基于StaMPS技術(shù)的礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測與分析

李　達(dá)，鄧喀中，陳　華，楊俊凱，高明章

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 兗州 272102)

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基于StaMPS技術(shù)的礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測與分析

李達(dá)1，2，鄧喀中1，2，陳華1，2，楊俊凱1，2，高明章3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 兗州 272102)

針對DInSAR技術(shù)易受時空失相關(guān)、大氣相位延遲等影響的問題，采用StaMPS方法對12景ALOS PALSAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行時序處理。首先獲取了采動區(qū)邊緣區(qū)域2012-2014年的非線性時序沉降量，在工作面邊緣地區(qū)走向方向和傾向方向各選取若干點，提取各點的時序沉降量進(jìn)行時序分析，掌握了采動區(qū)在不同時間段里的地表下沉情況。實驗表明StaMPS技術(shù)可為礦區(qū)的開采沉陷監(jiān)測與分析提供新的手段。

StaMPS技術(shù)；開采沉陷；非線性沉降；時序分析；形變監(jiān)測

我國是一個缺油、少氣、富煤的國家，煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中處于主要位置，但煤炭資源大規(guī)模、高強度開采一方面促進(jìn)了國民經(jīng)濟建設(shè)，另一方面由此所引起的地表沉陷和環(huán)境災(zāi)害問題也日益突出[1]。為了應(yīng)對礦區(qū)開采引起的環(huán)境災(zāi)害問題，需要對采動區(qū)地表進(jìn)行變形監(jiān)測，通過變形監(jiān)測研究開采沉陷規(guī)律，采取合理的技術(shù)措施，減輕采動對環(huán)境的影響[2]。

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(DInSAR)可以監(jiān)測到毫米級的形變量，該技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用到礦區(qū)變形監(jiān)測方面[3-4]。但由于DInSAR技術(shù)受時空失相關(guān)、大氣延遲的影響，制約了該技術(shù)在形變監(jiān)測中的應(yīng)用，時序SAR技術(shù)應(yīng)運而生[5-6]。StaMPS技術(shù)可以克服時空失相關(guān)、大氣延遲的影響，應(yīng)用數(shù)量有限的影像得到毫米級的時序沉降量[7-8]。

依據(jù)徐州市某煤礦開采進(jìn)度與工作面的關(guān)系，應(yīng)用StaMPS技術(shù)對2012-2014年12景ALOS PLASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了采動區(qū)邊緣的時序沉降值，并分析時序沉降值和開采工作面進(jìn)度的關(guān)系，得出StaMPS技術(shù)可以為礦區(qū)的開采沉陷監(jiān)測與分析提供新的手段。

1　StaMPS技術(shù)簡介

StaMPS技術(shù)是由斯坦福大學(xué)的Hooper等人提出，該技術(shù)核心思想是認(rèn)為在穩(wěn)定散射點(PS)的雷達(dá)回波中，信號和噪聲可以通過一定時空濾波手段加以分離，利用這一特性，StaMPS算法不需要假定特殊的形變模型，直接通過三維相位解纏來獲取地表形變信息[9]。StaMPS技術(shù)處理過程大致可分為：干涉圖的生成與差分處理、相干系數(shù)的計算、穩(wěn)定散射點選取與形變量估計[10]4個步驟：

(1)干涉圖的生成與差分處理選取主影像，生成主影像和各副影像的干涉圖，再將干涉圖和DEM反演的相位進(jìn)行差值，得到差分干涉圖。

(2)相干系數(shù)的計算先通過振幅離差閾值法初步選取一些PS候選點，將這些PS候選點編碼轉(zhuǎn)換到規(guī)則格網(wǎng)上，濾除與空間相關(guān)的相位，然后利用參數(shù)空間粗搜索方法來估計垂直基線相位，使時間相干系數(shù)達(dá)到最大。

(3)穩(wěn)定散射點選取通過概率積分方法求出相干系數(shù)閾值γ*的值，當(dāng)PSC的相干系數(shù)γx大于γ*時，即被選為PS點，反之，則被認(rèn)為是非PS點。

(1)

式中，p(γx)為所有散射點的概率密度函數(shù)；pr(γx)為非PS點的概率密度函數(shù)；pps(γx)為PS點的概率密度函數(shù)；α為取值范圍0～1的未知數(shù)；q為一個預(yù)警值。

(4)形變量估計將估計出來的垂直基線相關(guān)相位從原始干涉相位中去除后，對選取的PS點進(jìn)行三維相位解纏，然后通過最小二乘法求出主影像的大氣相位和軌道誤差相位，再對剩下的相位進(jìn)行時間域的高、低通濾波器，即可分離出形變相位。

2　研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)處理

2.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為徐州市某煤礦，在2012-2014年期間，該區(qū)域有2個工作面，一個是2014年開采完的7123工作面，該工作面長1040m，寬157m,開采標(biāo)高-1000m左右，煤層平均采厚3.62m，開采方向自西向東。另一個是2011-2014年期間開采的9115工作面，該工作面長2000m，寬170m，開采標(biāo)高-730m，煤層平均采厚4.5m，開采方向也是自西向東。研究區(qū)域和工作面的關(guān)系如圖1。

圖1　研究區(qū)域PS點選取結(jié)果

2.2實驗數(shù)據(jù)

實驗選用12景覆蓋實驗區(qū)的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為L波段，影像的中心入射角為38°，方位向和距離向的分辨率分別為7.489m和3.075m。差分干涉中所用的DEM是30m分辨率的外部DEM數(shù)據(jù)。根據(jù)垂直基線和時間基線選取2013年2月25日獲取的影像作為主影像，干涉影像詳細(xì)信息如表1所示。

表1　研究區(qū)PALSAR數(shù)據(jù)

2.3數(shù)據(jù)處理

(1)在Ubuntu系統(tǒng)下利用腳本文件對12幅影像進(jìn)行基線計算，選取2013年2月25日影像為主影像，然后將其余影像和主影像進(jìn)行配準(zhǔn)，最后利用30m分辨率DEM進(jìn)行差分，得到差分干涉圖。

(2)PS點處理。以振幅離差閾值0.4選取PS候選點；通過迭代方法計算相干系數(shù)γx，進(jìn)而估算出PS候選點的相位噪聲；利用概率公式(1)挑選出PS點；剔除易受鄰域干擾和相位噪聲低的PS點；去除空間非相關(guān)視角誤差；對PS點進(jìn)行三維相位解纏；最小二乘法估算主影像空間相關(guān)視角誤差、大氣誤差和軌道誤差；時空濾波手段得到沉降相位。

3　結(jié)果分析

3.1PS點選取結(jié)果分析

研究區(qū)域PS點選取結(jié)果如圖1。通過StaMPS方法在研究區(qū)域一共選取了62000多個PS點，這些PS點在城市地區(qū)分布比較密集，在農(nóng)田地區(qū)分布相對稀疏，在積水區(qū)沒有，說明選取的PS點還是很可靠的，如圖1顯示。但因為7123工作面在農(nóng)田里面，所以工作面上選取的PS點較少，而9115工作面上面有積水，所以9115工作面的正上方?jīng)]有選取到PS點，只有在工作面西面下沉區(qū)域的邊界選取到一些PS點，后續(xù)將對這些PS點進(jìn)行時序沉降分析。

3.2PS點的時序沉降圖

PS點的時序沉降圖如圖2所示。

圖2(a)～(k)所示為實驗區(qū)域2012年1月8日至2014年10月16日用StaMPS方法得到的累計沉降圖。從圖2(a)～(c)可以看出研究區(qū)域有輕微的下沉情況，但下沉值并不是很大，這是因為在2011年至2012年期間，工作面距離研究區(qū)域約1000m，由于距離工作面較遠(yuǎn)，所以對研究區(qū)域的影響較小。隨著工作面的推進(jìn)，工作面離研究區(qū)距離越來越近，所以2013年的下沉值有了顯著的變化。在2014年期間，工作面離研究區(qū)域最近，沉降值變化明顯，最大沉降值達(dá)到244mm。整個過程監(jiān)測到的沉降量值較小，主要因為大部分PS點分布在工作面邊緣的緣故。

圖2　PS點的時序沉降

為了進(jìn)一步分析開采沉陷的變化規(guī)律，在研究區(qū)域走向和傾向方向各布設(shè)1條觀測線，如圖1所示，在走向和傾向各提取10個觀測點的值，分析其地表沉降規(guī)律，沉降曲線見圖3。

圖3　走向和傾向沉降曲線

通過分析圖3(a)走向沉降曲線可知，在2012年至2013年期間各點沉降值變化不超過10mm，最大下沉值約為60mm，表明在2013年1月之前，研究區(qū)域沉降很緩慢，開采引起的沉降較??；在2013年1月至2月沉降值的變化最大可達(dá)40mm，最大沉降值為90mm，表明隨著工作面的推進(jìn)，研究區(qū)域的沉降不斷變大，沉降速度也在增加；在2013年7月至8月期間，地面沉降量出現(xiàn)很大變化，最大沉降值達(dá)到150mm,并且隨著工作面不斷推進(jìn)，地面沉降值不斷變大，最大沉降值約為240mm。在傾向沉降圖上，提取點的沉降值分別在2013年2月和2013年8月有很大變化，分別增加約20mm和30mm，這和走向點的沉降變化規(guī)律是一致的；所有提取點都隨著工作面推進(jìn)，沉降值不斷變大，Q1點在2012年至2014年，沉降值從35mm增大到150mm。同一時間段內(nèi)，傾向點沉降值變化不大，都在一定范圍波動，在2012年2月至2013年1月，傾向點沉降值大約在40mm波動。

4　結(jié)　論

針對傳統(tǒng)的D-InSAR方法時空失相關(guān)等問題，利用StaMPS方法對12景ALOS影像進(jìn)行處理，得到礦區(qū)采動區(qū)的時序沉降圖，并監(jiān)測到其邊緣最大沉降值244mm。根據(jù)時序沉降圖分析了不同時段工作面推進(jìn)對地面沉降的影響，根據(jù)走向和傾向沉降曲線，對各時間段沉降規(guī)律進(jìn)行量化分析，結(jié)果顯示采動區(qū)在2013年2月和2013年8月沉降值有較大變化，分析結(jié)果符合開采沉陷規(guī)律，即離工作面距離越近地面沉降值越大，并隨著開采時間不斷變大，表明 StaMPS技術(shù)可成為監(jiān)測分析礦區(qū)開采沉陷的新手段。

[1]陳炳乾.面向礦區(qū)監(jiān)測InSAR研究與應(yīng)用[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[2]何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[3]鄧喀中，姚寧，盧正，等.DInSAR監(jiān)測開采沉陷的實驗研究[J].金屬礦山，2009(12): 25-28.

[4]范洪冬.InSAR若干關(guān)鍵算法及其在地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

[5]陳強.基于永久散射體雷達(dá)差分干涉探測區(qū)域地表形變的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006.

[6]羅小軍.永久散射體雷達(dá)差分干涉理論及在上海地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[7] Hooper A，Zebker H，Segall P，et al.A New Method for Measuring Deformation on Volcanoes and Other Natural Terrains Using InSAR Persistent Scatterers[J].Geophysical Research，Letters，2004，31(23).doi: 10.1029/ 2004GL021737.

[8] Hooper A，Segall P，Zebker H.Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar for Crustal Deformation Analysis，with Application to Volca′n Alcedo，Gala'pagos[J].Journal of Geophysical Research，2007，112 (B7).

[9]廖明生，王騰.時間序列InSAR技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[10]趙峰，汪云甲，閆世勇.時序InSAR技術(shù)地表沉降監(jiān)測結(jié)果可靠性及沉降梯度分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2015(11)：969-979.

[責(zé)任編輯：王興庫]

Mining Subsidence Monitoring and Analysis Based on StaMPS Technique

LI Da1,2，DENG Ka-zhong1,2，CHEN Hua1,2，YANG Jun-kai1，2，GAO Ming-zhang3

(1.School of Envoriment Science and Spatial Informatics，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Resources & Environment Information Engineering，Xuzhou 221116，China；3.Xinglongzhuang Coal Mine,Yanzhou Coal Industry Co.，Ltd.，Yanzhou 272102，China)

DInSAR technology could be influenced by time-space correlation，atmosphere phase delay and so on，then 12 pairs of ALOS PALSAR data was manged with time processor based on StaMPS technology.First，nonlinear time sequence subsidence data of marginal area of mining area belong years 2012 to 2014 were collected，many points that along strike and dip direction in marginal area of working face were selected，time sequence subsidence volume of all points were managed with time sequence analysis，surface subsidence situation of different time in mining area were mastered.The experiment showed that StaMPS technology provide a new method for mining subsidence monitoring and analysis.

StaMPS technology；mining subsidence；nonlinear subsidence；time sequence analysis；deformation monitoring

2016-04-01

國家自然科學(xué)基金項目(41272389)；測繪地理信息公益性行業(yè)科研基金項目(201412016)

李達(dá)(1989-)，男，遼寧鞍山人，碩士研究生，主要從事InSAR技術(shù)在礦區(qū)中的形變監(jiān)測研究。

TD327

A

1006-6225(2016)05-0071-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.020

[引用格式]李達(dá)，鄧喀中，陳華，等.基于StaMPS技術(shù)的礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測與分析[J].煤礦開采，2016，21(5)：71-74.