基于D-InSAR和GIS技术的煤矿区地面沉降监测研究

摘要

煤炭资源在我国能源矿产中是最丰富的矿产资源,国民经济的快速发展与煤炭资源是始终联系在一起的。煤炭资源量虽然丰富,但生态环境是脆弱的,煤炭资源的开发和利用在给人们带来物质财富的同时,也在一定程度上破坏着人们赖以生存的自然环境,尤其以矿区地面沉降最为严重。煤矿区地面沉降监测可以为解决安全开采和塌陷区环境综合治理提供科学依据,保证和谐矿区、绿色矿区的可持续发展。所以,如何有效的利用现有的新技术对煤矿区进行地面沉降监测是一个值得研究的问题。
　　 本文在论述InSAR及D-InSAR基本理论的基础上,分析了时间失相干、空间失相干、体散射失相干以及相位误差、大气延迟误差、卫星轨道误差、DEM误差和高相位梯度等D-InSAR技术监测地表形变的主要影响因素。然后介绍了本文使用的差分干涉处理软件——GAMMA软件。针对常规D-InSAR二轨法,详细介绍了差分干涉处理流程及处理过程中的关键步骤。并以葛亭煤矿区为例,采用D-InSAR技术,并结合GIS技术,开展了地面沉降监测的应用研究。
　　 本文收集了12景C波段ENVISATASAR数据,并选取了相干性较好的10景数据。通过D-InSAR差分干涉处理,获得了2004-2005年和2008-2009年葛亭煤矿多期地面沉降分布图。然后将D-InSAR结果导入GIS软件中做后处理,叠加0.25m分辨率的数字正射影像图(DOM)和开采平面等其它空间信息来分析地面沉降,并以剖面图、等值线图和3D可视图等进行显示。通过多期结果的相互对比验证,并与水准资料进行了比较,结果表明:D-InSAR结果可以清楚可靠地给出矿区沉降区域分布,并且获得的矿区沉降位置和沉降范围与实际地下开采平面基本吻合,沉降位置和范围也随着开采的继续在不断变化。沉降幅度较小的区域在数量级上和水准观测数据是一致的,D-InSAR获得的最大沉降量是24mm/35d,水准测量的最大沉降量是33mm/35d;而沉降幅度较大的区域由于相位梯度太大;而导致干涉图失相干比较严重。虽然采用特定的解缠方法使解缠相位平滑过渡到了非相干区域得到了相应的沉降值,但沉降值明显小于实际值。最后,给出了解决高相位梯度问题的方法。研究表明:D-InSAR结合GIS技术监测煤矿区地面沉降是一种比较有效快速的方法,能够满足煤矿区可持续发展的需要。
　　 最后,本文利用D-InSAR结合GIS技术监测了唐山煤矿地下开采引起的地面沉降对万达广场建设和周边地区的影响。结果表明:随着时间的推移和唐山矿区地下开采的继续,唐山煤矿区的北部边界没有朝着唐山市万达广场方向扩展的趋势,对万达广场的建设没有影响,从而保证了万达广场的顺利建设和周边地区安全、有序的发展。