PS-InSAR监测矿区建筑物及道路动态沉降安全分析*

2022-10-17 01:17杨可明丁鑫铭侯志贤李艳茹李亚星
中国安全生产科学技术 2022年9期
关键词:水准测量阈值工作面

王 爽,杨可明,丁鑫铭,侯志贤,李艳茹,李亚星

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

0 引言

我国煤矿开采分为露天煤矿开采和井下煤矿开采,井下煤层开采会破坏地下岩层结构并引发矿区地面沉降[1],对地表建筑物和道路等建(构)筑物造成不同程度损坏,严重情况下会导致倒塌、断裂等,威胁着矿区居民人身安全,因此,有必要对煤矿开采活动期间和之后的地表沉降进行监测,以掌握和预警实现的或潜在的采动损害[2]。

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术的应用克服了传统观测方法存在的不足。2000年,Ferretti等[5]首次提出永久散射体(Persistent Scatterer,PS)的概念及原理,后续不断有国内外学者将PS-InSAR监测技术应用于各种工程领域[6-8],2004年,李德仁院士等[9]率先发起国内针对永久散射体的研究。PS-InSAR技术的核心是识别具有稳定雷达散射特性的点目标,即永久散射体(PS点),在PS点识别研究方面,Ferretti等[5]在原理中提出振幅离差指数方法,利用振幅阈值法挑选出高振幅值的像素作为PS候选点;Berardino等[10]提出将2幅影像干涉的相干系数作为阈值筛选PS点;陈强等[11]融合振幅离差指数方法和相干系数阈值方法,基于双重阈值指数法PS-InSAR技术监测上海市的沉降情况;朱茂[12]在振幅离差指数方法的基础上利用相位信息对PS点进行二次筛选。以上研究表明,单一的PS点筛选方法存在不足,双重阈值指数法可提高PS点的识别精度。在此基础上,本文针对高散射特性点在图像上表现高强度的性质,认为这种强度信息也可作为识别PS点的1个指标。

虽然PS-InSAR技术较适合于城市内地表、建筑物等的沉降监测[13-16],但在煤矿区地表沉降变形监测中的研究相对较少[17-19],针对矿区的建筑物和道路沉降变形监测研究就更少。本文提出1种结合时序相干系数阈值、振幅离差指数(Amplitude Dispersion Index,ADI)阈值和强度信息阈值的三重阈值法PS点识别方法,依据哨兵1号A星(Sentinel-1A)的雷达图像数据,实现基于PS-InSAR技术的矿区地下煤层工作面采动影响下地表沉降活跃期、开采结束2个月后地表沉降衰退期的地面沉降以及地表建筑物和道路的沉降规律监测,并结合现场实测的水准测量数据进行可行性验证。

1 理论方法

1.1 PS-InSAR技术

PS-InSAR技术的思想是建立在相干性高的永久散射体上,将InSAR技术扩展到多时相的数据,能更好地进行估计并去除大气效应。PS-InSAR的关键思路是采用单一主影像法,选择1幅影像作为主影像,将其他影像配准到主影像空间,N+1幅影像可以形成N个干涉对。每个干涉对的每个像元是由多个相位分量组合而成,如式(1)所示:

φ=φref+φtop+φdef+φatm+φnoise

(1)

式中:φ为由干涉像对生成的干涉相位;φref为参考椭球面引起的相位;φtop为地面起伏引起的地形相位;φdef为地表沉降引起的雷达视线(Line of Sight,LOS)方向形变相位;φatm为大气效应引起的延迟相位;φnoise为随机噪声引起的误差相位。

经过精密轨道数据和DEM数据可以去除参考椭球面相位和地形相位。大气延迟相位和噪声在时间域和空间域的表现特性不同,可以以此被分离出来。

1.2 三重阈值法PS点识别方法

融合时序相干系数阈值、振幅离差指数(ADI)阈值和强度阈值三者相互约束来识别具有稳定雷达散射特性的PS点目标。PS点粗略筛选-相干系数阈值法通过空间窗口估计区域相干性,如式(2)所示:

(2)

式中:γ表示相干系数;i,j表示像元坐标;M,S表示构成干涉对的两景SAR影像;*表示复数共轭算子;m,n分别表示局部窗口总行数和总列数。

最后,计算每个像元的时序相关系数均值,设置合适的时序相干系数阈值粗筛选PS点。

利用ADI阈值进一步精选PS点,如式(3)所示:

(3)

在时序相干系数粗筛选出的PS候选点后,设置Damp的阈值,精选PS点。

(4)

式中:Im为像元的在每幅影像中的强度值;M为影像的数量。

基于式(2)~(4)筛选出满足需求的PS点,分析地下煤层工作面采动影响的地表沉降活跃期以及开采结束2个月后地表沉降衰退期的地面沉降和地面建筑物、道路的沉降规律。

2 研究区概况与研究数据

2.1 研究区概况

研究区位于安徽省淮北市郊某煤矿工业广场北部保护煤柱区,该区域设计开采3个工作面,分别为311工作面、513工作面以及工广煤柱工作面,截至2021年1月23日仅开采311工作面。开采时间为2018年2月9日—2019年7月27日。311工作面走向长570 m,倾向长240 m,该工作面整体呈单斜构造,煤层走向近NE向,倾向近NW向,煤层倾角平均为10°,属较稳定煤层。工作面采深191~312.5 m,研究区地理区域与采煤工作面位置如图1所示。对311工作面进行概率积分预计,得到主要塌陷区,如图1所示,包含311及513工作面近长方形虚线框为塌陷区边缘。

图1 研究区地理位置与开采工作面井上下对照Fig.1 Geographical location of studied area and surface-underground comparison of mining face

2.2 研究区数据

欧空局(European Space,ESA)于2014年发射的Sentinel-1A卫星重访周期仅为12 d,在煤矿区开采的大梯度形变监测上有较大优势。在研究区井下311工作面停采(2019年7月27日)2个月后,地表沉降处于下沉衰退期,故选择研究区2018年7月14日—2019年9月7日间29景Sentinel-1A雷达图像用于分析在311工作面开采沉降活跃期的沉降速率和变形,以及2019年9月7日—2021年1月23日间43景雷达图像用于分析在311工作面停采2个月后地表沉降衰退期的沉降量变化规律。513工作面开采时间为2021年3月16日,工广煤柱工作面未开采,故对311工作面沉降监测并无影响。同时利用311工作面地表的31个水准观测点实测水准数据进行PS-InSAR技术监测结果精度验证。

3 地表动态沉降规律分析

3.1 研究区PS点获取与沉降速率分析

对2个时间段的影像进行辐射校正,计算辐射均值,查看当振幅离差指数设置为0.4~0.7的取值时,PS-InSAR技术得到的PS点分布结果,发现当阈值设置较小时,研究区内几乎没有识别到PS候选点,说明研究区的PS点幅度稳定性较差,因此,提高阈值数值,设置阈值指数为0.65时,PS目标点明显增多,为保证PS候选点质量,不再增大阈值,此时加入相干系数阈值。计算研究区的相干系数,主要集中在0.7~0.9之间。设置相干系数阈值为0.8,研究区的PS候选点数目分布稀疏,不能反映一定范围的沉降,故尝试降低相干系数阈值为0.7,PS候选点明显增多,不再降低相干系数阈值,但水体出现PS点,加入强度阈值为9.5,对PS候选点进一步进行筛选,强度值较低的水体中PS候选点直接被剔除。采用融合相干系数阈值、ADI和强度信息阈值的三重阈值方法筛选出研究区域内稳定的PS点,如图2所示。在图2(a)中共有20 485个PS点,图2(b)中共有17 579个PS点。另外,在距离工作面采空区西侧450 m路南的一厂棚位置探测到PS点沉降速率较大,分析其原因可能是钻孔揭示该处地下有流沙层而造成地下水位多变引发的,因此,该厂棚位置及其北部的道路上PS点,在后继研究分析中都被舍弃。

图2 工作面开采下地表动态下沉期间的地面PS点分布及其下沉速率Fig.2 Ground PS points distribution and their subsidence rates during surface dynamic subsidence period of working face mining

3.2 采区道路沉降速率及累积沉降分析

3.2.1 工作面开采沉降活跃期的沉降分析

在工作面开采沉降活跃期所获取的地表沉降PS-InSAR监测结果中,提取到311工作面周围主要道路上157个有效PS点,如图3所示。可以看到靠近工作面的东西大道及工作面南部的道路沉降速率较其他道路较大,能识别到的最大沉降速率为-26 mm/a。距离工作面250 m的电厂内道路,平均沉降速率-4 mm/a。在图3(b)中最大沉降值点是在东西大道距离工作面不足10 m的PS点,最大沉降值为-33 mm。电厂内道路平均下沉值-5 mm。以上分析可见,道路的沉降值呈现离工作面越近沉降值越大的规律。

图3 工作面开采沉降活跃期的地面道路沉降监测Fig.3 Monitoring of ground roads subsidence in active period of mining subsidence of working face

3.2.2 工作面开采沉降衰退期的沉降分析

在311工作面停采2个月后地面沉降衰退期所获取的地表沉降PS-InSAR监测结果中,提取到311工作面周围主要道路上138个有效PS点,如图4所示。在图4(a)中,显示工作面西面道路下沉速率快,最大下沉速率达-24 mm/a,分析原因可能是在距离工作面采空区西侧450 m路南的一厂棚位置处不明沉降造成的影响。距离该工作面南部250 m的电厂内道路平均下沉速率为-2 mm/a。在图4(b)中,显示能监测到受311工作面开采影响的道路最大下沉值为-38 mm,电厂内道路平均下沉值为-2 mm,二者的沉降值都明显小于开采沉降活跃期的沉降值。

图4 工作面停采后地表沉降衰退期的道路沉降监测Fig.4 Monitoring of roads subsidence in recession period of surface subsidence after stop mining of working face

3.3 采区建筑物沉降速率及累积沉降分析

3.3.1 工作面开采沉降活跃期的沉降分析

以311工作面南部5处主要建筑物(如图5中所示的民宅、工棚、电厂晾水塔、电厂机房和煤矿工广建筑)为研究对象,分析该工作面开采对地表周围建筑物的采动影响。最大下沉速率PS点是在距311工作面西侧边界100 m的民宅处,平均下沉速率为-19 mm/a,平均下沉值为-18 mm。最重要的建筑物是位于电厂内的晾水塔和机房等,晾水塔平均下沉速率为-5 mm/a,平均沉降值为-5 mm;电厂机房平均下沉速率-4 mm/a,平均下沉值为-5 mm。

图5 工作面开采沉降活跃期的地面建筑物沉降监测Fig.5 Monitoring of ground buildings subsidence in active period of mining subsidence of working face

3.3.2 工作面开采沉降衰退期的沉降分析

在311工作面停采2个月后地面沉降衰退期所获取的地面沉降PS-InSAR监测结果中,提取到5处重要建筑物的PS点,如图6所示,共识别到307个PS点。下沉速率最大的建筑物是工作面西侧边界处的民宅,平均下沉速率-13 mm/a,平均下沉值为-19 mm。重点关注的电厂晾水塔平均下沉速率为-4 mm/a,平均下沉值为-6 mm,电厂机房平均下沉速率为-1 mm/a,平均下沉值为-2 mm。

图6 工作面停采后地表沉降衰退期的地面主要建筑物沉降监测Fig.6 Monitoring of ground main buildings subsidence in recession period of surface subsidence after stop mining of working face

4 精度验证

矿区水准观测点位置如图7所示,水准点分3条道路布设,共布设31个水准观测点,分别为A1~A7,B1~B7以及C1~C17,其中C10,C11,C13和C14分别是位于晾水塔和电厂机房周围,其他水准点位于道路上,点位的布设能较吻合地用于验证建筑物、道路的PS-InSAR技术监测精度。

图7 水准点位布设Fig.7 Layout of leveling points

分别对沉降活跃期、沉降衰退期的水准测量累积下沉值与PS-InSAR监测沉降值进行对比,如图8所示。由图8(a)可以看出,地表沉降活跃期的A4点出现断崖式下沉,从曲线走向来看,该点下沉值明显有错;A1~A7点水准测量的下沉值与PS-InSAR的监测沉降值相差较大,C1~C17点水准测量下沉值与PS-InSAR监测沉降值吻合较好;剔除A4水准点,得到两者的均方根误差RMSE为25 mm。由图8(b)可以看出,地表沉降衰退期的B6点出现断崖式下沉,认为数据有误,且在地表沉降衰退期观测数据中A2,A3,A5点没有水准观测值(可能后期测点被破坏),故剔除这4个水准点后,水准测量下沉值与PS-InSAR监测沉降值较吻合,特别是C4~C9点,误差小于1 mm;在最大下沉点处相差3 mm;剔除B6,A2,A3,A5水准点,得到两者的均方根误差RMSE为3 mm。结合图8(a)和图8(b)可以看出,PS-InSAR技术在矿山工作面开采沉降衰退期的监测效果要比在工作面开采沉降活跃期的监测效果更好。

图8 水准测量与PS-InSAR监测下沉值对比Fig.8 Comparison on subsidence values of leveling measurement and PS-InSAR monitoring

为进一步验证在工作面停采后地表沉降衰退期PS-InSAR技术的沉降监测精度,将PS-InSAR监测的与水准测量的下沉值做回归分析,如图9所示。回归系数R2达到了0.908 59,说明利用PS-InSAR技术监测煤矿采区地表、建筑物和道路的沉降具有可行性和有效性。

图9 水准测量值与PS-InSAR监测值线性拟合Fig.9 Linear fitting of leveling measurement and PS-InSAR monitoring values

5 结论

1)提出基于时序相干系数阈值、振幅离差指数(ADI)阈值和强度信息阈值的三重阈值法PS点识别方法,该方法能够改善PS-InSAR技术在城市郊区煤矿的工作面开采影响下采空区周边地表、建筑物和道路的PS候选点的稳定性。

2)依据PS-InSAR技术监测结果和水准测量数据的精度验证分析,揭示在矿区工作面开采下地表沉降活跃期因地面的大梯度沉降,利用PS-InSAR技术监测工作面采空区上覆地表的沉降存在一定误差,监测离工作面一定距离的建筑物和道路的沉降具有一定的准确性;在工作面停采后的地面沉降衰退期,PS-InSAR技术监测地面、建筑物和道路沉降的监测效果和监测能力都较好,应用到研究区时监测结果与水准测量数据拟合后其回归系数R2能达到0.908 59。

3)利用PS-InSAR技术监测矿区开采影响范围的周边地表、建筑物和道路等沉降具有可行性和有效性,为矿区人民的生产生活安全提供一定科学依据。

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