基于D-InSAR技术的地...降监测——以杨伙盘煤矿为例_白怀东.pdf
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1、DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 054基于 D InSA 技术的地表沉降监测 以杨伙盘煤矿为例白怀东1,范玉海1,2,苏伟3(1 中煤航测遥感局,陕西 西安 710054;2 榆林学院,陕西 榆林 719000;3 榆林市杨火盘矿业有限公司,陕西榆林 719000)摘要杨伙盘煤炭资源开采导致矿区范围内发生大面积地表沉降,严重影响当地人民的生产、生活。本文选用杨伙盘煤矿范围内 Sentinel 1A 数据,利用 D InSA 技术对矿区内 2017 年 10 月到 2019 年 5 月地面沉降范围与沉降幅度进行实时监测。监测结果显示杨伙盘矿区东部存在四个较大的沉降
2、中心,最大形变量为 85 mm/y,累计形变量 128 mm,矿区内已发现的地表形变区仍在发生沉降作用。地质灾害的发生是一个缓慢积累到爆发的过程,建议后续继续开展研究区形变监测工作,特别是 A 点和 B 点区域应加强监测,以避免发生大规模地表形变。结果表明,D InSA 技术能够有效获取矿区地表形变信息,可以为矿区沉降综合治理提供全面的形变信息,在灾害发生之前做出预警,提前做好防护措施,减少损失。关键词D InSA 技术;地表沉降;变形监测;杨火盘煤矿中图分类号P642 26;P641 4+61 文献标识码A 文章编号 1004 1184(2023)03 0157 04收稿日期2022 12
3、28基金项目国家重点基础研究发展计划“973”项目(2015CB453000);国家自然科学基金(U1261111);国家自然科学基金青年基金项目(41902241,41702144);陕西省第三批地勘基金项目(61201203093)作者简介白怀东(1987 ),男,陕西榆林人,工程师,主要从事煤田地质、矿山生态修复等方面研究工作。通讯作者范玉海(1983 ),男,山东日照人,高级工程师,博士,主要从事煤田地质、矿山生态修复等方面研究工作。Surface subsidence monitoring based on D InSAtechnology taking Yanghuopan coa
4、l mine as an exampleBAI Huai dong1,FAN Yu hai1,2,SUWei3(1 China Coal Aerial Survey and emote Sensing Bureau,Xian 710054,Shaanxi,China;2 Yulin University,Yulin,Shaanxi 719000,China;3 YulinYanghuopan Mining Co LTD,Yulin,Shaanxi 719000,China)Abstract:The mining of coal resources in Yanghupan has caused
5、 a large area of land surface subsidence within the miningarea,which has seriously affected the production and life of local people In this paper,Sentinel 1A data within the scope ofYangpupan Coal mine were selected and D InSA technology was used to conduct real time monitoring of the land subsid-en
6、ce range and amplitude in the mine from October 2017 to May 2019 The monitoring results show that there are four largesubsidence centers in the eastern part of Yanghupan mining area,with the maximum shape variable of 85mm/y and the cu-mulative shape variable of 128 mm Subsidence is still occurring i
7、n the surface deformation area found in the mining areaThe occurrence of geological disasters is A process of slow accumulation to eruption It is suggested to continue to carry out de-formation monitoring in the study area,especially at point A and point B,so as to avoid large scale surface deformat
8、ion Theresults show that the D InSA technology can effectively obtain the surface deformation information of mining area,and pro-vide comprehensive deformation information for the comprehensive treatment of subsidence in mining area,so as to make earlywarning before the occurrence of disasters,take
9、protective measures in advance and reduce lossesKey words:D InSA;Surface subsidence;Deformation monitoring;Yanghuopan mining area0引言杨伙盘煤矿位于陕西省神木县店塔镇,属陕北侏罗纪煤田神府矿区新民开采区,拥有全部产权的国有煤矿企业。杨伙盘煤矿范围由 10 个拐点的连线为界圈定。西北部为黑拉畔煤矿和孙营岔一矿,东北部为石岩沟煤矿,东南部为榆家梁煤矿 为 界,长 约 6 6 km,宽 约 4 4 km,面 积 26 917 6km21 3。杨伙盘煤炭资源开采导致矿区范围
10、内发生大面积地表沉降,严重影响当地人民的生产、生活4 6。SA 影像数据中包含了形变相位信息,利用 InSA 技术从其相位信息中可以得到地表的三维信息和形变信息7。D InSA 即差分干涉合成孔径雷达技术,其结合了合成孔径7512023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay,2023Vol.45NO.3雷达成像原理和干涉测量技术,利用传感器的系统参数、空间姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表上某一点的三维空间位置和微小变化8 9。D InSA 技术是监测地表形变的有效手段,具有全天时、全天候对地高分辨率成像、监测的能力,其结果精度高、测量范围广,自动化程度
11、高,能够大大降低人力、物力、财力10 14。本文选用杨伙盘煤矿范围内 Sentinel 1A 数据,利用 D InSA 技术对矿区内 2017 年 10 月到 2019 年 5 月地面沉降范围与沉降幅度进行实时监测,为更加科学、高效合理的开采煤炭资源,预警地面塌陷等地质灾害提供精准、可靠的决策数据。1研究区概况杨伙盘煤矿地表绝大部分被第四系、新近系沉积物覆盖,仅沿黄羊城沟及大、小板兔川支沟有基岩出露。煤矿地层由老至新依次为:三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、新近系上新统保德组(N2b)及第四系黄土、河流沉积物。侏罗系中统延安组是主要含煤地层,为
12、大型内陆湖泊三角洲沉积,沉积旋回结构清晰。煤矿内延安组含煤 19 层,其中有开采价值的可采煤层是 2 2、3 1、4 3、5 1 煤层。煤矿为单斜构造,未发现断层、岩浆岩,构造极简单。杨伙盘煤矿属黄土丘陵沟壑地貌区,地形总趋势东北高,西南低,高程为 1 100 1 250 m,相对高差 150 m 左右。煤矿内沟谷纵横切割,梁峁连绵起伏,坡陡壁峭,植被稀少,水土流失严重,煤层与基岩广泛裸露于沟谷之中,河流沿各大支沟分布(图 1)。图 1杨伙盘煤矿范围及水系分布示意图图 2矿区形变速率图2数据源的选取本次研究使用的数据主要包括 Sentinel 1 卫星影像(分辨率:20 m)、精密卫星轨道数据
13、(POD,精度 5cm)和 ALOSGlobal Digital Surface Model(AW3d30)数据(分辨率:30 m)。2 1Sentinel 1 卫星数据Sentinel 1 卫星是“哥白尼计划”6 对地球观测卫星中的一组,其上装备了激光终端,搭载了欧洲极地轨道 C 波段雷达成像系统,具备时间延迟优于一小时的全球任意地点观测能力。Sentinel 1 卫星数据具有回访周期短,监测范围大,工作模式多的特点,在环境监测、极地研究、农情监测、地球科学以及灾害风险监测和应急响应等多个学科和领域得到了广泛应用。本次采用 2017 年 10 月至 2019 年 5 月的 Sentinel
14、1A 卫星升轨 SA 影像,分辨率为 5 m 20 m,制图分辨率为 20 m。2 2Sentinel 1 精密轨道数据卫星轨道数据作为重要的参数文件,包含了卫星运行的位置、姿态和方向等信息,在雷达图像信号处理过程中发挥着至关重要的作用。在数据处理过程中,含有误差的轨道信息通常会造成基线误差并以残差条纹的形式存在于干涉图中,极大地影响了干涉图的质量,对于上述现象,需要通过卫星轨道数据予以修正,有效地去除因轨道误差引起的系统性误差。因此,卫星轨道数据在很大程度上决定了图像配准和形变图像的精度。本次精密轨道数据采用成像 21 d 之后发布的 POD 精密轨道数据,定位精度可以达到 5 cm,然后对
15、数据进行 SBAS InSA 处理。2 3DEM 数据在形变监测中,为去除干涉相位中的地形相位,在处理的过程中还需要高精度的 DEM 数据作为辅助数据进行配准、去除地形相位等操作。本次选用最新的 AW3D DEM 作为辅助数据。AW3D30 是由日本的对地观测卫星 ALOS 上搭载的全色立体遥感测绘仪(PISM)生成,覆盖了北纬 82到南纬 82 之间的全球陆地面积,水平分辨率为 30 m(1 弧秒),高程精度 5 m,是目前世界上最精确的 3D 地图。本次选用 DEM 数据为 AW3D DEM 数据,格网间隔为 30 m。3地表形变监测本次地表形变监测利用 D InSA 中的 SBAS In
16、SA 技术,该技术是利用多景 SA 影像数据,选取合适的空间基线、时间基线、多普勒质心差组成最优连接图、通过干涉图生成、滤波、大气相位分离等一系列操作,最终实现 mm 级精度监测。3 1数据处理利用收集到的 Sentinel 1 SA 数据、轨道精密文件和DEM 数据进行 SBAS InSA 数据处理。SBAS InSA 数据处理在 ENVI SAscape 软件中完成,可分为:数据准备、连接图生成、差分干涉图生成、相干点目标选取、变形计算、大气相位去除、地理编码等步骤。本次设置时间基线为 4%,空间基线为 120 天,在干涉处理阶段共获取 392 对干涉像对,基于时空基线得到影像平均强度影像
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