差分干涉技術(shù)在漳村煤礦地面沉降監(jiān)測中的應用

賈文志

（潞安化工集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

漳村煤礦經(jīng)過多年的開采，在礦區(qū)范圍內(nèi)形成大面積的條帶狀或橢圓狀塌陷，因此要對采空區(qū)的地表移動進行研究。受開采的影響，巖層的地表移動過程比較復雜，煤層埋深、厚度、覆巖特性以及開采方法都會影響地表沉陷。目前，采用差分干涉技術(shù)（D-InSAR）[1-4]，通過衛(wèi)星獲得差分雷達監(jiān)測圖像的相位信息，從而得到地表形變值，精度能達到毫米級，具有空間持續(xù)覆蓋、高度自動化、高度監(jiān)測的能力，以掌握采空區(qū)地面沉降規(guī)律，促進礦井的持續(xù)安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

漳村煤礦工作面東西長度為13.6 km，南北寬度為3.62 km，井田面積約39.248 7 km2。井田屬低山丘陵地帶，地表沖溝呈南北向發(fā)育，局部溝谷地段有煤系地層出露。從地形上看，西部地勢高東部地勢低，相對高度差約154.60 m，最高點位于礦區(qū)的西部，海拔約+1 027.60 m，最低點位于礦區(qū)的東北部，海拔約+873 m，一般地形標高在+900～+950 m。可開采的3 號煤層平均厚度為6.33 m。采煤時主要采用長壁采煤綜合機械化方法進行，頂板管理采用全部垮落法進行。

2 數(shù)據(jù)處理

為了得到準確的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用D-InSAR 技術(shù)方法進行數(shù)據(jù)處理。首先獲取地表發(fā)生形變前后的整體SAR 影像，對影像進行干涉后得到干涉曲線圖，再對干涉曲線圖進行差分處理后得到差分干涉曲線圖，最后將位于目標沉降點附近的地表沿線形變量提取出來。其流程如圖1。

圖1 D-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程

2.1 基線估算

對目標的距離向和方位向距離用干涉雷達來測量，但僅通過測量距離不能得到準確的位置和基準面高程，因此要對同一區(qū)域不同位置進行重復測量。

2.2 影像配準

對同一區(qū)域的兩張和多張圖像組合起來呈現(xiàn)在空間域中，把其中一張影像作為主影像，其他作為輔影像，用輔影像作為參考，與主影像進行配準，完成影像的自動配準。

2.2 生成干涉圖

對配準后的數(shù)據(jù)進行差分干涉，分辨率為90 m，得到數(shù)據(jù)的干涉圖并輸出。

2.3 去平地效應

在干涉圖中，對高度一樣的平地利用基線距的計算方法，觀察干涉條紋的高度變化，看是否隨平地距離向和平地方位向的高度變化而呈周期性的變化，進一步計算和去除干涉圖中的平地效應數(shù)據(jù)。

2.4 噪聲濾波

采用Goldstein 法對去平后的干涉圖進行濾波和去噪，消除因外界干擾而引起的相位噪聲，同時根據(jù)位相質(zhì)量計算生成干涉的相干圖。

2.5 相位解纏

對相位主值或相位差值進行相位恢復，以2π為模進行相位干涉，如果干涉相位的最小變化幅度超過2π，則相位重新轉(zhuǎn)換開始濾波循環(huán)。因此，采用最小費用流法，對經(jīng)去平和濾波后的相位進行解纏，使相位差值在2π 以內(nèi)。

2.6 相位轉(zhuǎn)形變及地理編碼

為了進一步揭示地面沉降的物理地球編碼相關(guān)特性，綜合形變合成相位，對之前校準和解纏后的相位進行編碼轉(zhuǎn)換，變成相位形變數(shù)據(jù)，并對形變數(shù)據(jù)進行地理編碼轉(zhuǎn)換，使其通過轉(zhuǎn)換編碼轉(zhuǎn)換到地理坐標系下。

3 監(jiān)測結(jié)果與監(jiān)測精度分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

在MAPGIS 軟件中，載入3 號煤層地表形變圖并進行編輯加工，從而分析礦區(qū)的地面沉降信息。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，3 號煤層的中東部地區(qū)是主要沉降區(qū)，與礦區(qū)的開挖方向大致相同。D-InSAR 技術(shù)能很好地監(jiān)測出煤層地面沉降信息，根據(jù)礦井開發(fā)規(guī)劃圖，3 號煤層的形變量是從東向西逐漸增大，根據(jù)形變量關(guān)系，礦區(qū)的最大沉降量為48 mm，主要集中在采區(qū)中心靠西的位置，總沉降面積為1.21 km2。為了準確地分析沉降量變化規(guī)律，繪制沿走向沉降剖面圖如圖2，沿傾向沉降剖面圖如圖3。

圖2 沿走向方向

圖3 沿傾向方向

從圖3 可以看出，地面沉降量的整體變化呈U型對稱分布，在開采中心礦區(qū)的沉降量達到最大值，從中心向兩側(cè)沉降量開始依次減小。

3.2 監(jiān)測精度分析

采用D-InSAR 技術(shù)進行監(jiān)測，能直觀準確地反映出監(jiān)測區(qū)域的總體形變特征，但監(jiān)測精度嚴重制約著該技術(shù)的應用范圍。通過收集礦區(qū)內(nèi)采用GPS技術(shù)監(jiān)測點的資料，與采用D-InSAR 技術(shù)監(jiān)測結(jié)果進行對比，結(jié)果見表1。使用D-InSAR 技術(shù)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)是各個高相干監(jiān)測點的形變信息。因此，基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)選取GPS 技術(shù)監(jiān)測點周圍的25 組數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行加權(quán)求平均值，然后將最終數(shù)據(jù)作為D-InSAR 技術(shù)的監(jiān)測結(jié)果值，進行監(jiān)測精度分析。

從表1 可以看出，與GPS 技術(shù)相比，采用D-InSAR 技術(shù)得到的監(jiān)測精度誤差在3.3 mm 以內(nèi)，能準確反應礦區(qū)沉降分布，滿足礦區(qū)沉降形變監(jiān)測精度控制要求。可見，D-InSAR 技術(shù)的監(jiān)測結(jié)果可靠。

表1 D-InSAR 技術(shù)與GPS 技術(shù)監(jiān)測結(jié)果對比表

4 結(jié)論

為了研究漳村煤礦在開采過程中地面沉降情況，采用D-InSAR 技術(shù)獲取礦區(qū)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用干涉圖監(jiān)測地面形變特征，結(jié)果如下：

（1）地面沉降量的變化整體呈U 型分布，在開采中心沉降量達到最大值，沉降量從中心向兩側(cè)依次減小，大體上呈對稱分布。

（2）結(jié)合GPS 監(jiān)測點的資料，對地面沉降結(jié)果進行監(jiān)測精度分析。結(jié)果表明：與采用GPS 技術(shù)相比，采用D-InSAR 技術(shù)得到的監(jiān)測精度誤差在3.3 mm 以內(nèi)，能準確反映礦區(qū)沉降分布，滿足礦區(qū)沉降形變監(jiān)測精度控制要求，為礦區(qū)合理開采提供了保障。