作面開(kāi)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。