ers sar干涉技术监测矿区的地面沉降

已经证实应用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术监测人为诱导的地面沉降可以达到厘米级的分辨率。本文介绍了西里西亚石炭系上部煤炭盆地ERSSAR干涉图解译的新概念，西里西亚石炭系上部煤炭盆地是一个高度城市化的重工业地区，该矿坑下陷造成了建筑物和其它基础设施的破坏，改变了地表排水方式，与落水洞和地裂缝的形成也有一定关系。掌握危险区的空间分布有助于制定土地利用规划和补偿政策。一、概述自19世纪以来，波兰的西里西亚石炭系上部煤盆地是世界上最大的采矿中心之一，65个地下矿井每年的煤产量为1.3亿吨。大规模开采的负面影响是在地表出现了地面形变和地面沉降，影响范围约有1500km2。地形和水文的变化在相当大程度上破坏了建筑物和其它基础设施，而且一些受影响地区不得不从城市规划中排除出去。然而，自1970年起约有40%的煤矿开采是在城市和重要的基础设施下进行的，如在每平方公里有4000居民的稠密城市化地区进行开矿。尽管传统的测量和预测方法已经得到了较好的发展(Kwiatek,1997)，但仍未能就采矿对于地表的破坏和对环境的影响进行有效地测绘。遥感技术的最新发展可以低成本、高精确度和高频率地编制采矿地面沉降图。二、采矿造成的地面沉降本项研究的调查范围约为300km2，这一地区受到了几乎是水平煤层开采、随后应用液压技术进行填充的大规模采矿的影响。塌顶造成的地面沉降是煤层厚度的70%～80%，如果应用水力填充会减至15%～20%。但是无论何种情况，出现沉陷凹槽后，起初下陷的很慢，每天不超过几毫米，6～8个月后达到每天1cm；在随后的6～12个月内，地面下陷最快，18个月后地面沉降速率很小，可以忽略不计(Borecki,1980)。三、干涉测量技术合成孔径雷达干涉测量是一种提取地面垂直高度变化相关信息的技术。该项技术利用SAR重复观测同一地区的雷达回波相位差来获取地表形变数据(Gabriel等,1989；Pratti等,1994；Solaas等,1996)。这是一种相对较新的方法，可以测量厘米级的人为诱发地表移动(Haynes等,1997；Kooij,1997)。Stow和Wright(1997)在英国的Selby煤田，Perski(1998)在波兰的西里西亚石炭系上部煤盆地，对应用SAR干涉测量研究地下采矿的影响作过报导。(一)InSAR监测地表变化监测地表形变的数据必须是从非常近的轨道获得，该轨道垂线基线长度不超过100m。这样一条非常短的基线实际上消除了地形的影响，如果分辨率太高就不太精确。然而，可见的干涉条纹代表的是发射和接收波长本身的相位差(Massonnet,1997)。因为两个SAR传感器，ERS-1和ERS-2的波长为5.6cm，因此一个干扰条纹标明在两个接受数据之间的时间内，地面朝着卫星方向运动变化量为2.8cm。对于采矿导致的地面沉降，干扰条纹的解译不同于其它类型的地面沉降，如地震的影响是在所有方向都会发生移动(Peltzer等,1996)。在采矿引起的地面沉降中，可以假定地面沉降接近于垂直移动。在持续采矿过程中，干涉图表明在两干涉数据时间段内地表的变化是一个活动的沉降斜坡。干扰纹的中心，即地面位移最大的区域，位于沉陷槽的活动斜坡中间位置，从而表明该区域是地面变形率最大的区域。(二)选择适当图像的重要性为了说明地面沉降过程和一个6km×6km干涉测量纹图之间的联系，对西里西亚中心平坦而无森林覆盖区域进行了试验。尽管ERSSAR可以全天候进行监测，但由于雷达干涉测量对干涉影像轨道参数、季节和每天的天气状况的严格要求，可利用的雷达干涉图会大大减少(Tarayre和Massonnet,1994)。精选的像对见表1。通过选择两幅最匹配SAR图像对，造成的误差可能最小，这样观测到的干扰纹，最能代表地面形变量，也就是由于采矿造成的地面沉降。表1干涉测量处理过程中的ERSSARSLCI数据特征摧ERS-1健和餐ERS-2旅数据：轨道壁222宴，迅494思，帧贺2583虎主图像矮辅图像滤安时间间隔炕垂直基线陆轨道潮卫星枪轨道号树日期虫卫星栏轨道探日期劫

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立222蹦ERS-1矛06880隙92.11.疲08应ERS-1砖06389念92.10.玉04据35嗓天质54m斜494公ERS-1捕11661并93.10.搏08梦ERS-1足11160山93.09.减03翼35废天倍20m熊222挂ERS-1象20751床95.07.吓04榴ERS-2疾02080苦95.09.华13瓜70暴天谅9m所有35天的干涉测量图之间具有很好的相干性，特别是在城市地区。农田地区图像的相干性是变化的，并且随季节的变化而变化。然而，在农田区，对于干涉处理来说，变化在可接受范围内。70天的干涉测量图相干性较差，1995年夏末（7月和9月）的像对受季节性变化的影响非常明显。(三)农业测试区靠近卡托维兹的Muchowiec机场附近是一个相对平坦而且尚未城市化的地区。1993年在该地区地表下700～800m深度开采煤矿，共有4眼横向深井，每眼100m深，以每月25m的速率向前开采。随后进行液压填充。在深井周围的地表可以看到沉陷槽斜坡。在采矿区周围350～400m内，预计最大沉降深度为60cm（15%～20%煤层厚度）。ERSSAR干涉测量图中的干扰纹图案详细说明了地面沉降的分布。在干涉测量图中看到的一个800m×1250m的椭圆形干扰纹就是沉陷槽的活动斜坡面。在干涉测量图中形变最大的区域位于两个主要采煤工作面中间，在目前开采工作面后100m处。相应时间为3～4个月的开采周期。干扰纹密度最小的区域位于东北部，这是1991～1992年开矿造成的残余地面沉降的影响结果。存在两个完整的干扰纹说明最大的地面沉降率为5.6cm/月或2mm/天。仗(园四疤)休与地面测量比敬较愚Muchow族iec言机场的面积为描1.4km慢2反，卡托维兹煤剥矿测量局共设璃置了的140驶个控制点，沿匪4余个横剖面分布跳，而且也包括东建筑物角上的吉控制点。地面葱调查每年进行袍两次，分别在并4厚月和纷10音月完成喷(却Pawelc存zyk特和梅Pytlar息z,1996述)雅。在慎1993耕年划6析个月的调查周泰期中以(雹4若～正10赖月妨)塘，一些控制点产表明最大沉降雾量为失16夏～狠25cm仪，这些点位于滴采矿正面后约拐160m连。对于相邻点姨进行分析，结倚果表明在横向大300m每处律(瘦相应于采矿影贼响半径钳)深的地面沉降量赔可以减小为肯0类。过根据晒InSAR昏数据，月沉降框量比地面调查蜘点的测量结果卸大鹊2.5疑～敢5cm耽。这一差异可冤以根据所用方锤法的差异来解类释：实地调查西平均每捆6古个月进行一次黄来确定平均月霜沉降量，而干惜涉测量表示的除是特定月郑(描也就是谣35祖天宽)石的实际地面沉榆降量。因此，相干涉测量数据慎似乎更接近实剂际情况，特别青是在监测迅速壁的地面移动时荐，现场测量只涉能持续为2感～嗽3寨月。骑(轨五其)之城市测量区慢第二个研究区倒位于卡托维兹深市密集的城市圣中心，照1993殃～拆1995吐年在这个作为咐城市的保护支搜柱区域进行采滴矿，地面沉降誉是由于在地面鸣以下曾300团～升450m朗进行采矿造成彼的。鬼5痰个深井中目前累有踪3劈个仍在进行，杂开采年2.5m迅厚的煤层之后狱进行液压填充狗。惰3云个深井中的工然作线总长度是绪700m遥，以弄200m努/恢年的速度进行英前进式开采。冈根据预测的变俘形和沉降量，有卡托维兹的采浙矿应当是安全贷的。然而，地质表变化会对一客些建筑物（如狼西里西亚大学壳）造成影响，统而且也会对拉研瓦（啦Rawa坛）河堤造成破声坏。特1992志、胀1993陡和旷1995乔年干涉测量图旧中，可以明显回看到沉陷槽的凭北－西向移动晓活动坡面，可餐以通过椭圆形剖干涉纹表现出族来。干涉纹中环心位置位于采振煤工作面后场80m蜘处，表明垂直穷运动约为摸2.5cm吹/像月，也就是糠朝卫星方向发欲生了疗2.8cm何的变化。受影妈响最大的区域地位于三个深井吩的中心，沉陷阿槽的活动坡面振离采煤工作面尼垂直距离约凯1000m蚁。夜事实上，在卡贩托维兹市，经女过虎3降～牛4拐月的采矿后，介在地表观察到世了采矿造成的萍影响。在如此扇短的时间就观为测到采矿的影腊响，原因是在蹈相对较浅的地絮层进行采矿，畏拉瓦（备Rawa穷）河峡谷第四使纪沉积物厚为寺50m狼，以前的开采隐活动（一些活殖动始于建19都世纪）破坏了栏上覆岩石等。古对于西南部的物煤层开采活动樱，地表变化在武6侧个月后才出现好，这主要是由棚于开采煤层上厚覆盖着一层厚修而硬的泥炭层厕。四、结论砌1芽．应用故SAR渠干涉测量研究祸和预测采矿导游致的地面沉降泰是一较新的研畅究方法，特别慢是在监测动态阳地面沉降及其蚁空间分布作用渴尤为明显。在镰西里西亚上部锡地区第一次而湖且是在较短的袖时间间隔内的厚干涉测量展示顿了地面变形的气真实范围。摇2致．骄SAR爱干涉测量图是璃35送天时间间隔内烈的地面下沉动罗态变化的一个屈重要信息源。炕干涉纹图案表护明了地面沉降瓦变化率，它与互沉陷槽的坡面公形状有关。椭辟圆形干涉纹的旷数量说明在开排采煤层上测量洲值比实际的地馅面沉降累计量凉大狠2.5cm贷。感3净．愁InSAR零图像也说明了姻残余沉降区的场沉降量不足醒1cm启/蚕月。沉降斜坡扶边缘的下沉信须息看起来与常析规测量所取得领的信息一样有鹊价值，它还提