利用D_InSAR技術對淮南礦區地面沉降動態監測

李少朋 高良敏

摘 要：煤炭的大規模開采和利用為我國各行各業帶來了巨大利益的同時，在一定程度上也給礦區的生態環境和人們的生產生活帶來了損害。經濟有效的對采煤塌陷區的地面沉降進行精確有效的動態監測是目前研究的一個熱門問題。本文利用D_InSAR這種新興的空間對地觀測技術應用在淮南礦區進行動態監測。文章中選用2006年11月到2007年3月五個月份的淮南礦區ENVISAT衛星數據，利用Doris做出的差分干涉圖和沉降圖在GIS上疊加的結果。結果表明淮南的沉降范圍和沉降量隨著采煤活動的繼續存在不同程度的增加，與實際情況相符合，說明D_InSAR技術可以對淮南礦區地表緩慢形變進行動態監測。

關鍵詞：淮南礦區；D_InSAR；地表緩慢形變；動態監測

1 選題背景及研究意義

我國的煤炭資源占整個能源資源85%，是我國重要的基礎能源之一。煤炭的大規模開采和利用為我國各行各業帶來了巨大利益的同時，在一定程度上也給礦區的生態環境和人們的生產生活帶來了損害[1，2]。本文的研究區域是淮南礦區，作為華東地區乃至全國的重要煤炭開采基地，淮南礦區面積達到了2500多平方公里。預計到2030年淮南礦區沉陷面積達200平方公里以上。目前，我國煤礦區地面沉降監測的技術主要是大地水準測量、GPS測量和全站儀測量。由于大面積、高強度、重復開采導致的地表重復疊加沉陷，應用常規的地表沉陷監測手段難以有效地反映淮南煤礦開采引起的地面沉陷特征。如何經濟有效地動態監測淮南礦區的地面沉降是煤礦生態環境保護與治理亟待解決的重要問題。

本文利用D_InSAR技術對淮南礦區地表沉降形變進行監測。合成孔徑雷達差分干涉測量（D_InSAR，Diferential Interferometric Synthetic Aperture Radar）技術作為新興的空間對地觀測技術，具有全天候、全天時、高分辨率、低成本、快速準確以及大尺度連續覆蓋的能力[3，4]。它可以對地表形變進行長期監測，這使得D_InSAR將成為未來對煤礦區地面沉降監測極具潛力的空間對地觀測技術。

2 D_InSAR在淮南礦區的應用

2.1 SAR影像基本信息

本文采用的是歐空局提供的Envisat衛星C波段數據。波長是5.6cm，極化方式是VV極化，共41景SAR圖像。根據兩兩生成相干圖質量的好壞，選出了3對可作為研究的對象，分別是三個時間段的圖像2006.11.4-2006.12.9；2006.12.9-2007.2.17；2007.2.17 -2007.3.24。

2.2 干涉對2006.11.4-2006.12.9結果分析

這組干涉對中主影像2006.12.9與輔影像2006.11.4的時間基線為35天，垂直基線為773米。用DORIS軟件進行干涉處理得到差分干涉圖。如圖所示：

從圖中可以看到研究區域存在明顯的干涉條文變化，這表明研究區域在這個一個月內存在不同的地面沉降形變。

做出沉降圖，在ARCGIS中與實測采煤塌陷區圖疊加，從圖中可以更直觀地進行分析。如圖所示：

從圖中分析可得到知，研究區域內出現了多個沉降中心，初步驗證了差分干涉結果關于沉降位置的正確性。潘集、張集塌陷活動最為嚴重，有大片的塌陷。通過計算可得到研究區域在這35天內沉降面積及最大沉降量。

從表中可知謝橋礦等四個礦區在這35天內的沉降速率分別為：1.86mm/天、2.09mm/天、1.80mm/天、2.00mm/天。謝橋礦與潘集礦的塌陷面積遠高于顧橋礦，可能是在此次研究時間段內謝橋礦與潘集礦地下采煤活動劇烈原因造成的。

3.3 干涉對2006.12.9-2007.2.17結果分析

這組干涉對中主影像2007.2.17和輔影像2006.12.9的時間基線為70天，垂直基線為269米。進行差分干涉處理，得到這兩個月的淮南礦區差分干涉圖。如圖所示：

將差分干涉圖經過相位解纏、地理編碼等處理，得到正視方向的沉降圖。在ARCGIS中與實測采煤塌陷區圖疊加，如圖所示：

由圖可知，在這兩個月期間研究區域內出現了大面積塌陷。塌陷范圍比上一個月擴大了很多，出現的沉降中心也比上個月多，沉降量增加。列表統計：

從表中可知謝橋礦等四個礦區在這70天內的沉降速率分別為：3.93mm/天、2.57mm/天、2.67mm/天、3.43mm/天。由此可推斷，在這70天內，地下采煤活動的加劇，研究區域內的塌陷面積和沉降量都在增大。

3.4 干涉對2007.2.17-2007.3.24結果分析

這組干涉對的時間基線為35天，垂直基線為63米。處理得到的差分干涉圖，如圖所示：

將差分干涉圖經過相位解纏、地理編碼等處理，得到正視方向的沉降圖。在ARCGIS中與實測采煤塌陷區圖疊加，如圖所示：

與之前的結果相比較，研究區域內的塌陷位置沒有發生變化，沉降范圍擴大了，但是沉降量大大減少。根據圖得出的數據列表：

4 結論

本文是以淮南礦區作為研究區域，利用ENVISAT衛星所拍攝的C波段SAR圖像進行二軌法差分干涉處理。得到了2006年11月份到2007年3月份這五個月的差分干涉圖、沉降形變圖及沉降圖與實測的礦區沉陷圖的疊加圖。通過分析最終結果，確定了研究區域內的沉降位置、沉降范圍、最大沉降量、研究時間段內的沉降速率。這些結果通過與實測的礦區采煤沉陷圖進行對比分析，發現二者具有很好的一致性，這驗證了差分干涉結果的準確性，說明D_InSAR差分干涉測量技術可以應用于淮南礦區地表的長時間緩慢形變的監測。

[參考文獻]

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