基于StaMPS技术的矿区开采沉陷监测与分析

李　达，邓喀中，陈　华，杨俊凯，高明章

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116；3.兖州煤业股份有限公司 兴隆庄煤矿，山东 兖州 272102)



基于StaMPS技术的矿区开采沉陷监测与分析

李达1，2，邓喀中1，2，陈华1，2，杨俊凯1，2，高明章3

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116；3.兖州煤业股份有限公司 兴隆庄煤矿，山东 兖州 272102)

针对DInSAR技术易受时空失相关、大气相位延迟等影响的问题，采用StaMPS方法对12景ALOS PALSAR 数据进行时序处理。首先获取了采动区边缘区域2012-2014年的非线性时序沉降量，在工作面边缘地区走向方向和倾向方向各选取若干点，提取各点的时序沉降量进行时序分析，掌握了采动区在不同时间段里的地表下沉情况。实验表明StaMPS技术可为矿区的开采沉陷监测与分析提供新的手段。

StaMPS技术；开采沉陷；非线性沉降；时序分析；形变监测

我国是一个缺油、少气、富煤的国家，煤炭在我国一次性能源结构中处于主要位置，但煤炭资源大规模、高强度开采一方面促进了国民经济建设，另一方面由此所引起的地表沉陷和环境灾害问题也日益突出[1]。为了应对矿区开采引起的环境灾害问题，需要对采动区地表进行变形监测，通过变形监测研究开采沉陷规律，采取合理的技术措施，减轻采动对环境的影响[2]。

合成孔径雷达差分干涉测量技术(DInSAR)可以监测到毫米级的形变量，该技术已经被国内外学者应用到矿区变形监测方面[3-4]。但由于DInSAR技术受时空失相关、大气延迟的影响，制约了该技术在形变监测中的应用，时序SAR技术应运而生[5-6]。StaMPS技术可以克服时空失相关、大气延迟的影响，应用数量有限的影像得到毫米级的时序沉降量[7-8]。

依据徐州市某煤矿开采进度与工作面的关系，应用StaMPS技术对2012-2014年12景ALOS PLASAR数据进行处理，获得了采动区边缘的时序沉降值，并分析时序沉降值和开采工作面进度的关系，得出StaMPS技术可以为矿区的开采沉陷监测与分析提供新的手段。

1　StaMPS技术简介

StaMPS技术是由斯坦福大学的Hooper等人提出，该技术核心思想是认为在稳定散射点(PS)的雷达回波中，信号和噪声可以通过一定时空滤波手段加以分离，利用这一特性，StaMPS算法不需要假定特殊的形变模型，直接通过三维相位解缠来获取地表形变信息[9]。StaMPS技术处理过程大致可分为：干涉图的生成与差分处理、相干系数的计算、稳定散射点选取与形变量估计[10]4个步骤：

(1)干涉图的生成与差分处理选取主影像，生成主影像和各副影像的干涉图，再将干涉图和DEM反演的相位进行差值，得到差分干涉图。

(2)相干系数的计算先通过振幅离差阈值法初步选取一些PS候选点，将这些PS候选点编码转换到规则格网上，滤除与空间相关的相位，然后利用参数空间粗搜索方法来估计垂直基线相位，使时间相干系数达到最大。

(3)稳定散射点选取通过概率积分方法求出相干系数阈值γ*的值，当PSC的相干系数γx大于γ*时，即被选为PS点，反之，则被认为是非PS点。

(1)

式中，p(γx)为所有散射点的概率密度函数；pr(γx)为非PS点的概率密度函数；pps(γx)为PS点的概率密度函数；α为取值范围0～1的未知数；q为一个预警值。

(4)形变量估计将估计出来的垂直基线相关相位从原始干涉相位中去除后，对选取的PS点进行三维相位解缠，然后通过最小二乘法求出主影像的大气相位和轨道误差相位，再对剩下的相位进行时间域的高、低通滤波器，即可分离出形变相位。

2　研究区域概况及数据处理

2.1研究区域概况

研究区域为徐州市某煤矿，在2012-2014年期间，该区域有2个工作面，一个是2014年开采完的7123工作面，该工作面长1040m，宽157m,开采标高-1000m左右，煤层平均采厚3.62m，开采方向自西向东。另一个是2011-2014年期间开采的9115工作面，该工作面长2000m，宽170m，开采标高-730m，煤层平均采厚4.5m，开采方向也是自西向东。研究区域和工作面的关系如图1。

图1　研究区域PS点选取结果

2.2实验数据

实验选用12景覆盖实验区的ALOS PALSAR数据，该数据为L波段，影像的中心入射角为38°，方位向和距离向的分辨率分别为7.489m和3.075m。差分干涉中所用的DEM是30m分辨率的外部DEM数据。根据垂直基线和时间基线选取2013年2月25日获取的影像作为主影像，干涉影像详细信息如表1所示。

表1　研究区PALSAR数据

2.3数据处理

(1)在Ubuntu系统下利用脚本文件对12幅影像进行基线计算，选取2013年2月25日影像为主影像，然后将其余影像和主影像进行配准，最后利用30m分辨率DEM进行差分，得到差分干涉图。

(2)PS点处理。以振幅离差阈值0.4选取PS候选点；通过迭代方法计算相干系数γx，进而估算出PS候选点的相位噪声；利用概率公式(1)挑选出PS点；剔除易受邻域干扰和相位噪声低的PS点；去除空间非相关视角误差；对PS点进行三维相位解缠；最小二乘法估算主影像空间相关视角误差、大气误差和轨道误差；时空滤波手段得到沉降相位。

3　结果分析

3.1PS点选取结果分析

研究区域PS点选取结果如图1。通过StaMPS方法在研究区域一共选取了62000多个PS点，这些PS点在城市地区分布比较密集，在农田地区分布相对稀疏，在积水区没有，说明选取的PS点还是很可靠的，如图1显示。但因为7123工作面在农田里面，所以工作面上选取的PS点较少，而9115工作面上面有积水，所以9115工作面的正上方没有选取到PS点，只有在工作面西面下沉区域的边界选取到一些PS点，后续将对这些PS点进行时序沉降分析。

3.2PS点的时序沉降图

PS点的时序沉降图如图2所示。

图2(a)～(k)所示为实验区域2012年1月8日至2014年10月16日用StaMPS方法得到的累计沉降图。从图2(a)～(c)可以看出研究区域有轻微的下沉情况，但下沉值并不是很大，这是因为在2011年至2012年期间，工作面距离研究区域约1000m，由于距离工作面较远，所以对研究区域的影响较小。随着工作面的推进，工作面离研究区距离越来越近，所以2013年的下沉值有了显著的变化。在2014年期间，工作面离研究区域最近，沉降值变化明显，最大沉降值达到244mm。整个过程监测到的沉降量值较小，主要因为大部分PS点分布在工作面边缘的缘故。

图2　PS点的时序沉降

为了进一步分析开采沉陷的变化规律，在研究区域走向和倾向方向各布设1条观测线，如图1所示，在走向和倾向各提取10个观测点的值，分析其地表沉降规律，沉降曲线见图3。

图3　走向和倾向沉降曲线

通过分析图3(a)走向沉降曲线可知，在2012年至2013年期间各点沉降值变化不超过10mm，最大下沉值约为60mm，表明在2013年1月之前，研究区域沉降很缓慢，开采引起的沉降较小；在2013年1月至2月沉降值的变化最大可达40mm，最大沉降值为90mm，表明随着工作面的推进，研究区域的沉降不断变大，沉降速度也在增加；在2013年7月至8月期间，地面沉降量出现很大变化，最大沉降值达到150mm,并且随着工作面不断推进，地面沉降值不断变大，最大沉降值约为240mm。在倾向沉降图上，提取点的沉降值分别在2013年2月和2013年8月有很大变化，分别增加约20mm和30mm，这和走向点的沉降变化规律是一致的；所有提取点都随着工作面推进，沉降值不断变大，Q1点在2012年至2014年，沉降值从35mm增大到150mm。同一时间段内，倾向点沉降值变化不大，都在一定范围波动，在2012年2月至2013年1月，倾向点沉降值大约在40mm波动。

4　结　论

针对传统的D-InSAR方法时空失相关等问题，利用StaMPS方法对12景ALOS影像进行处理，得到矿区采动区的时序沉降图，并监测到其边缘最大沉降值244mm。根据时序沉降图分析了不同时段工作面推进对地面沉降的影响，根据走向和倾向沉降曲线，对各时间段沉降规律进行量化分析，结果显示采动区在2013年2月和2013年8月沉降值有较大变化，分析结果符合开采沉陷规律，即离工作面距离越近地面沉降值越大，并随着开采时间不断变大，表明 StaMPS技术可成为监测分析矿区开采沉陷的新手段。

[1]陈炳乾.面向矿区监测InSAR研究与应用[D].徐州：中国矿业大学，2014.

[2]何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[3]邓喀中，姚宁，卢正，等.DInSAR监测开采沉陷的实验研究[J].金属矿山，2009(12): 25-28.

[4]范洪冬.InSAR若干关键算法及其在地表沉降监测中的应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2010.

[5]陈强.基于永久散射体雷达差分干涉探测区域地表形变的研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[6]罗小军.永久散射体雷达差分干涉理论及在上海地面沉降监测中的应用[D].成都：西南交通大学，2007.

[7] Hooper A，Zebker H，Segall P，et al.A New Method for Measuring Deformation on Volcanoes and Other Natural Terrains Using InSAR Persistent Scatterers[J].Geophysical Research，Letters，2004，31(23).doi: 10.1029/ 2004GL021737.

[8] Hooper A，Segall P，Zebker H.Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar for Crustal Deformation Analysis，with Application to Volca′n Alcedo，Gala'pagos[J].Journal of Geophysical Research，2007，112 (B7).

[9]廖明生，王腾.时间序列InSAR技术与应用[M].北京：科学出版社，2014.

[10]赵峰，汪云甲，闫世勇.时序InSAR技术地表沉降监测结果可靠性及沉降梯度分析[J].遥感技术与应用，2015(11)：969-979.

[责任编辑：王兴库]

Mining Subsidence Monitoring and Analysis Based on StaMPS Technique

LI Da1,2，DENG Ka-zhong1,2，CHEN Hua1,2，YANG Jun-kai1，2，GAO Ming-zhang3

(1.School of Envoriment Science and Spatial Informatics，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Resources & Environment Information Engineering，Xuzhou 221116，China；3.Xinglongzhuang Coal Mine,Yanzhou Coal Industry Co.，Ltd.，Yanzhou 272102，China)

DInSAR technology could be influenced by time-space correlation，atmosphere phase delay and so on，then 12 pairs of ALOS PALSAR data was manged with time processor based on StaMPS technology.First，nonlinear time sequence subsidence data of marginal area of mining area belong years 2012 to 2014 were collected，many points that along strike and dip direction in marginal area of working face were selected，time sequence subsidence volume of all points were managed with time sequence analysis，surface subsidence situation of different time in mining area were mastered.The experiment showed that StaMPS technology provide a new method for mining subsidence monitoring and analysis.

StaMPS technology；mining subsidence；nonlinear subsidence；time sequence analysis；deformation monitoring

2016-04-01

国家自然科学基金项目(41272389)；测绘地理信息公益性行业科研基金项目(201412016)

李达(1989-)，男，辽宁鞍山人，硕士研究生，主要从事InSAR技术在矿区中的形变监测研究。

TD327

A

1006-6225(2016)05-0071-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.020

[引用格式]李达，邓喀中，陈华，等.基于StaMPS技术的矿区开采沉陷监测与分析[J].煤矿开采，2016，21(5)：71-74.