文摘

高强度地下开采产生相当大的地表沉陷在矿业领域,包括地面裂缝、塌陷坑在道路和农田,威胁安全的建筑。大幅度沉降(如> 2米)通常以干涉图相位梯度大,导致严重的相位解相关和打开错误。因此,表面的沉降不能派生简单地使用传统的微分干涉合成孔径雷达(DInSAR)或其他大地测量。我们提出一个新的方法,结合DInSAR和亚像素offset-tracking技术提高开采沉陷监测大区域。我们利用各自优势,提取空间界限和位移的幅值。利用高分辨率RADARSAT-2 SAR图像(5米)获得2月13日,2012年11月27日,2012年,在东煤田位于陕西省和内蒙古边境省份,中国,我们获得subcentimetre-level沉降矿区边界的DInSAR和我解决metre-level沉降中心基于亚像素偏移跟踪。整个沉降场是通过结合分析subcentimetre-level metre-level沉降。我们用概率积分法(PIM)函数模型以适应边界和中部矿山沉陷重建矿山沉陷的空间分布。我们的结果表明,中部最大沉降达到~ 4.0 m (DInSAR监视功能之外的),通常在协议的最大沉降从现场调查-5.0 ~ 4.0米。我们也模型边界和中央下沉(最后的拟合系数是0.978)。 Our findings indicate that the offset-tracking method can compensate for the deficiency of DInSAR in large-amplitude subsidence extraction, and the inclusion of the PIM technique helps reconstruct the whole subsidence field in mining areas.

1。介绍

大规模开采煤炭资源满足区域经济发展的日益增长的需求。然而,它也导致了严重的生态、环境和地质问题。地面沉降在矿业领域引起了一系列的地质灾害,它带来了潜在的危险与矿区建设,包括对水资源的威胁、交通基础设施和农田。高强度开采利用的主要技术特征是一个大的工作面,工作面快速推进的速度,一个小开采深度比厚度、上覆地层严重损害,和大量的地表移动和变形(1,2]。申东矿区,位于陕西省和内蒙古边境省份,有足够的煤炭资源与浅埋深(平均开采深度~ 260)和小煤层厚度(平均2.2 - -2.9米,2.5米)。这个地区地面沉降引起的煤炭开采具有相同的特点,由高强度开采引起的,如高沉降率(最大沉降达到~ 4米/年)。因此,获得的空间分布和振幅地表沉陷在这些领域有助于理解潜在的地质灾害和综合管理提供数据支持。这些信息也非常重要在矿业地区生态保护和可持续发展。

干涉合成孔径雷达(InSAR)是一个有用的大地变形监测的工具,近年来得到迅速发展。微分干涉合成孔径雷达(DInSAR)可以克服传统大地测量表面变形的缺点,因此可以用于监测地面沉降在大面积3,4]。大量应用程序的相关DInSAR变形监测地震周期(5,6),火山活动(7,8],冰川变化[9,10)、城市失水沉降(11,12),和山体滑坡13,14)已被记录。监测开采沉陷DInSAR的应用也被许多作者研究[15- - - - - -18]。然而,DInSAR容易时空相解相关地区的大位移梯度,这可能引起打开错误。仍存在技术瓶颈在监测开采沉陷造成的快速和动态变形过程(19,20.]。小基线子集InSAR (sba InSAR) [21- - - - - -25)和永久散射InSAR (PS InSAR) [26- - - - - -30.)最近被用于研究在矿区沉陷。在某种程度上,精度有了很大提高,开采沉陷的观察期可以达到几个月到几年;然而,仍然有一些缺陷测量大量的快速沉降变形(即。、最大沉降达到metre-level变形)[31日,32]。Offset-tracking技术基于SAR图像强度信息是一个强大的补充DInSAR技术,可用于解决实质性的快速沉降位移引起的矿区(33]。

在本文中,我们使用DInSAR offset-tracking技术产生地面沉降研究煤田中的字段。为此,DInSAR技术最初用于提取沉降边界,随后和offset-tracking技术用来解决中央附近的一个实质性的位移沉降。而DInSAR和抵消跟踪能够获得离散位移的测量在边界和中央矿区地面沉降,他们不能得到整个沉降场的形状一个直截了当的方式。为了进一步分析整体模式、空间分布、沉降和变形特性的领域,在这个领域我们重建整个沉降场的概率积分法(PIM)使用InSAR和offset-tracking结果。最后,然后结合这两种方法的结果分析和重建采空区的地面沉降的形式根据概率积分法。

2。研究区和SAR数据

2.1。研究区域

申东煤田的通用名称是Shenfu煤田陕西省和内蒙古东胜煤田。申东煤田位于神木县的北部地区,西部地区河豚县的南部地区易经Holuo横幅在内蒙古,和西南地区的旗帜(34]。煤田包括Daliuta, Bulianta和其他矿1000万吨煤。申东煤田是中国最大的煤炭生产矿井的八个世界上最大的煤矿(35,36]。矿区主要位于Ulanmulun河的两家银行。南北矿区的长度大约是38 - 90公里,及其东西方宽度大约是- 55公里,占地约3481公里2。探明储量巨大。研究区(显示为黄色的三角形的位置在图1(c))位于Buertai我Cuncaota没有。1,没有。2申东煤田煤矿,是典型的身体滑向接近水平的浅埋煤层后。煤层的平均厚度为2.5 m,开采深度是265米的22201工作面Buertai我的,这是目前世界上最大的单一设计输出轴(37]。这个矿的开采沉陷范围有很大的影响,导致严重的地面沉降,包括地面开裂。


图1
申东煤田的地理位置。黄色的三角形表示我的位置在这个研究。研究区(矩形左上角(c))包含Buertai, Cuncaota没有。1,没有。2矿。红色虚线框显示了SAR图像的空间覆盖用于这项研究。
2.2。数据

SAR图像收集从RADARSAT-2 2月13日,2012年11月27日,2012年。SAR数据的时间间隔是289天。图像的空间分辨率是5米在地上。卫星采用了C波段工作波段HH极化模式,multilook细梁,a 公里2覆盖区域。所需的数字高程模型(DEM)数据处理90米高程数据的航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM DEM)。SAR图像被切断通过地区获得感兴趣的一个图像覆盖Buertai采矿、Cuncaota没有。1,没有。2矿区(109°55 - - - - - -110°06年 39°E, 23岁 - - - - - -39°31 N)(图1)。SAR图像的基本信息如表所示1。

表1
RADARSAT-2 SAR数据的成像参数和几何用于这项研究。

3所示。方法

3.1。DInSAR

DInSAR技术主要利用SAR图像的相位信息提取地面变形(5,7]。该算法的基本原理是把两个SAR图像覆盖同一地区在不同时期。微分干涉相处理,复杂的干涉图转化为地面变形(包含沉降等)信息 。

经过登记的主人和奴隶的图像,干涉相位相同的像素在图像可以计算。干涉阶段通常由五个部分组成,如图所示 在哪里 表示地形相从外部获得民主党; 代表不同的交通时间之间的倾斜变形阶段雷达卫星; 代表了夷为平地阶段从外部获得民主党; 代表大气相变异;和 代表了噪声阶段,其中包含InSAR处理错误,热噪声影响等。微分干涉图相位是减去地形的阶段 和扁平的阶段 从干涉图相位 。

变形阶段可以通过减去的大气和噪声阶段微分干涉相。最后,打开变形阶段可以通过打开变形阶段。打开变形阶段可以被转换成地面变形值 沿着视线的雷达卫星(19]。

3.2。抵消跟踪

亚像素offset-tracking技术主要使用强度信息覆盖同一区域的两个SAR图像亚像素注册来获得大量的为同一像素坐标偏移量(38,39];然后,亚像素偏移量相同的像素被分解成倾斜范围(卫星)的视线和方位(沿着卫星轨道方向)补偿,如图2。有两种方法可以实现offset-tracking算法,即。,the intensity tracking algorithm and coherence tracking algorithm, and these two methods have different application conditions. Because of the multiple farms and the vegetation coverage on the surface of the mining area, the coherence level of SAR images in the mining area is often low. Therefore, offset-tracking technology based on the intensity tracking algorithm is more suitable for monitoring mining subsidence. The intensity tracking algorithm calculates the intensity information of two SAR images by normalized cross-correlation (NCC) [40]。该算法找到的峰值强度相关系数的特征在两SAR图像像素。当图像中像素特征的元素特征高度相关,监测精度高可获得使用一个小的搜索窗口。如果像素特征元素不连贯的,有必要重新取样multilook图像降低图像分辨率为代价的增加变形监测的表面特征的一致性(41,42]。


图2
亚像素offset-tracking原理监测表面变形。(一)原始像素位置,(b)方位角方向偏移,(c)倾斜范围方向偏移。
3.3。PIM

开采沉陷预测方法主要包括实证方法,理论模拟方法和影响函数方法(43]。经过几十年的开采沉陷预测方法研究,PIM被广泛使用,在中国相对成熟。PIM认为地下岩体随机介质,岩体的运动过程是一个随机运动过程服从统计规律(44]。该方法的理论基础是随机介质理论。矿区地表沉陷的预测是由PIM。认为地下岩体的运动规律类似于随机介质的粒子,和不连续介质运动模型用于研究岩体的运动规律(45,46]。随机介质粒子的运动模型简化为一个简单的球体模型图3(一个)。假定岩石媒体组成的球体相似的形状和大小和重量相等,均匀的表面和开采煤层之间的安排。当球在一楼,在第二层的概率两个领域将重力落入第一层是1/2。基于概率统计的方法,第三层球的概率会落入第一层是1/4,2/4,和1/4,分别和第四层球的概率将落入第一层是1/8,3/8,3/8,1/8,分别。因此,的概率分布函数推导出球落入第一层由虚线图如图所示3(一个)。如果粒子大小相当于一个无限小的大小,概率分布直方图将发展成一个光滑近似正态分布曲线,蓝色实线所示图3(一个)。PIM用于预测地面变形通过集成概率密度函数来获取沉降盆地曲线(47- - - - - -49]。具体的理论公式如下所示:

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
PIM沉降预测原则。(a)随机介质粒子的运动模型和概率分布;(b)地面沉降引起的岩石颗粒的运动。

任意点的沉降 表面上地下采矿引起的随机离散矿业单位 设置如下:

PIM计算开采造成的地面沉陷在任何时候所有地下离散元素 整个采矿脸上(罢工长度 ,底宽 )如下: 在哪里 是最大开采沉陷值; 沉降的主要影响半径, ,在哪里 平均开采深度和吗 主要影响角吗 切; , 是计算单元深度, 最大沉降的角度; 的平面坐标是工作面开采单元的中心;和 在任何时候是地形坐标。基于上述概率积分公式,建立了地下运动和地面沉降之间的关系。

4所示。结果和分析

4.1。DInSAR结果和分析

使用RADARSAT-2 SAR图像对获得2月13日,2012年,和2012年11月27日,(表1),SRTM DEM v3.0(90米)的数据,变形场由于矿区地表沉陷观测期间发生推导使用雷达干涉测量软件γ(Gumligen伽马遥感研究和咨询公司,瑞士;http://www.gamma-rs.ch/)。采空区的地面沉降可以通过改造解决《(视线)变形阶段成垂直变形假设观察位移场是由纯粹的垂直方向的沉降运动。

如图4,有七个明显沉降字段(的A, B, C, D, E, F, G)在研究区,每个大约是椭圆。由于大规模的地面沉降的特点,高梯度的沉降,和高强度开采沉陷的突然发作,严重的时空中退相干干涉图出现在中央区域的沉降面积(彩色杂波区域包围红色椭圆图4(一))。长期间隔的SAR图像进一步加剧退相干现象。DInSAR技术要求很高的一致性,以确保变形监测的准确性。因此,一致性阈值设置为0.4,小于0.4的一致性的一部分是掩盖在相位解(红色椭圆的黑色区域封闭图4 (b)),这是没有参与最终的变形计算。因此,DInSAR技术无法获得沉降信息中心区域的沉降;只有在边缘的沉降变形信息字段是监控(图-0.01和-0.09米之间5)。的最大沉降沉降边缘-0.091场 。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
重新包裹的干涉图,2.8厘米/边缘时期(a)和连贯性(b)的沉降矿区的领域。沉降区域用红色椭圆标记A, B, C, D, E, F, G。

图5
我从DInSAR沉降的边缘。沉降区域用红色椭圆标记A, B, C, D, E, F, G。

虽然沉降从-0.01到-0.09米的边缘沉降场被DInSAR监控,因为地表沉陷高梯度和突然发生的沉降率高,打开失败,甚至错误发生在一些沉降中的沉降值的范围从-0.01到-0.09米的边缘沉降。因此,我们认为,-0.01和-0.02米之间的沉降在矿区的边缘提取DInSAR在这项研究更准确。根据开采沉陷43),沉降场边界划定的-0.01沉降沉降面积的边界位置,如浅蓝色红色椭圆图的边界6。使用DInSAR技术,煤矿采空区的边界可以计算,和每个采空区的塌陷边界划定的下沉-0.01米的位置。


图6
DInSAR沉降场边界的确定。浅蓝色和红色椭圆光绿点的推断空间边界沉降。
4.2。Offset-Tracking结果和分析

DInSAR位移场(数据5和6)表明,仍有监视盲目地区矿山采空区的中央区域由于相位解相关,和高震级沉降矿区中部不能获得。因此,我们使用offset-tracking方法来更好地估计沉降大位移解决DInSAR方法的缺点。此外,抵消跟踪解决位移沿倾斜范围和方位范围。考虑到采矿活动产生的变形主要表现为垂直沉降,我们倾斜范围位移变成垂直变形 ( 代表垂直变形, 代表倾斜范围变形, 卫星的光束入射角)。offset-tracking处理期间,1:2 multilook因素是用来减少图像分辨率以及增加像素的相关性特征。结果显示长条状的变形沉降场(蓝条变形是红色椭圆如图所示7)。图中的地表沉陷8几乎是在-1.0米至-4.0米之间,通常在协议与开采沉陷的现场调查主要从-1.0到-3.0 m;沉降达到峰值-4.0 ~ -5.0 m在这个矿区(32]。结果通常是一致的~ 4.478 m的最大开采沉陷在同一矿区由风扇等。50使用11 terrasar - x)所获得的SAR图像从2012年12月13日到2013年4月2基于亚像素offset-tracking方法。它也同意王的结果等。51)获得了~ 4.5 m的最大沉降值基于offset-tracking技术使用terrasar - x在同一时期内的影像资料。从offset-tracking结果,大部分地表沉陷大约是-2.0米。


图7
沉降中心抵消我的跟踪。蓝条的沉降中心区域由红色椭圆标记环绕,B, C, D, E, F, G。
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图8
沉降分析抵消我的跟踪。(a)、(b) (c), (d), (e), (f)和(g)对应,b, c, d, e, f, g在图7。
4.3。联合分析DInSAR和Offset-Tracking结果

比较和分析DInSAR和抵消跟踪的结果表明,DInSAR可以更有效地获得平息矿区的边界,和抵消跟踪可以测量大幅度沉降(metre-level)在中央区域。更好地利用DInSAR和抵消跟踪的优点,结果DInSAR和offset-tracking合并成一个沉降图在下面的分析基于区间数学方法。最终沉降的推断空间边界地图从InSAR用作第一波段图像(图6),沉降中心从抵消跟踪结果被视为第二个乐队形象(图7)。实际上,这两个结果从InSAR和抵消跟踪共享相同的地理参考系;因此,地理位置在两个测量也是完全相同的。使用带数学方法,上面的双波段图像直接叠加生成最终沉降图如图9。边界变形沉降的领域内通过DInSAR(图-0.01到-0.02米6)是结合metre-level中部沉降得到抵消跟踪(图7)。融合结果如图9表明,地理位置和空间分布的开采沉陷监测DInSAR和offset-tracking方法在相对良好的协议。黑色的椭圆在图中的红色部分9(一个)代表DInSAR结果,蓝色的部分表示offset-tracking结果。如图所示,红色的沉降边界收购DInSAR围绕蓝色中央下沉收购抵消跟踪。沉降中心包围沉降的特征边界的采空区是显而易见的,几乎每一个沉降字段所示。沉降的空间关系研究领域获得两种监测方法的细节,局部放大沉降字段B, D、G图9(一个)是用来显示的布局细节沉降。光green-dotted线路图9 (b),9(d)和9(g)划定的边界沉降场受到DInSAR监控,同时black-dotted框则勾勒出大规模的变形沉降的中心领域得到抵消跟踪。black-dotted行帧图9 (b),9(d)和9(g)位于中心的沉降。的位置和范围两个技术普遍一致的结果。

(一)
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(b)
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图9
DInSAR和offset-tracking融合结果的分析。(一)红色部分的黑色椭圆表示DInSAR结果,和蓝色的部分代表offset-tracking结果。(b)光green-dotted行b, D,和G划定的边界沉降由DInSAR监控领域,黑rectangular-dotted线框架则勾勒出大规模的变形沉降的中心领域得到抵消跟踪。
4.4。PIM的预测和分析

重建的整个空间格局开采沉陷基于DInSAR和抵消跟踪的结果,22201 - 1/2工作面(black-dashed箱图9 (b),9(d))被选中进行开采沉陷的初步研究。采用上述PIM的开采沉陷分析。根据22201 - 1/2采矿计划和SAR数据采集时间、位置和进步的工作面。工作面有罢工~ 2103.6米的长度,一个泡~ 311.4米的长度,一个煤层倾角的~ 1°~ 260米,平均开采深度和煤层开采厚度~ 2.5 m。预测参数参考邻地表移动观测获得的参数(35]。沉降系数 ,主要影响角的正切值β,和传播的角度挖掘影响 设置为0.62,1.63,和89.0°。表面的观察在这个模型从2556年表面观察点DInSAR和offset-tracking方法获得。这些点分布在边界和中心沉降场(如蓝色所示点箭头在图所示10 ())。我们改变了沉降测量的坐标系统的坐标系统矿业面临通过坐标平移和旋转。然后,开采沉陷分析的结果通过多个最小平方回归操作(52,53]。图10 ()表明centimetre-level沉降InSAR好获得的边界约束的反演沉降场边界,而沉降中心值通过offset-tracking方法用于符合沉降场中心的最大沉降值。沉降反演的字段(图10 (b)沿着矿业)显示了一个细长的漏斗状分布的脸,和沉降反演的位置与观测沉降位置一致。反演的最大价值大约是~ 1.75 m,从获得的最大沉降略有不同偏移量跟踪。因为我们用概率积分法转化整个沉降场的平均值,而offset-tracking方法用于获得一个离散点的局部沉降值,最大沉降值的差异。沉降场的反演值沉降的等高线图中可以看到在图10 (c)。

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图10
反演沉降,沉降的轮廓。(a)表面观测数据来自DInSAR和抵消跟踪覆盖在反演结果,(b)反演结果,(c)沉降反演的轮廓。

两个部分(称为纵向剖面和横剖面图11 (b))在垂直和水平方向的沉降。部分包括centimetre-level DInSAR采空区边界变形监测,中央metre-level变形抵消跟踪监控,和沉降场的反演剖面。此外,采空区的地表沉陷剖面,如图(11日)和11 (c)。数据(11日)和11 (c)表明,观测值(红点)反演沉降曲线的拟合程度高。进一步分析沉降值的拟合精度和反演值的观测沉降点,所有观测点的监测值替换为一个概率积分模型来计算相应的反演值和残余的反演计算值和观测值。拟合确定系数 也计算,高系数 表明,观测值和反演值拟合程度高。结果表明,反演的采空区沉陷基于概率积分模型具有较高的可靠性。因此,概率积分函数可以用来评价采空区沉陷和恢复沉陷领域的任何点的沉降值。

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图11
分析沉降拟合。(a)包含观测和沉降纵向剖面反演值,(b)位置的纵向和横向剖面上覆的反演结果,和(c)沉降横向剖面包含观察和反演值。

5。结论

更好地监控大规模沉陷在矿业领域,高位移梯度上的干涉图,我们把技术优势DInSAR和offset-tracking方法的研究。这种方法能够提取微尺度沉降采用DInSAR边界信息,它可以映射大幅度变形在中央矿山采用offset-tracking技术。我们结合两种相位和强度信息的SAR图像观察模式和沉降的特点。我们使用PIM模型恢复完整的空间矿区沉陷字段。主要得到如下结论:(1)我们使用DInSAR提取采空区沉陷矿业盆地的边界,和-0.01沉降计算中使用。长期(289天)采空区的地表沉陷规律和振幅(2)为了弥补的缺点在测量高阶段DInSAR梯度和大幅度变形在采空区的中心,我们使用offset-tracking方法生成中央下沉。地表沉陷之间几乎是-1.0米和-4.0米。最大沉降达到~ 4.0 m,通常在协议的最大沉降-4.0到-5.0米的现场调查。沉降观测从抵消跟踪也符合~ 4.478米的峰值开采沉陷值几乎相同的矿区由风扇et al。50)使用11 terrasar - x SAR图像从2012年12月13日到2013年4月2基于亚像素offset-tracking方法。它也同意王的offset-tracking测量et al。51)获得了~ 4.5 m的最大沉降值使用terrasar - x在同一时期内的影像资料。边界从DInSAR和中央沉降沉降抵消跟踪拟合的概率积分函数模型(拟合系数 是0.978)(3)我们的研究结果表明,结合DInSAR offset-tracking技术可用于地表沉陷受到严重的解相关地图由于高沉降大小和大变形梯度在这些领域。PIM模型可以恢复整个沉降。结合DInSAR和offset-tracking开采沉陷测量技术是一种实用工具。有效的监测开采沉陷有潜力作为地质灾害评估的一个重要参考在矿业领域,矿山地质灾害的预防,矿区生态修复。

数据可用性

使用的数据来支持研究是根据客户要求提供相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢AJE®(美国专家》杂志有限公司)在提高她的英语编辑稿件的质量。这项研究是由中国国家自然科学基金联合资助(批准号41701515),国家自然科学基金和神华煤炭工业集团有限公司有限公司(批准号U1261106和批准号U1261206)和地震动力学国家重点实验室(批准号LED2018b04)。