张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体项目技术浅析

桑秀明

摘要：本文对张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体监测示范项目技术进行了总结探讨。

关键词：煤矿区地面沉陷；雷达卫星数据；国产高分辨率遥感影像数据；地面传感器；星地一体监测

1.项目的来源、目的

河北省是矿业资源大省，自然地质灾害也频发。河北省第二测绘院根据在地质灾害变化遥感监测中的技术优势，向省国土资源厅申请立项了“张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体监测示范”项目。本项目的主要工作目标是：以张家口蔚县煤矿区的崔家寨矿和单侯矿为示范区，通过高分辨率卫星雷达遥感影像差分干涉数据处理自动提取地面沉陷变化信息、资三卫星面向对象的遥感影像变化监测技术研究、布设用于地质灾害动态实时监控的地面地质环境传感网、多源数据挖掘及智能算法GIS功能开发，来构建星、地一体化的监测示范系统平台，实现地质灾害监测和风险损失评估分析。

本项目利用雷达卫星数据、国产高分辨率遥感影像数据、地面传感器，以及收集到的各种专业资料，完成了蔚县煤矿示范区域内的高分辨率卫星遥感影像周期性监测和地面传感网常态性监测等工作，构建了地面沉陷星地一体化的监测技术体系。并以此来完成对采矿引起的突发性地面沉陷、地表形变、山体坍塌等有效监测，实现了地面沉陷管理的感知立体化、信息可视化、控制自动化和监管常态化，提高了地面沉陷监管水平。在张家口市蔚县崔家寨和单侯煤矿矿区进行应用示范，推进星空地一体化监测技术在矿山地质环境监测领域的应用。

2.完成的主要工作内容

1）、地面沉陷卫星遥感监测数据的获取和处理

项目使用了德国TerraSAR-X雷达卫星SAR数据20景（2015年6月～2016年1月、条带式、降轨、右视、空间分辨率3m、重访周期11天），进行了矿区沉陷差分干涉监测D-InSAR数据处理和分析，提取了地面沉陷位置，制作了相关沉陷监测图件。

项目使用了高分一号卫星（2013年3月、7月、9月、11月）、资源1号02C卫星（2014年2月、7月、9月、11月）、资源三号卫星（2015年2月、3月、7月、11月）的多光谱和全色影像数据54景，进行了矿区土地利用变化检测和生态环境地表覆盖分类研究，建立了矿区环境承载力评价指标体系并制作了相关监测图件成果。

2）、地面沉陷传感网的布设和监测

在单侯矿和崔家寨矿区域80 Km2范围内，选择了2处监测区域，分别布设了传感器网络（其中单侯矿布设30点，崔家寨矿布设30点，共埋设监测点63个，角反射器10个）；传感器网络通过太阳能供电和无线组网连接实时连续不间断进行了监测，并远程与服务器、数据库系统进行连接和实时数据处理、预警。

3）、地面GPS及水准连续观测

本项目对布设的监测点（按11天的卫星过境周期）同步进行了18次三等水准测量，每次水准测量对各传感器进行了监测，各次水准路线平均长度约60Km，按要求进行了平差计算，得到了各点的沉降量及统计数据。

4）、星地立体化地面沉降监测技术和风险损失评估信息平台的建立

采用MicroSoft SQL Sever对实验区域基本基础地理信息数据、传感器网络监测数据、InSAR遥感监测数据、资源三号卫星高分辨率遥感监测数据进行数据库管理；使用ArcGIS Server作为GIS开发组件，采用C#、.Net等高级程序设计语言开发C/S架构的“张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体监测风险损失评估信息平台”。同时，也开发了基于Android系统（手机、PDA等设备）的“实时预警系统”，实现了实时进行传感器状态监听服务和预警信息的推送。

3.完成的关键技术研发

3.1 地质环境“星地”立体化监管关键技术研发

构建以高分辨率卫星遥感的周期性宏观监测，建立以地质环境传感网为辅助的地面常态性实时监测的“星地”立体化监管技术体系。建立基于高分辨率光学遥感影像、InSAR遥感影像和航空遥感影像立體建模技术的一体化监测体系，实现遥感影像与地质环境传感器系统无缝集成。

3.2 基于地面沉陷传感网的重点区域地质灾害持续监测技术

在蔚县崔家寨矿和单侯矿范围内的煤矿区进行重点区域的地面沉陷监测，搭建和布设地面沉陷传感器网络。根据信号和实际布置环境，传感器可以设置不同的环网和密度，一般为每2500平方米布设一个，每个矿区根据重点区域面积进行布设和监控，计划布设63个传感器。通过传感器，实现地质灾害的监测和预测。

3.3 建立地面沉陷星地一体化监测示范系统平台

通过在蔚县示范区的实地监测，对示范区的自然地质灾害多发区、工矿集中区开展地质灾害监测和风险损失评估的应用示范或试验。通过智能算法自动识别地质灾害类型、面积、损失情况等信息，提高监测精度。建立基于GIS的灾损信息系统平台，实现星地立体地质灾害风险损失评估分析。

4.总结

项目以张家口蔚县煤矿区的崔家寨矿和单侯矿为示范区，全面开展地面沉陷星地一体化监测，深入研究地面环境传感网技术的应用，重点开展地面沉陷变化信息自动提取技术、基于资源三号卫星的遥感影像变化监测技术及传感器网络构建三个方面的研究，开展了地质灾害动态实时监控的地面地质环境传感网的布设、星地一体化的监测示范系统平台、风险损失评估平台的研发。同时提出卫星遥感与地面传感器网络协同监测模式。主要是卫星遥感提供大范围、连续范围、间隔观测，地面传感器网络提供空间离散、小范围、时间连续观测数据，根据监测需要，选择和组合相应的观测数据与信息。并提出煤矿井工开采区星形连结的面状传感器网络布设方案，在人工建（构）筑物及地面沉降区等重点区域布设静力水准仪、温湿度等传感器。在项目的实施过程中，静力水准仪可以对点位数据进行实时监测，按照11天为一周期的时间间隔监测可以看出相对沉降精度在毫米级别，并与实测水准数据进行比对，得出静力水准仪监测精度达到毫米级；而雷达影像可以大范围直观的看出区域内沉降中心的转移情况，从雷达影像干涉条纹图可以看出沉降中心从麦子坡村示范区的南部开始往西北部和西南部移动，而且随着时间的推移，崔家寨煤矿区的沉降速率加快，并且与实测水准数据进行比对，得出雷达数据监测精度达到厘米级，满足项目要求。

1）针对蔚县崔家寨矿和单侯矿范围内的煤矿区实际情况，监测研究区位移、形变、应力、土壤温湿度等参数，搭建和布设地面沉陷传感器网络，布设42个温度传感器、42个湿度传感器、22个三轴传感器、22个加速度传感器、22个陀螺仪传感器、22个气压传感器、20个拉线传感器及20个静力传感器，共布设214个传感器，并绘制1：2000传感器网络实地布设位置图。

2）研究了矿山地质环境信息提取及生态评价关键技术，利用20景雷达影像，影像范围为531平方公里，提取地表形变信息，并绘制1：10000煤矿区地面沉陷InSAR图及煤矿区地面沉陷卫星InSAR监测动态演示图；利用54景光学影像，影像范围为154.6平方公里，进行多时相变化监测、地表覆盖分类及生态环境评价等分析研究，并绘制1：10000地面沉陷区卫星遥感反演生态环境图及地表覆盖类型图。

3）开发了张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体化监测系统、张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体监测传感器监听系统及张家口蔚县煤矿区地面沉陷星地一体综合分析系统，实现传感器状态实时监测，实时监听，地质灾害预警，并将遥感影像与地质环境传感器系统无缝集成。

4）结合矿山地质灾害监测要求，以相关国家和行业规范为依据，建立地面沉降灾害预警预测相关规程。构建湿度/位移变化模型、湿度/姿态变化模型及湿度/静力水准沉降变化模型三种灾害预警监测模型。结合相关研究及实地情况，在湿度/位移变化模型，位移值阈值设置为6mm，当水平变形大于6mm/m时，建筑物的损坏程度为极度严重损坏。在湿度/姿态变化模型，模型阈值为姿态角3%，当姿态角大于3%时，仪器设备的姿态变化过大，超出正常范围，存在塌陷的可能。在湿度/静力水准沉降变化模型依据地表下沉速度可划分为初始期、活跃期和衰退期 3个阶段，初始期的地表下沉速度小于1.67mm/d，而活跃期的沉降速度大于1.67mm/d。

5）在张家口市蔚县崔家寨和单侯煤矿矿区进行应用示范，并初步完成星空地一体化地质环境监测综合应用的目标，形成煤矿区星地一体化监测技术实施方案，为后期矿山地质环境监测工作提供技术支持。

6）項目应用效益：实现煤矿区地面沉陷监测技术模式上的重大创新，提高了监测效率，降低工作量；地面沉陷预警模块应用极大地改变了传统预警方法，提高预警效率，提升预警精度。通过预警模块，使得地面沉陷造成的经济损失、人员伤害等降到最低，创造了社会效益；生态环境评价模块的应用降低了工作人员野外考察的工作量、简化数据处理流程，同时提供生态环境评价结果；简化传统监测模式的工作流程，提高工作效率，减少人工成本，实现降本增效。

参考文献：

[1]王超、张红、刘智.星载合成孔径雷达干涉测量.北京：学出版社，2002；

[2]张锦. 矿山地面灾害精准监测地学传感系统《地球信息科学学报》，2012年06期。