InSAR技術在礦山采空塌陷調查中的應用

彭鵬

摘要：本文以安徽省淮南煤礦區為例，編程訂購10期RadarSAT-2雷達影像數據，采用D-InSAR技術，獲取了采空塌陷的范圍與沉降速率。結果表明：1.D-InSAR技術可以有效地識別出光學遙感未能識別的潛在或未穩沉的塌陷區，經實地調查，結果真實可靠，與野外具有一致性。2.可以定量估算出采空塌陷區的沉降速率，本區最大沉降速率為4.9cm/24天。3.InSAR技術在地下開采監測方面與傳統的測量技術相比，表現出極大的優勢，具有快速、準確、大范圍、成本低的特點，應用前景廣闊。

關鍵詞：采空塌陷；InSAR；遙感RadarSAT-2

前言

礦產資源的開采造成的采空塌陷對生態環境造成一定影響，成為嚴重制約礦區可持續發展的重要因素，它不僅破壞土地資源、導致生態環境惡化，而且影響人民的生產、房屋生活設施，進而誘發一系列社會、經濟問題（圖1、圖2）。當前，生態文明建設已成為社會關注的熱點，如何對生態環境進行恢復，如何快速的識別采空塌陷區的范圍和沉降速率，成為治理和監測的首要目標。常規的水準測量、GPS測量監測礦區采空塌陷的技術存在監測周期長、成本高、無法達到區域全覆蓋監測等問題。

近些年發展起來的合成孔徑雷達干涉測量技術（Inter-ferometric SAR，InSAR）具有全天時、全天候的特點，可以從空間直接獲取大范圍、高精度的形變信息、高效可重復的動態監測，廣泛地應用到地表形變、采空塌陷、地震形變、冰川移動、火山運動以及山體滑坡等方面。InSAR技術可以快速、準確、省時的監測到塌陷區的動態變化，節省大量資金，和傳統的測量方式相比，有很大的優越性（表1）。本文以淮南煤礦區為例，采用二軌法對研究區采空塌陷進行信息提取與分析，為掌握和治理采空塌陷區提供基礎資料與技術支持。

1.研究區概況和以往形變概況

研究區位于安徽省淮南市，坐標范圍為東經114°50′～118°10′、北緯32°20′～34°40′之間。全市總面積2121km²，市轄田家庵、大通、謝家集、八公山、潘集五區和鳳臺縣以及毛集綜合實驗區，總人口210萬人。淮南是中國五大煤田之一。淮南目前已發展成為以煤炭、電力為主體，兼有紡織、電子等門類較為齊全的新型工業城市。淮南煤礦區長期礦產資源開采給社會帶來巨大效益的同時也嚴重地破壞了周邊的環境，采空塌陷就是直接表現，已成為影響和制約礦業城市可持續發展的重要因素。至2002年，全市范圍內采煤塌陷區面積已近50km²。其中，形成水面的面積為13km²，占塌陷總面積的30%左右，主要分布在大通、謝家集、八公山、潘集4個區和鳳臺縣。

2.數據源

采用的雷達數據為2012年～2013年編程訂購加拿大MDA公司的RADARSAT-2（20～30m）作為主數據源，RA-DARSAT-2寬波束模式，分辨率為距離向30m，方位向26m，圖像為150^x150km，面積為22500km²，極化方式有HH、VV、HV和VH，本次選用VV，入射角為20°～45°，其基本信息見表2。

3.數據處理

對于采空塌陷快速形變類型，本次以GAMMA軟件為數據平臺，采用二軌法對獲取的數據進行差分干涉處理，獲取了采空塌陷的范圍和沉降速率，主要步驟包括：（1）選取兩期影像，利用主輔圖像生成干涉圖，去除平地效應，干涉條紋圖中包含地形信息和形變信息；（2）將DEM數據轉換為相位值，并獲得模擬干涉條紋圖；（3）從主輔圖像生成的干涉條紋圖中減去利用DEM模擬的干涉條紋圖；（4）對差分干涉相位圖進行處理，獲得地表形變量；（5）將獲取的地表形變圖轉換到地理坐標系中。通過以上處理，獲得了干涉強度圖、干涉圖等圖件（圖3、圖4），可以看出，獲得效果較好。

4.采空塌陷區分析

通過常規差分干涉處理，獲得了研究區的差分干涉圖（圖5），從圖上可以準確的識別已發生的塌陷和潛在的塌陷區域，且通過干涉紋理測算出塌陷的沉降量（表3）。

從圖5可以看出：淮南煤礦區采空塌陷區域主要集中分布于大通區的大通——九龍崗一帶、謝家集區和八公山區的大山鎮——八公山——謝家集——李郢孜一帶、潘集區的董圩-泥河一帶、鳳臺縣的觀音——岳張集——新集——劉集一帶。根據塌陷區的分布，結合收集的礦山資料，采空塌陷區主要是由大型煤礦劉莊礦業區域、謝橋煤礦區域、張集煤礦區域、顧北煤礦區域、顧橋煤礦區域、丁集煤礦區域、潘集第三煤礦區域、潘集第一煤礦區域、新集二礦區域、新集三礦區域、李咀孜煤礦區域等礦山開采所形成。

5.野外實地驗證

通過野外調查，結合2012年度的光學遙感影像和工作區礦山開采現狀分布圖等資料，進行綜合分析，對采用常規差分干涉方法提取的采空塌陷區與實際情況做對比分析，其結果與實際情況吻合，結果真實可信。

如顧橋煤礦區域，通過遙感影像可以看出，在礦區內地表已經出現小范圍塌陷，積水（圖6），經過雷達差分干涉處理，發現此位置在2012年2月4日與2012年2月28日期間出現沉降，沉降量達到4.5cm/24天，通過后續3、4月的差分干涉圖對比，發現采空區塌陷范圍在逐步加大，與實地調查的結果一致。

通過差分干涉處理，獲取圖7所示煤礦區域沉降量為4.2cm/24天，結合光學遙感數據和雷達數據提取的采空塌陷區域（圖8），進行野外實地調查，發現此區域地勢明顯低于周圍，地上電線桿已發生傾斜，已開始形成塌陷（圖9）。

5.結論與展望

（1）InSAR技術可以有效地識別出光學遙感未能識別的或潛在的采空塌陷區；可以估算出沉降區域沉降速率，通過實地調查和已有資料的對比分析，結果與實際情況一致，真實可靠。

（2）通過大量數據積累，采用InSAR技術，可以做到長時序的區域地面塌陷進行大范圍的監測，為工礦企業和政府管理部門及時掌握塌陷分布和數量，也為地質災害預警提供新的監測技術方法。