差分干涉技術(shù)在漳村煤礦地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

賈文志

（潞安化工集團(tuán)漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032）

漳村煤礦經(jīng)過(guò)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(duì)采空區(qū)的地表移動(dòng)進(jìn)行研究。受開采的影響，巖層的地表移動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，煤層埋深、厚度、覆巖特性以及開采方法都會(huì)影響地表沉陷。目前，采用差分干涉技術(shù)（D-InSAR）[1-4]，通過(guò)衛(wèi)星獲得差分雷達(dá)監(jiān)測(cè)圖像的相位信息，從而得到地表形變值，精度能達(dá)到毫米級(jí)，具有空間持續(xù)覆蓋、高度自動(dòng)化、高度監(jiān)測(cè)的能力，以掌握采空區(qū)地面沉降規(guī)律，促進(jìn)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(zhǎng)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(shì)高東部地勢(shì)低，相對(duì)高度差約154.60 m，最高點(diǎn)位于礦區(qū)的西部，海拔約+1 027.60 m，最低點(diǎn)位于礦區(qū)的東北部，海拔約+873 m，一般地形標(biāo)高在+900～+950 m?？砷_采的3 號(hào)煤層平均厚度為6.33 m。采煤時(shí)主要采用長(zhǎng)壁采煤綜合機(jī)械化方法進(jìn)行，頂板管理采用全部垮落法進(jìn)行。

2 數(shù)據(jù)處理

為了得到準(zhǔn)確的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用D-InSAR 技術(shù)方法進(jìn)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(duì)影像進(jìn)行干涉后得到干涉曲線圖，再對(duì)干涉曲線圖進(jìn)行差分處理后得到差分干涉曲線圖，最后將位于目標(biāo)沉降點(diǎn)附近的地表沿線形變量提取出來(lái)。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(duì)目標(biāo)的距離向和方位向距離用干涉雷達(dá)來(lái)測(cè)量，但僅通過(guò)測(cè)量距離不能得到準(zhǔn)確的位置和基準(zhǔn)面高程，因此要對(duì)同一區(qū)域不同位置進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。

2.2 影像配準(zhǔn)

對(duì)同一區(qū)域的兩張和多張圖像組合起來(lái)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(jìn)行配準(zhǔn)，完成影像的自動(dòng)配準(zhǔn)。

2.2 生成干涉圖

對(duì)配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)

在干涉圖中，對(duì)高度一樣的平地利用基線距的計(jì)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(jìn)一步計(jì)算和去除干涉圖中的平地效應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.4 噪聲濾波

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

2.5 相位解纏

對(duì)相位主值或相位差值進(jìn)行相位恢復(fù)，以2π為模進(jìn)行相位干涉，如果干涉相位的最小變化幅度超過(guò)2π，則相位重新轉(zhuǎn)換開始濾波循環(huán)。因此，采用最小費(fèi)用流法，對(duì)經(jīng)去平和濾波后的相位進(jìn)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(jìn)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(duì)之前校準(zhǔn)和解纏后的相位進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，變成相位形變數(shù)據(jù)，并對(duì)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼轉(zhuǎn)換，使其通過(guò)轉(zhuǎn)換編碼轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)精度分析

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

在MAPGIS 軟件中，載入3 號(hào)煤層地表形變圖并進(jìn)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(cè)結(jié)果，3 號(hào)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(cè)出煤層地面沉降信息，根據(jù)礦井開發(fā)規(guī)劃圖，3 號(hào)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(zhǔn)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(duì)稱分布，在開采中心礦區(qū)的沉降量達(dá)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(cè)精度分析

采用D-InSAR 技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能直觀準(zhǔn)確地反映出監(jiān)測(cè)區(qū)域的總體形變特征，但監(jiān)測(cè)精度嚴(yán)重制約著該技術(shù)的應(yīng)用范圍。通過(guò)收集礦區(qū)內(nèi)采用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的資料，與采用D-InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。使用D-InSAR 技術(shù)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是各個(gè)高相干監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變信息。因此，基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取GPS 技術(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍的25 組數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)結(jié)果值，進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)精度誤差在3.3 mm 以內(nèi)，能準(zhǔn)確反應(yīng)礦區(qū)沉降分布，滿足礦區(qū)沉降形變監(jiān)測(cè)精度控制要求?？梢?，D-InSAR 技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠。

表1 D-InSAR 技術(shù)與GPS 技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)論

為了研究漳村煤礦在開采過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)，利用干涉圖監(jiān)測(cè)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(dá)到最大值，沉降量從中心向兩側(cè)依次減小，大體上呈對(duì)稱分布。

（2）結(jié)合GPS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的資料，對(duì)地面沉降結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)精度誤差在3.3 mm 以內(nèi)，能準(zhǔn)確反映礦區(qū)沉降分布，滿足礦區(qū)沉降形變監(jiān)測(cè)精度控制要求，為礦區(qū)合理開采提供了保障。