基于SBAS-DInSAR的大寧礦區多工作面開采地表沉陷規律研究

華怡穎 胡晉山 康建榮 徐 郡

（江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇徐州221116）

煤炭資源開采在推動我國經濟迅速發展的同時，也給礦區生態環境帶來了嚴重的負面影響［1-2］。井下工作面的不斷推進，使得礦區周圍原始應力平衡被破壞，礦區出現了一系列地質災害，如地表裂縫、山體滑坡、地表塌陷等［3］，這些災害嚴重威脅了礦區居民的生命財產安全。

相較于傳統的變形監測手段（如精密水準測量、GPS 監測等）僅能獲取點目標的形變信息［4-6］，合成孔徑雷達差分干涉測量（DInSAR）技術能夠獲取大面積、連續的地表形變信息，具有覆蓋范圍廣、觀測成本低、全天時、全天候等特點，目前該技術已經被廣泛應用于各種變形監測領域［7-12］。DInSAR 技術的基本原理是通過獲取兩幅SAR 影像對地面同一區域生成干涉圖，并對干涉圖進行差分處理，從而精確得到地表發生的細微形變［13-14］。然而，常規DInSAR 處理方法受時間、空間失相干和大氣延時相位的影響，難以在長時間地表緩慢變形監測中得到理想結果［15-18］。短基線差分干涉（SBAS-DInSAR）繼承了常規DIn-SAR 技術的優點，且受垂直基線的影響較小，并能有效減小空間失相干和大氣相位影響，在地表變形監測方面更便捷，更具有優勢［19-21］。本研究以大寧礦區為例，采用短基線差分干涉（SBAS-DInSAR）技術對多工作面上方的地表沉降進行分析，并利用研究區內工作面上方布設的地表移動觀測站的實測數據檢驗SBAS-DInSAR 反演結果的可靠性。具體來說：選擇部分觀測點并提取這些觀測點所對應的SBASDInSAR 反演形變值，將實測值與SBAS-DInSAR 反演值進行了對比分析并計算差值，發現SBAS-DInSAR反演出的下沉變化趨勢與實測數據基本相符，且二者差值較小，反映出采用SBAS-DInSAR 技術反演礦區地表沉陷具有較好的可靠性。

1 研究區概況

大寧礦區位于山西省晉城市陽城縣北部，地處太行山南端與中條山東北緣的結合部，區內地形以低山—丘陵為主，地勢西高東低，為北方山地丘陵地貌（圖1）。該區屬東亞季風區半干旱大陸性氣候，四季分明，夏季多雨，春秋季多風少雨，冬季寒冷。

研究礦區井田南北寬4～6 km，東西長5～12 km，井田面積38.822 5 km2。井田內主要的含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，含煤地層總厚度為124.18 m，煤層平均厚度10.41 m，煤層傾角5°～10°。研究區包含5個工作面，位于井田東部，如圖1所示，從西至東編號分別為P101、P102、P103、P104、P105，各工作面開采情況如表1所示。為了監測礦區采動沉降情況，在P102 工作面上方布設了3 條觀測線，分別為走向A線、傾向B線和傾向C線。A線總長度為830 m，布設37 個觀測點；B 線總長度為660 m，布設30 個觀測點；C 線總長度為680 m，布設36 個觀測點。

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2 數據源與研究方法

2.1 數據源

試驗使用的雷達影像為研究區9 景PALSAR 數據，時間 跨 度為2007 年1 月3 日—2008 年7 月8 日。數據為L 波段，入射角為38.7°，波長23.5 cm；L 波段具有良好的穿透性，可以更好地對植被覆蓋的茂密區進行監測［22］。同時，為了減少地形相位的影響，試驗選用了美國地質調查局發布的30 m×30 m 分辨率DEM數據。

2.2 研究方法

試驗使用SARScape 軟件進行SBAS-DInSAR 數據處理，處理流程包括生成連接圖、干涉工作流、軌道精煉和重去平、短基線第一步反演、短基線第二步反演和地理編碼等步驟。設置臨界基線最大值為45%，時間基線最大值為365，生成像對連接的時空基線圖（圖2）。其次對所有配準的干涉像對進行干涉處理，包括相干性生成、去平、濾波和相位解纏4個步驟，其中設置解纏相關系數閾值為0.2，并用Goldstein濾波方法進行濾波處理。引入外部DEM 數據進行軌道精煉和重去平之后，進行短基線反演，第一次反演估算形變速率和殘余地形，第二次反演計算時間序列上的位移。最后對SBAS 結果進行地理編碼，得到的主要產品有LOS 方向上的平均形變速率、平均形變加速度、累計形變量等。

3 可靠性分析

為了驗證SBAS-DInSAR 反演的可靠性，本研究選取了布設在P102工作面上方的地表移動觀測站的實測數據進行驗證。首先提取每個觀測站對應的SBAS-DInSAR 反演值，去除反演結果為無效值的觀測站實測數據；其次由于DInSAR 技術對地表大尺度形變不敏感性，所以去除大尺度形變點，選擇形變量較小的觀測數據進行驗證；最后對實測數據進行篩選之后選取了傾向C 線上的10 個觀測點C4、C13、C14、C15、C17、C22、C27、C30、C31、C34，并由東向西重新編號為1～10 號點，1 號點位于P102 工作面東側地表，2～6 號點位于P102工作面上方地表，7～10號點位于P102工作面西側地表。觀測時間為2006 年12 月23 日—2007 年6 月3 日。將上述10 個測點數據與SBASDInSAR反演結果進行比較，結果如圖3、表2所示。

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由圖3 可知：SBAS-DInSAR 反演出的下沉變化趨勢與實測數據基本相符。結合布設的觀測點位置進行分析，發現P102 工作面東側地表1 號點下沉緩慢，2 號點處出現了快速下沉現象，3～10 號觀測點均有較大沉降且沉降量先增加后減小，說明P102 工作面上方地表及西側地表沉降較為劇烈。分析原因是由于P102 工作面在2007 年5 月開采結束，這段時間內礦區地表移動活躍，P102 工作面開采誘發了相鄰西部P101 工作面采空區地表繼續發生形變，因此2～10 號點下沉值較大且具有先增加后減小的趨勢。5號點的下沉值差值最大為39.909 mm，而觀測點的總體平均誤差為6.6 mm 左右，相對于整個礦區沉降程度來說誤差較小。導致SBAS-DInSAR反演下沉值與實測值出現偏差的原因，主要有以下幾點：

（1）SAR 數據受周期性影響，獲取形變場的時間采樣率難以控制，因此SBAS-DInSAR 反演的沉降結果為2007年1月3日—2007年7月6日的礦區地表形變值，而實測值是2006 年12 月23 日—2007 年6 月3日的礦區地表形變值，二者在時間上有差異。

（2）由于地面散射點的相干性隨時間、空間而變化，所以相干點在空間維度上分布存在不確定性，因而小尺度空間上的形變值具有不穩定性。

（3）SBAS-DInSAR 技術利用相干區域法減少相位噪聲，降低了空間分辨率，難以對點狀目標進行精準的變形監測，所以在提取觀測站的相應測點數據時易出現偏差。

總體上，從SBAS-DInSAR 反演結果的整體趨勢和監測效果來看，與實測數據基本相符，說明采用SBAS-DInSAR技術反演地表沉降具有可靠性。

4 結果分析

4.1 研究區沉降速率分析

通過SBAS-DInSAR 數據處理之后，獲得2007 年1月3日—2008年7月8日期間大寧礦區LOS（衛星視線）方向沉降量ΔD：

式中，ΔH 為LOS 方向形變，mm；α 為衛星入射角，（°）。

可將衛星視線方向的平均形變速率轉換到垂直方向的平均形變速率，結果如圖4 所示。從圖4 中可以看出研究區東部沉降較大，P102 工作面地表沉降速率最大，最大沉降速率為-196 mm/月，并且由于工作面開采作業，導致周圍地表也出現了較大沉降，最大沉降速率為-144 mm/月。

4.2 時序累計沉降值分析

由于SBAS-DInSAR反演出的時序累計沉降值中P103 工作面大部分點為無效值，而P104、P105 工作面在本研究時間段內尚未進行開采作業，因此以反演結果較好的P101、P102 工作面為研究對象，分析P102、P103 工作面開采時間段內對相鄰已采工作面地表穩定性的影響。

圖5 是以2007 年1 月3 日為影像獲取起始時間，其他監測時間分別相對于起始時間的時序累計形變量分布情況。分別提取P101、P102 工作面各期的最大累計下沉值，計算每期相對于上一期的最大累計下沉值變化量、影像獲取時間變化量，得到了P101、P102工作面每期最大下沉速率（表3、表4）。

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結合研究區工作面開采情況（表1）和P101、P102工作面每期最大下沉速率（表3、表4）進行分析可知，2007 年1 月 至2007 年2 月中旬，P102 工作面開采 工作已推進大半，從圖5（a）中可以看出P102 工作面上方地表沉降劇烈，速率為-92.8 mm/月，此時，該工作面上方地表移動仍處于活躍階段，且影響了相鄰已采工作面P101 及周圍地表穩定，P101 工作面上方地表最大下沉速率為-54.7 mm/月；從圖5（b）中可以看出，至2007年7月P102工作面開采結束，P103工作面開始由南向北開采，受到相鄰工作面（P103）開采誘發，導致已采工作面（P102）結束開采2個月內的地表移動仍未進入衰退階段，下沉速率為-13.4 mm/月，最大下沉值為-199 mm；至2008 年1 月P103 工作面開采即將結束，從圖5（e）中可以看出，該工作面的持續開采使得周圍地表下沉范圍擴大，相鄰工作面P101、P102 地表持續發生沉降，最大下沉值為-275 mm；從圖5（h）中可以看出，至2008 年7 月P103 工作面開采結束5個月后，P102工作面及周圍地表的最大沉降量為-310 mm，且2008 年1—7 月間P101、P102 工作面累計沉降量均大于-30 mm，所以P101、P102 工作面上方地表仍在緩慢下沉，地表未達到穩定。由此可以說明，由于相鄰工作面開采的影響，使得已采工作面上方地表移動衰退期延長。

4.3 礦區沉降特征分析

為了更直觀地對礦區多工作面的開采沉降特征進行分析，將P102工作面上方地表作為研究對象，在SBAS-DInSAR 反演結果中，選擇了P102 工作面上方走向A 線和傾向B 線地表移動觀測站上的連續點數據來擬合地表沉降值。由于P103工作面的反演結果大多為無效值，因此去除傾向B 線上位于P103 工作面上方地表的觀測點，重新選取觀測點25～30 號點，使其位于P102、P103 工作面中間地表。本研究繪制的走向A 線時序累計沉降值折線圖和傾向B 線時序累計沉降值折線圖如圖6和圖7所示。

由圖6 可知：隨著時間的推移，P102 工作面走向方向上地表累計下沉值逐漸增大；1～8 號點在P102工作面北側地表，遠離P102 工作面地表的1 號點幾乎沒有發生沉降，越靠近工作面地表的觀測點沉降值越大，在6 號點附近有一處快速下沉現象，說明越接近工作面開采區域，下沉速率越大；9～37 號點在P102 工作面上方地表，工作面由南向北開采，所以越靠近北部開采區沉降值越大，下沉速率越快，隨著觀測點向南排列，觀測點的地表時序累計沉降值變小，地表下沉速率變慢；走向A線累計沉降變化曲線出現了下沉盆地特征，說明P102 工作面地表在一定范圍內沉降速率較快，下沉盆地靠近工作面北部，這是因為工作面由南向北開采，南部區域已開采結束，北部開采區域下沉速度較快，累計沉降值也較大。

由圖7 可知：隨著時間的推移，P102 工作面傾向方向上地表累計下沉值逐漸增大；1～5 號點在P102工作面西側地表，遠離P102 工作面的1 號點沉降緩慢，隨著觀測點越接近P102 工作面，地表下沉值越大；6～24號點在P102工作面上方地表，沉降值達到最大，說明P102 工作面上方地表移動較劇烈；25～30 號點在P102 工作面東側地表，隨著觀測點遠離P102 工作面，沉降值由大到小，地表下沉速率由快變慢；在傾向方向上，P102 工作面出現了下沉盆地特征，越靠近開采工作面地表下沉速率越快，下沉值越大。

5 結 論

（1）利 用SBAS-DInSAR 技 術 對 大 寧 礦 區9 景PALSAR 影像進行處理，得到研究區垂直形變速率、時序累計形變量等信息。利用實測數據對SBASDInSAR 反演的沉降結果進行驗證，通過選擇合適的觀測點，提取其對應的SBAS-DInSAR反演值，對比分析SBAS-DInSAR 反演值與實測值，并計算差值進行誤差分析。研究表明，采用SBAS-DInSAR 技術監測礦區多工作面地表形變具有一定的可靠性。

（2）分析了研究區2007年1月—2008年7月間的地表沉降速率，其中研究區東部地表移動活躍，最大沉降速率可達-196 mm/月。重點對礦區東部多工作面上方地表進行了時序累計沉降分析，發現2007年1月—2月中旬P102工作面正在開采，此時開采工作面（P102）影響了相鄰已采工作面（P101），使其上方地表發生沉降。至2007 年7 月P102 工作面開采完畢，受相鄰P103 工作面開采影響，P102 工作面上方地表移動未進入衰退階段，地表下沉速率為-13.4 mm/月。直至2008 年7 月，P101、P102 工作面上方及周圍地表仍受開采工作面影響，處于緩慢下沉狀態，尚未達到穩定。SAR影像處理結果表明，在礦區多工作面地表開采工作中，受相鄰工作面開采的影響，已采工作面采空區繼續發生沉降，上方地表移動衰退期延長，且礦區工作面上方地表沉降出現了下沉盆地特征。