西部矿区地表沉陷大规模快速检测方法外文翻译资料

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西部矿区地表沉陷大规模快速检测方法

摘要：针对西部矿区采矿灾害的特点以及传统地表变形监测方法的局限性，该研究在西部地区开展了将InSAR技术应用于动态变形监测的尝试。本文以陕西彬长矿区为研究区域，对SAR图像进行差分干涉处理，得到了彬长矿区的形变图像，结果表明，InSAR可以快速探测大面积（100kmtimes;100km）的地表沉陷区。干涉合成孔径雷达（InSAR）技术将在西部矿区开采损害动态监测中得到广泛应用。

关键字：地表沉陷；干涉合成孔径雷达；西部矿区

1. 引言

中国是世界上煤炭产量和消费量最大的国家。2010年，煤炭需求总量达到23亿吨。我国煤炭储量主要集中在西部地区。西方国家的外汇储备占该国外汇储备总额的一半以上^[1]。西部矿区主要包括陕西、甘肃、宁夏、山西、内蒙古等地，是重要的煤炭生产基地。煤炭的合理开发利用对国民经济发展和西部大开发具有重要意义。

西部矿区地貌起伏，地质地貌复杂，是地质灾害的多发区。地下采煤不仅造成大面积地面沉降和地面建筑、地面破坏，而且还引发大规模滑坡和崩塌。

多年来，地下开采引起的地面沉降、裂隙、裂隙、滑坡、崩塌、水源枯竭等地质环境灾害(统称地下开采灾害)已成为煤矿区的主要人为灾害。据统计，彬长矿区共发生地质灾害458次，山体滑坡193次，崩塌190次，咸阳市煤炭开采引起的地质灾害相当多^[2]。

1. 传统的矿区地表变形监测技术及其局限性

目前，矿区地表变形监测的传统测量方法主要是在受影响的矿区设置观测站，采用全站仪导线、GPS、水准仪等传统测量技术，在相对稳定的区域建立基准点，观测受影响矿区的相对变形，获得沉降变形的时空分布特征和规律。显然，传统的大地测量方法有很多局限性。

1. 只能获得离散点的变形信息，不能获得表面形状的变形信息。通过离散点分析沉降规律容易产生偏差。
2. 所获得的变形信息范围有限。在西部山区，由于地形起伏，地貌复杂，传统的采矿影响区以外的地区可能发生滑坡、崩塌等地质灾害。因此，传统的监测手段范围有限，也难以保证基准的稳定性。无论是水准网、GPS网还是导线网，如果将基准网的变形与监测区域混淆，监测结果的可靠性都会大大降低。
3. 监测工作量很大。现场需要建立基准点、工作点和监测点。它不仅无效、代价高昂，而且容易受到外部条件的影响。

西部煤矿区地形复杂，矿区沉陷变形情况特殊，传统的测量方法难以满足动态监测和预警的要求。随着遥感技术的飞速发展，干涉合成孔径雷达在地壳形变、区域沉降、冰川作用等多个领域得到了广泛的应用。为西部矿区复杂地形的动态监测和预警提供了一种新的技术手段。

1. 合成孔径雷达的基本原理

InSAR是一种从复杂SAR数据中提取地表高程信息和形变信息形成相位信息的技术。D-InSAR是在InSAR基础上发展起来的一种新的测量方法。与传统的测量方法相比，它具有全天候、覆盖面积大、成本相对低廉、分辨率高、不需要地面控制点等优点。SAR干涉法测量模式包括:交叉轨道干涉测量(XTI)、沿轨道干涉测量(ATI)、重复轨道干涉测量(RTI)^[3]。本文以重复轨道干涉测量为例，介绍了D-InSAR的原理。图1是D-InSAR的三程干涉测量的几何图形^[4-6]。

P1，P2，P3是卫星对同一区域进行三次成像的位置。第一和第三幅SAR图像在变形发生之前从地面感知，第二幅SAR图像是在变形发生之后从地面感知。

图1 D-InSAR的几何图

第一个图形和第三个图形的干涉图像的相位只包含地形信息。第一幅图和第二幅图的干涉图相位不仅包含地形信息，而且还包含变形信息。

去除平地效应后，

包含地形信息，包含地形信息和形变信息。由方位角方向变形引起的相位为：

公式(9)展示了ENVISAT ASAR、C波段、波长5.6cm、轨道高800km、半径800km等地形形变的差分相位的敏感性。一般来说，2.8cm的变化可以引起一个周期的相位变化，这意味着D-InSAR可以在理论上监测亚厘米级的形变^[4]。

1. 应用

本文以陕西省彬长矿区为研究区域。彬长矿区是我国黄陇基地的主要矿区之一，是国家规划的13个煤炭基地之一。彬长矿区位于山西省西北部，位于长武、彬县境内。矿区东部和南部以非煤边界为界，西部和北部以陕西、甘肃省为界。矿区东西长46公里，南北长36.5公里，规划面积978平方公里，地质储量67.29亿吨，年生产能力5000万吨。

大佛寺煤矿位于山西省彬县以西约12公里处，是陕西彬长煤炭开发建设有限公司在彬长矿区建立的第一座煤矿，可采储量7.9385亿吨，使用寿命92.5年。

ESA ENVISAT是2002年3月1日(中欧时间)由Ariane5号火箭发射的与太阳同步极轨道的先进的地球环境监测卫星。国外ENVISAT ASAR是基于ERS-1/2有源微波仪(AMI)结构，继承了ERS-1/2有源微波仪的图像模式和波型，工作模式增强，具有多极化、多角度、宽幅等新功能。在宽幅模式下，图像宽度可达405公里，在图像模式下，图像宽度最大可达100公里。所选图片摄于2007年2月22日、11月29日。

精准的轨道数据有助于提高图像的配准精度以及基线估计的准确度。Envi卫星有两个现有的精确轨道数据：DEOS(Earth-Oriented Space Research)提供的DELFT精确轨道和ESA提供的DORIS精确轨道。本研究的数据处理采用的ESA提供的DORIS精确轨道。

外部数字高程模型(DEM)的精度是保证差分结果准确性的关键。数据处理采用的平面参考系为WGS84的SRTM DEM；垂直参考系统采用的WGS84 EGM96，其SRTM3的绝对精度为plusmn;16m，相对高度精度10m。

图2 彬长煤矿井田分布图

图3 彬长矿区相干图

处理步骤：此数据处理方法为两次通过。处理步骤包括：图像空间配准、滤波、干涉图生成、相位展开、基线参数计算、差分干涉图生成和地理编码，最终生成干涉图图像、形变图像。(见图4，图5)

干涉图像和形变图像表明，彬长矿区的沉陷面积和分布与现场沉陷分布基本一致。结果表明，InSAR技术能够在较大范围内(100kmtimes;100km)快速探测到地面沉降区。

图4 彬长矿区干涉图像

通过对彬长矿区变形图像进行分析，认为该矿区存在三个沉降带，即沉降标志带A、B、C。A区大致位于亭南矿区，B区位于大佛寺矿区，C区位于小庄和官牌矿区。

图5 彬长矿区变形图像

以大佛寺煤矿为例，位置N35°05′，E107°58′是大佛寺煤矿彬长采矿区40301工作面的最大沉降位置，也是位于形变图像的中心。从相干图像可以看出，当位于形变中心区域时，去相关现象迅速出现。在大形变区域，去相关现象非常严重。相干损耗是由于高噪声水平引起的过度形变，并且无法进行相位恢复

现场测量和传统大地测量方法的结果表明，中部地区的沉降变形已达到米级。例如，40301工作面的最大下沉值为-2.2m。这明显大于形变图像显示的厘米尺度。其原因在于沉降量过大，超过了变形监测的最大坡度。为了解决这个问题，提出了缩短时间基线或选择长波段雷达数据(如JERS、ALOS L波段数据^[7])的方法。

1. 结论

监测结果表明，InSAR技术可以广泛应用于煤矿开采沉陷区的探测，且具有一些传统大地测量方法所不具备的优点，在煤矿开采沉陷区开采损害动态监测中具有广阔的应用前景。

要建立一个陈述的InSAR矿井灾害监测系统，还需要解决许多技术问题。在当前的技术条件下，集合多源、多时间、多波段SAR数据，进一步完善煤矿灾害监测系统将成为下一步研究的重点。结合传统的大地测量方法，可以避免InSAR技术的不足。将传统大地测量方法与InSAR技术相结合的技术路线是煤矿灾害监测的重要方向。

参考文献

[1] B.B. Li, Z. Liu, X.Y. Yu, “Current mining damage situation and evaluation of Jurassic coalfield of North Shaanxi province”. Journal of Xirsquo;an University of Science and Technology, Xirsquo;an, vol.28, No.2, pp.265-269, 2008.

[2] Z.F. Zhang, T. Liu, A.L. Guo, “Analysis of Geological Disaters at the Coal Mining Area in North of Xianyang”. Ground water, Xirsquo;an, vol.32, No.1, pp. 135-137, 2010.

[3] M.S. Liao, H. Lin, Synthetic Aperture Radar Interferometry-principle and Signal Processing. Beijing: Surveying and Mapping Press, pp.44-45, 2003.

[4] C. Wang,H. Liu,Z. Liu, Spaceborne Synthetic Aperture Radar Interferometry, Beijing: Science Press, pp. 59-61, 2002.

[5] N. Shu,Interferometric Radar Imaging Principle,Wuhan: Wuhan University Press, pp. 84-85, 2003.

[6] T. Li, Study on Surface Deformation Monitoring by Repeat Pass Spaceborne SAR Differential Interferograms.Wuhan: Wuhan University, pp. 19-23, 2004.

[7] C.S Yang, Based on D-InSAR Technology in Coal Mine Subsidence Monitoring, Xirsquo;an: Changrsquo;an University, pp. 64-65, 2008

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