張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體項目技術淺析

桑秀明

摘要：本文對張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體監測示范項目技術進行了總結探討。

關鍵詞：煤礦區地面沉陷；雷達衛星數據；國產高分辨率遙感影像數據；地面傳感器；星地一體監測

1.項目的來源、目的

河北省是礦業資源大省，自然地質災害也頻發。河北省第二測繪院根據在地質災害變化遙感監測中的技術優勢，向省國土資源廳申請立項了“張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體監測示范”項目。本項目的主要工作目標是：以張家口蔚縣煤礦區的崔家寨礦和單侯礦為示范區，通過高分辨率衛星雷達遙感影像差分干涉數據處理自動提取地面沉陷變化信息、資三衛星面向對象的遙感影像變化監測技術研究、布設用于地質災害動態實時監控的地面地質環境傳感網、多源數據挖掘及智能算法GIS功能開發，來構建星、地一體化的監測示范系統平臺，實現地質災害監測和風險損失評估分析。

本項目利用雷達衛星數據、國產高分辨率遙感影像數據、地面傳感器，以及收集到的各種專業資料，完成了蔚縣煤礦示范區域內的高分辨率衛星遙感影像周期性監測和地面傳感網常態性監測等工作，構建了地面沉陷星地一體化的監測技術體系。并以此來完成對采礦引起的突發性地面沉陷、地表形變、山體坍塌等有效監測，實現了地面沉陷管理的感知立體化、信息可視化、控制自動化和監管常態化，提高了地面沉陷監管水平。在張家口市蔚縣崔家寨和單侯煤礦礦區進行應用示范，推進星空地一體化監測技術在礦山地質環境監測領域的應用。

2.完成的主要工作內容

1）、地面沉陷衛星遙感監測數據的獲取和處理

項目使用了德國TerraSAR-X雷達衛星SAR數據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），進行了礦區沉陷差分干涉監測D-InSAR數據處理和分析，提取了地面沉陷位置，制作了相關沉陷監測圖件。

項目使用了高分一號衛星（2013年3月、7月、9月、11月）、資源1號02C衛星（2014年2月、7月、9月、11月）、資源三號衛星（2015年2月、3月、7月、11月）的多光譜和全色影像數據54景，進行了礦區土地利用變化檢測和生態環境地表覆蓋分類研究，建立了礦區環境承載力評價指標體系并制作了相關監測圖件成果。

2）、地面沉陷傳感網的布設和監測

在單侯礦和崔家寨礦區域80 Km2范圍內，選擇了2處監測區域，分別布設了傳感器網絡（其中單侯礦布設30點，崔家寨礦布設30點，共埋設監測點63個，角反射器10個）；傳感器網絡通過太陽能供電和無線組網連接實時連續不間斷進行了監測，并遠程與服務器、數據庫系統進行連接和實時數據處理、預警。

3）、地面GPS及水準連續觀測

本項目對布設的監測點（按11天的衛星過境周期）同步進行了18次三等水準測量，每次水準測量對各傳感器進行了監測，各次水準路線平均長度約60Km，按要求進行了平差計算，得到了各點的沉降量及統計數據。

4）、星地立體化地面沉降監測技術和風險損失評估信息平臺的建立

采用MicroSoft SQL Sever對實驗區域基本基礎地理信息數據、傳感器網絡監測數據、InSAR遙感監測數據、資源三號衛星高分辨率遙感監測數據進行數據庫管理；使用ArcGIS Server作為GIS開發組件，采用C#、.Net等高級程序設計語言開發C/S架構的“張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體監測風險損失評估信息平臺”。同時，也開發了基于Android系統（手機、PDA等設備）的“實時預警系統”，實現了實時進行傳感器狀態監聽服務和預警信息的推送。

3.完成的關鍵技術研發

3.1 地質環境“星地”立體化監管關鍵技術研發

構建以高分辨率衛星遙感的周期性宏觀監測，建立以地質環境傳感網為輔助的地面常態性實時監測的“星地”立體化監管技術體系。建立基于高分辨率光學遙感影像、InSAR遙感影像和航空遙感影像立體建模技術的一體化監測體系，實現遙感影像與地質環境傳感器系統無縫集成。

3.2 基于地面沉陷傳感網的重點區域地質災害持續監測技術

在蔚縣崔家寨礦和單侯礦范圍內的煤礦區進行重點區域的地面沉陷監測，搭建和布設地面沉陷傳感器網絡。根據信號和實際布置環境，傳感器可以設置不同的環網和密度，一般為每2500平方米布設一個，每個礦區根據重點區域面積進行布設和監控，計劃布設63個傳感器。通過傳感器，實現地質災害的監測和預測。

3.3 建立地面沉陷星地一體化監測示范系統平臺

通過在蔚縣示范區的實地監測，對示范區的自然地質災害多發區、工礦集中區開展地質災害監測和風險損失評估的應用示范或試驗。通過智能算法自動識別地質災害類型、面積、損失情況等信息，提高監測精度。建立基于GIS的災損信息系統平臺，實現星地立體地質災害風險損失評估分析。

4.總結

項目以張家口蔚縣煤礦區的崔家寨礦和單侯礦為示范區，全面開展地面沉陷星地一體化監測，深入研究地面環境傳感網技術的應用，重點開展地面沉陷變化信息自動提取技術、基于資源三號衛星的遙感影像變化監測技術及傳感器網絡構建三個方面的研究，開展了地質災害動態實時監控的地面地質環境傳感網的布設、星地一體化的監測示范系統平臺、風險損失評估平臺的研發。同時提出衛星遙感與地面傳感器網絡協同監測模式。主要是衛星遙感提供大范圍、連續范圍、間隔觀測，地面傳感器網絡提供空間離散、小范圍、時間連續觀測數據，根據監測需要，選擇和組合相應的觀測數據與信息。并提出煤礦井工開采區星形連結的面狀傳感器網絡布設方案，在人工建（構）筑物及地面沉降區等重點區域布設靜力水準儀、溫濕度等傳感器。在項目的實施過程中，靜力水準儀可以對點位數據進行實時監測，按照11天為一周期的時間間隔監測可以看出相對沉降精度在毫米級別，并與實測水準數據進行比對，得出靜力水準儀監測精度達到毫米級；而雷達影像可以大范圍直觀的看出區域內沉降中心的轉移情況，從雷達影像干涉條紋圖可以看出沉降中心從麥子坡村示范區的南部開始往西北部和西南部移動，而且隨著時間的推移，崔家寨煤礦區的沉降速率加快，并且與實測水準數據進行比對，得出雷達數據監測精度達到厘米級，滿足項目要求。

1）針對蔚縣崔家寨礦和單侯礦范圍內的煤礦區實際情況，監測研究區位移、形變、應力、土壤溫濕度等參數，搭建和布設地面沉陷傳感器網絡，布設42個溫度傳感器、42個濕度傳感器、22個三軸傳感器、22個加速度傳感器、22個陀螺儀傳感器、22個氣壓傳感器、20個拉線傳感器及20個靜力傳感器，共布設214個傳感器，并繪制1：2000傳感器網絡實地布設位置圖。

2）研究了礦山地質環境信息提取及生態評價關鍵技術，利用20景雷達影像，影像范圍為531平方公里，提取地表形變信息，并繪制1：10000煤礦區地面沉陷InSAR圖及煤礦區地面沉陷衛星InSAR監測動態演示圖；利用54景光學影像，影像范圍為154.6平方公里，進行多時相變化監測、地表覆蓋分類及生態環境評價等分析研究，并繪制1：10000地面沉陷區衛星遙感反演生態環境圖及地表覆蓋類型圖。

3）開發了張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體化監測系統、張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體監測傳感器監聽系統及張家口蔚縣煤礦區地面沉陷星地一體綜合分析系統，實現傳感器狀態實時監測，實時監聽，地質災害預警，并將遙感影像與地質環境傳感器系統無縫集成。

4）結合礦山地質災害監測要求，以相關國家和行業規范為依據，建立地面沉降災害預警預測相關規程。構建濕度/位移變化模型、濕度/姿態變化模型及濕度/靜力水準沉降變化模型三種災害預警監測模型。結合相關研究及實地情況，在濕度/位移變化模型，位移值閾值設置為6mm，當水平變形大于6mm/m時，建筑物的損壞程度為極度嚴重損壞。在濕度/姿態變化模型，模型閾值為姿態角3%，當姿態角大于3%時，儀器設備的姿態變化過大，超出正常范圍，存在塌陷的可能。在濕度/靜力水準沉降變化模型依據地表下沉速度可劃分為初始期、活躍期和衰退期 3個階段，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進行應用示范，并初步完成星空地一體化地質環境監測綜合應用的目標，形成煤礦區星地一體化監測技術實施方案，為后期礦山地質環境監測工作提供技術支持。

6）項目應用效益：實現煤礦區地面沉陷監測技術模式上的重大創新，提高了監測效率，降低工作量；地面沉陷預警模塊應用極大地改變了傳統預警方法，提高預警效率，提升預警精度。通過預警模塊，使得地面沉陷造成的經濟損失、人員傷害等降到最低，創造了社會效益；生態環境評價模塊的應用降低了工作人員野外考察的工作量、簡化數據處理流程，同時提供生態環境評價結果；簡化傳統監測模式的工作流程，提高工作效率，減少人工成本，實現降本增效。

參考文獻：

[1]王超、張紅、劉智.星載合成孔徑雷達干涉測量.北京：學出版社，2002；

[2]張錦. 礦山地面災害精準監測地學傳感系統《地球信息科學學報》，2012年06期。