基于D-InSAR技术的矿区地表沉陷监测研究

矿山开采可能诱发各种地质灾害,威胁矿区的社会稳定和居民的生命财产安全,快速准确监测矿区沉陷可有效预防地质灾害。本文以山西省大同煤矿为研究对象,获取2022年10月至2023年3月共13景Sentinel-1影像,基于合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-In SAR)进行地表沉陷监测研究,获取大同煤矿地表累计沉陷量,使用已有研究成果对比验证了本实验结果的可靠性。结果表明,大同煤矿沉陷分布较广,主要分布在大同市南郊区西部以及南郊区、怀仁市、左云县和山阴县四县市交界处,监测期间最大、平均沉陷量分别为381.43 mm、13.88 mm,总沉陷面积约为207.91 km2,根据7个重点沉陷区的时空变化特征及演化规律发现沉陷呈现持续扩张趋势,推断地表沉陷仍会持续较长时间。研究证明了In SAR技术在矿山开采沉陷监测的可靠性,为矿产资源管理工作提供新的技术方法,研究结果可为矿山开采沉陷治理和地质灾害防控提供参考依据。     

时间序列InSAR技术在矿区地表形变监测中的应用

针对露天矿区与城区地表相干性不一的特征,提出一种改进的时序InSAR(合成孔径雷达干涉测量)技术对霍林河矿区及周围城区地表进行形变监测。首先,通过增加时间采样密度控制相干性来筛选矿区周边具备一定相干点密度的干涉数据;其次,采用经过参数优化的分布式散射点选取方法选取分布式目标并使用传统方法提取永久散射体;最后,将分布式目标与永久散射体目标混合构建Delaunay三角网进行两次回归分析得到研究区域地表形变速率。实验结果显示,霍林河矿区边坡最大形变速率达到?630 mm/a,矿区周边道路地面最大沉降速率达到71 mm/a,霍林郭勒市地表沉降速率最大达到15 mm/a,与同期GPS监测结果进行对比,证明改进的时序InSAR技术方法适用性良好,对矿业城市地表形变监测提出了一种新的InSAR监测方法。     

SBAS-InSAR和PS-InSAR技术在鲁西南某线性工程沿线地面沉降成因分析中的应用

地面沉降问题严重影响着鲁西南经济发展区交通工程建设。文中选择某线性工程两侧5 km范围作为研究区,文章收集RadarSAT-2（2017—2020年）、Sentinel-1A（2019—2020年）存档数据和沿线区域地质、水文地质、矿产开发资料,采用时序InSAR分析的方法,对研究区沿线地面沉降分布特征及规律进行综合分析。研究结果表明:研究区主要地面沉降诱因是煤矿采空区塌陷和地下水超量开采,前者以矿区工作面为中心形成沉降漏斗,沉降速率变化和沉降中心移动与煤矿作业工作面挖掘进度和转移密切相关;后者沉降分布规律与地下水开采使用点相关,形成与地下水开采使用范围相近的沉降带。研究区在2017—2020年内持续发生沉降,最大年均沉降速率为136.5 mm/a,单年累计最大沉降量为220 mm。经同期CPI水准点观测结果校核,InSAR数据处理成果平均误差小于1 cm/a,相关系数到达70%以上。本文采用的分析方法能及时准确反映出线路方案穿行研究区内各处地面沉降变化,为线路方案规划和地质灾害整治提供有效合理参考。     

融合分布式散射体时序InSAR技术在矿区形变调查中的应用

为了对河北省承德市滦平县张百湾镇周台子村铁矿区进行形变调查和监测,消除安全隐患,在时序CSInSAR（相干散射体InSAR）技术的基础上,开发了48景Sentinel1数据的DSCSInSAR（融合分布式散射体和相干散射体InSAR）技术。该方法首先采用AD (Anderson Darling)检验对同质像素点进行识别,然后基于协方差矩阵特征值分解算法对最优相位进行估计,最终通过时序形变解算得到铁矿区的地表形变结果。研究结果表明：研究区的年平均形变速率范围为-34.50~24.50 mm/a;大部分矿区都存在不同程度的沉降,其中周台子村和路边附近矿区沉降量较大,窑岭沟矿区出现明显抬升现象,最大沉降量和最大抬升量分别达到了34.00和24.03 mm,其形变结果与当地4个GPS监测点结果一致。与CSInSAR技术相比,DS CSInSAR技术极大提高了目标点的密度和干涉图的质量。     

基于时序InSAR技术的甘肃金川铜镍矿区地表沉降研究

文章采用时序InSAR技术对甘肃省金川铜镍矿区域地表沉降规律开展研究。利用Sentinel-1A干涉影像,基于SBAS-InSAR技术和时序D-InSAR技术,反演2018年1月—11月金川铜镍矿区域地表沉降。经过2种技术结果对比及验证分析表明,2018年矿区有2个沉降漏斗,分别是西二采区5-7行和老矿坑。西二采区5-7行的最大沉降速率为-14mm/a,雷达视线向累积最大形变量为13mm,地面形变呈平稳态势;老矿坑东南方存在明显的沉降,沉降最大速率为-85mm/a,雷达视线向累积最大形变量为78mm。     

基于时序InSAR的西南科技大学地表形变监测与分析

以西南科技大学青义校区为研究区,利用SBAS-InSAR和PS-InSAR对52景升轨Sentinel-1A雷达影像,分别获取了研究区2017年6月至2020年11月的地表形变速率及时序形变量。结合相干性系数、形变速率、方差及标准差对两种时序InSAR结果进行检验对比,从自然、人为因素两方面探讨了研究区地表形变机理与演化过程。结果表明：研究区存在多处显著沉降,最大垂直沉降速率可达15 mm/a,地表形变与学生公寓楼、道路扩建等人为因素有关,地表沉降区与强降雨、岩性及地势地貌关联紧密,地层界线与地表形变不显著相关。相较而言,两种监测结果总体一致性较好,SBAS-InSAR相比PS-InSAR的监测结果稳健性更好。     

基于SBAS-InSAR的安徽省宿州市埇桥区2019—2022年地面沉降监测及影响因素分析研究

随着宿州市城市化进程不断推进,人类工程活动日趋频繁,地面沉降现象愈发显著。为探索沉降变化规律及其主导因素,本文以宿州市埇桥区为例,基于119景Sentinel-1A数据,利用SBAS-InSAR技术获取2019—2022年历年地面沉降的时空分布特征,并对埇桥区各沉降区的主要影响因素进行分析：(1)埇桥区各年平均地面形变速率为-2～4 mm/a,沉降主要分布在西二铺镇、宿州市经济开发区和南部各矿区;(2)城西水源地地面沉降速率为20～40 mm/a,沉降主要受地下水超量开采导致,经济开发区地面沉降速率为10～20 mm/a,沉降主要受人类工程活动影响;(3)埇桥区南部各矿区地面沉降主要受地下煤层开采影响,多年最大沉降速率为30～70 mm/a,芦岭煤矿沉降现象最为严重,多年最大沉降速率达68.1mm/a。研究结果可为埇桥区地面沉降的监测、预警和防治提供理论依据。     

基于Sentinel-1A SAR数据的呼和浩特城区地表形变分析

为了实现对呼和浩特市城区形变监测,采用永久散射体合成孔径雷达干涉测量（PS-InSAR）技术,对2017年3月—2021年4月期间25景呼和浩特市城区Sentinel-1A数据进行时序干涉处理,提取了城区地表沉降信息,并分析了主要沉降中心沉降原因。结果表明：呼和浩特市城区地表存在5个明显的沉降中心,整体地表平均年沉降速率3.65 mm/a,平均累计沉降量为15.50 mm,其沉降主要原因是由于地下水过度开采。Sentinel-1A数据具有时间基线短、影像数量足、数据免费等优点,利于InSAR时序分析,可满足同类城区地表形变监测工作,服务城市安全。     

“空天地”一体化技术在采空区形变监测中的应用CSCD

河北滦平县张百湾镇周台子村由于多年矿山开采遗留下大量的采空区,部分采空区未做任何处理存在塌陷隐患,严重制约当地的经济发展和社会稳定。对该地区采空区形变调查和实地监测十分有必要。文中综合应用合成孔径雷达干涉测量技术、无人机摄影测量技术、三维激光扫描技术对采空区的空间分布进行划分确定和形变监测。首先应用小基线集技术对采空区进行地表形变解算。然后应用无人机数据构建研究区的三维模型,并通过多期无人机航飞数据,计算2次航飞间地表变化,佐证InSAR技术的结果。最后应用三维激光扫描技术,对部分重点区域进行三维激光扫描,建立采空区精细化模型。研究结果表明,三种技术的联合监测结果表现出高度的一致性,其中InSAR技术探测出研究区最大形变速率-25 mm/a,结合2期无人机正射模型DEM与三维激光扫描数据差分结果确定出采空区17处的高风险区域,部分区域对居民区和道路有影响。基于“空天地”一体化技术具有较高的可靠性,可应用于矿区采空区形变调查和地面沉降监测。     

时间序列InSAR技术广域地表形变监测——以湖北省为例

中国地质灾害点分布较为广泛,人工调查和排查的手段在特殊地区无法开展地质灾害隐患的识别,为了满足大区域地质灾害普查的需要,提出利用时序InSAR技术对广域地表进行形变监测。本文利用4个轨道92景Sentinel 1影像,基于小基线子集技术,首先,基于特定的时空基线阈值筛选影像集合;其次,利用轨道参数与强度信息进行影像配准,同时利用DEM去除地形相位;然后,通过两次形变反演剔除大气延迟相位与噪声相位;最后,将视线向形变量转换为垂直向形变,生成湖北省省域沉降普查图。结果表明,全省最大沉降速率达51 mm·a-1,荆门市石膏矿区存在缓慢沉降,最大年沉降速率为212 mm·a-1,通过历史灾害资料及实地调查核实,时间序列InSAR技术在广域地表形变监测中的有效性,为全省地质灾害普查提供一种技术支持。     

升降轨Sentinel-1A时序InSAR的中川国际机场地表形变监测与分析

可靠地监测基础设施的形变对于评估其结构健康至关重要。本文以中川国际机场为研究区,基于46景升轨和45景降轨Sentinel-1A雷达影像,使用SBASInSAR和PSInSAR技术获取了中川国际机场2017年3月27日至2020年3月23日、2017年3月20日至2020年3月28日的地表形变速率以及时序位移量,并采用内、外部检验的方式对4种监测结果进行了评定。同时结合相干性系数均值、直方图统计、形变速率方差及其标准差,选取最理想的形变结果从人为因素和自然因素分析了中川国际机场地表形变的成因。结果表明:4种形变结果总体较为一致,不同轨道模式数据采用同种时序InSAR技术所得监测点的方差和标准差较为接近,同种轨道模式数据采用不同时序InSAR技术的形变结果略有差异,SBASInSAR相比PSInSAR的监测结果更为稳健。中川国际机场存有零散的沉降区,机场西南角的形变最显著,最大的垂直沉降速率达11 mm·a-1。中川国际机场的地表形变与道路网、内部扩建等人为因素有关,地层界线与机场内部形变不直接相关,地表沉降区与岩性关联紧密。在进一步推进中川国际机场建设的同时,应避免过度人为活动带来的消极影响。研究结果以期为中川国际机场的土地利用规划以及灾害防治提供指导意见与相关信息。     

贵州省开阳县耕地土壤与农作物硒地球化学特征及其影响因素

由于昆明近几年城市建设发展、地铁兴建、地下水开采等,导致地面出现严重的沉降现象,因此对其进行有效监测十分必要。本文利用覆盖昆明地区的30幅Sentinel-1A影像,分别采用PS InSAR技术和SBAS InSAR技术进行数据处理,获得两组昆明市主城区的地表沉降信息,并通过交叉验证分析和时序分析对两组结果进行对比。结果表明：两种方法的结果具有相关性、可靠性和较高一致性,研究区在2018年7月至2019年7月期间存在地面沉降问题,且最大年沉降速率可达到-39.258 3 mm/a。     

基于SBAS-InSAR技术的盘锦地区地面沉降监测

近几年,盘锦地区的地面沉降问题开始受到人们的关注。为了掌握盘锦地区地面沉降现状,包括沉降中心位置、沉降区面积、沉降量、沉降速率等,选取2013-2016年覆盖研究区的19景C波段Radarsat-2 SAR数据,采用SBAS-InSAR技术提取了盘锦地区地面沉降速率和累积沉降量。结果表明,研究区内存在两个沉降区:曙四联沉降区,面积约为43.6 km2,最大沉降速率为-151.49 mm·a-1;龙王村沉降区,面积约为33.28 km2,最大沉降速率为-119.55 mm·a-1。通过地表形变量时序分析,发现两个沉降区的范围随着时间不断扩大,累积沉降量不断增大。与水准监测数据进行对比后发现,两种监测方法得到的沉降区范围和沉降量大体一致,但两者间仍有差别。对研究区内油田井场分布和地下水水位降落漏斗特征与沉降区分布进行了对比分析,研究表明地面沉降与地下水开采、油气资源开采、新构造运动等多种因素具有密切关系。研究结果将为地质环境的管理、地面沉降灾害的防治及资源开发利用规划提供基础依据。     

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

基于InSAR三维分解技术的贵州省贞丰某煤矿地下采空区反演

贵州是我国主要煤炭产地之一, 成本与地方条件的限制使贵州贞丰县山区出现大量的非法小煤窑, 其大多开采一年、半年便废弃煤矿, 调查其地下开采范围对矿区生态修复、土地资源再利用、煤矿越界开采监测等有一定意义。本文利用升、降轨观测共16期3 m空间分辨率的L波段PALSAR-2影像为数据源, 在贵州省贞丰县采用InSAR技术对煤矿采空区开展了短期动态地表沉降监测, 结合研究区地质条件、地下开采条件、开采时间、范围等信息, 计算了该地区煤矿开采沉陷影响角的规律与变形时间滞后关系; 而后利用上述参数及地表变形信息, 在其附近一处废弃煤矿, 对其地下采空范围及开采时间进行反演:(1)研究区煤炭开采走向影响角为83°、上山影响角75°、下山影响角80°, 地表变形时间与地下开采时间差约1个月; (2)计算反演出研究区废弃煤矿地下开采范围为380 m×150 m; (3)在反演煤矿采区, 对比FLAC3D数值模拟计算结果和野外现场调查, 验证了InSAR计算结果基本准确, 验证了此方法对煤矿采区反演的合理性与可靠性。     

基于改进时序InSAR技术的东莞地面沉降时空演变特征

东莞市是珠三角城市群和粤港澳大湾区的重要节点城市,深厚欠固结软弱土及其诱发的地面沉降已成为湾区内代表性的区域地质灾害问题,影响城市地质环境安全。为研究东莞市地面沉降发育规律及时空演变特征,采用改进时序InSAR技术对覆盖东莞地区的137景Sentinel-1 SLC SAR影像数据进行处理,分析了2015年6月至2020年6月地表形变动态演化规律。结果表明：（1）全域内地表沉降变形整体较稳定,沉降发育区占市域面积的34.6%,变形严重发育区主要集中在麻涌镇、道滘镇、洪梅镇、中堂镇、沙田镇及滨海湾新区;（2）大部分沉降变形点处于缓慢发展变形阶段,年平均沉降速率在20 mm/a以内,累计沉降量在1 000 mm以内;（3）结合形变监测和现场调查,认为地面沉降与深厚软土发育和人类工程活动的耦合作用有很强的相关性。证明该方法能较好地识别和反映城市复杂形态区地面沉降发育的时空演化特征,为灾害预警、减避及治理提供技术支持。     

PS-InSAR技术在安徽省阜南县地面沉降监测中的应用

本文以阜南县为研究区域,选取2017—2022年88景Sentinel-1A影像数据,利用PS-InSAR技术对阜南县地面沉降分布情况进行研究和分析。结果表明：研究区近5年累计沉降量为0～60 mm,平均沉降速率为0～14 mm/a,其中西南部的方集镇至洪河桥镇、地城镇之间以及东南部的中岗镇至曹集镇区域地面沉降显著,最大累计沉降量为60 mm,平均沉降速率大于10 mm/a,地面沉降发育程度为中等发育。西南部的沉降区形状明显向西南方向延伸,主要是受到西南侧淮滨县地下水开采的影响;东南部的沉降区形状呈闭合的椭圆形,是由区内地下水超采所致。     

基于SBAS-InSAR技术的安徽亳州市地面沉降时空分布特征与影响因素分析CSCD

近年来皖北平原地区地面沉降问题相对突出,区域地面沉降驱动力的量化研究尚且匮乏。为深入研究沉降灾害的发育特征,文章以亳州市为例,基于62景Sentinel-1数据,利用SBAS-InSAR技术获取2021年10月至2022年10月期间地面沉降的时空分布特征,并结合地理加权回归模型对亳州市地面沉降主要驱动力进行探讨。研究结果表明:(1)亳州市主体沉降速率为5~30 mm/a,平均沉降速率为5.7 mm/a。(2)最严重沉降区位于涡阳县公吉寺镇北侧,幅值为84.3 mm/a,沉降主要受煤矿开采所致;非采煤沉降区,最大沉降速率为25.8 mm/a,位于谯城区东北侧。(3)各驱动力因素对地面沉降的贡献度从大到小排序为深层水位变幅、中深层水位变幅、中深层地下水埋深、深层地下水埋深、单位面积GDP、松散层厚度、道路密度、人口密度。研究结果可为地质灾害防治提供基础数据支撑。     

蔚县矿区地面沉陷InSAR多维形变监测

河北蔚县是我国华北地区最大的地下采煤区之一,该地区长期存在采矿塌陷灾害,不仅威胁采矿安全,而且严重破坏当地生态环境。本文基于合成孔径雷达干涉（InSAR）这一新型空间对地观测技术,采用61景Sentinel-1A/B干涉宽幅（Interferometric Wide swath,IW）模式数据进行矿区形变观测,获取整个矿区在2017—2018年间的地表形变空间分布特征,并对矿区地表的沉降量级及面积进行详细的统计分析。此外,采用融合多轨道SAR数据的多维形变时序估计方法,对西细庄矿数据进行东西向和垂向的二维形变分解,获取该矿的二维形变时间序列。结果表明:除南留庄井田外,其余三大井田在监测期间均存在不同程度的地面沉陷灾害;整个矿区年沉陷速率超过-10 cm/a的区域达到了2.16 km2;受成像几何影响,不同轨道数据获取的形变结果存在一定差异;西细庄矿以垂向形变为主,伴随明显的东西向水平形变。研究结果为蔚县矿区地面沉陷监测与煤矿安全开采提供数据参考。      

多源遥感数据在地下采煤塌陷识别中的应用与分析

长期的地下采煤会造成地表沉降,严重影响矿区生态环境和人民生命财产安全,采取可行有效的方法对矿区采空塌陷进行监测与分析,是实施地质灾害精准防护的首要前提,具有重要现实意义。为此,本文利用Sentinel-1 SAR雷达影像和高分辨率光学遥感影像,分别采用小基线(SBAS)InSAR技术和人机交互遥感识别方法对纳雍县鬃岭地质灾害群地下采煤塌陷范围进行了监测识别,对比分析了各自技术特点。结果表明:①基于小基线InSAR雷达监测技术能很好反映监测期内地表形变信息,对因地下开采引发的地表形变较大或微小形变均能有效识别,但对早期煤矿开采造成而目前趋于稳定的采空塌陷识别能力不足;②高分辨率光学遥感人机交互解译对于目前采空塌陷形变已趋于稳定或历史上形成的采空塌陷区损毁土地情况有很好的识别;③综合InSAR 监测技术和高分辨率光学影像遥感识别方法,能较全面获取采空塌陷范围及损毁情况,可为矿山地质环境治理、地质灾害防护提供参考依据。