遥感在煤矿塌陷区监测中的应用

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1、论文提要近年来，煤炭开采造成的塌陷区日趋严重，面对不断恶化的现状，遥感技术在采矿塌陷区的 监测中起到了重要作用。本文主要介绍了以下几点：（1）煤矿塌陷区的形成及影响（2）煤矿塌 陷区监测的现状（3）光学遥感解译、雷达遥感干涉测量技术（InSAR）等遥感技术在塌陷区监测 中的应用，最后就遥感技术在沉陷灾害监测和评价中的应用前景进行了探讨，并提出了塌陷区的 防治措施。遥感在煤矿塌陷区监测中的应用xxxxxx 摘要：近年来，煤炭开采造成的塌陷区日趋严重，面对不断恶化的现状，遥感技术在采矿 塌陷区的监测中起到了重要作用。本文主要介绍了以下几点：（1）煤矿塌陷区的形成及影响（2） 煤矿塌陷区监测的现状（

2、3 ）光学遥感解译、雷达遥感干涉测量技术（InSAR ）等遥感技术在塌 陷区监测中的应用，最后就遥感技术在沉陷灾害监测和评价中的应用前景进行了探讨，并提出了 塌陷区的防治措施。关键词：光学遥感 雷达遥感 塌陷区监测一、前言煤炭是一种不可再生的能源资源，我国的能源结构依然是以煤为主，而且这种结构构成 将长期存在。煤炭开采在为国家发展做出巨大贡献的同时，也带来了巨大的负面影响。在煤矿作 业过程中，需要将地下煤炭资源开采运走，一般会在掘进过程中，采用类似道路上过山隧道方法， 逐步打通地下煤炭所在位置到煤矿井口间的隧道，一般会将开采过程中遇到的矿石、煤炭等运送 到地面，以便形成合理的运送和开采作业面，

3、随着煤炭和其他矿石的不断运出，地下形成了这样 煤炭采空区。采空区周围的岩体失去了原有的力学平衡而发生移动变形，并由煤层的上覆岩层波 及到地表，形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，引起地表沉陷，形成塌陷区1。塌陷区给人们带来了严重的不利的影响：（1）地面建筑和市政基础设施遭到了严重的破坏， 地面建筑物倒塌开裂，铁路公路桥梁遭到破坏，影响交通运输及管线设施；（2）塌陷区给人民群 众的生命安全带来威胁，也造成了严重的财产损失；（3）随着采空区不断扩大，塌陷面积不断增 加，农田遭到了破坏，使得农民无法耕种，不得不进城打工；（4）塌陷区造成群众无田可种、吃 水难、住房难等问题，严重影响了社会安定，破坏了社会

4、秩序。二、塌陷区监测的现状塌陷区的范围划定首先应确定煤矿开采的矿井位置；然后圈定塌陷区的影响范围和程度，包 括圈定对建筑物、土地、水资源和其他资源等破坏的面积，从而判断塌陷区的动态变化及其可能 存在的隐患。监测评价的其指标体系如下式：A =B C D （1）A开采沉陷灾害；B 评价内容（水资源、建筑物、土地资源等）；C 开采条件（开采方法和采空区处理措施）；D开采影响范围内的地质、地貌条件。这些手段所监测的对象都只是基于一点，然后通过加密监测点来监测目标区地面的变形运动 状况。这种由点到面的工作方法，不但工作量大，耗费资金多，测量周期长，而且监测精度低。 目前，采煤引起的塌陷区的监测手段主要是

5、依靠常规的测量仪器如水准仪、经纬仪、全站仪，需 要耗费大量的人力物力，时效性差。近年来开始采用高精度GPS单体网和区域网监测，但是由于 煤层的地质条件、水文条件、地貌条件和开采条件的复杂性，计算出的参数有一定的片面性。还 有地球物理勘探方法因其所测得的地球物性参数都是地下各种自然因素综合作用的结果，往往具 有多解性。三、煤炭塌陷区监测的遥感技术方法利用遥感技术监测塌陷区弥补了目前其它探测技术的不足。遥感技术是应用探测仪器，不与 探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其 变化的综合性探测技术。它能进行大面积的同步观测，观测范围大；获取的数据综合宏观，并

6、具 有可比性；周期短，动态性强。特别是光学遥感图像由于可读性强，分辨率高，在煤矿塌陷区的 监测中已经得到了广泛的应用，雷达遥感由于其不受天气和光照的影响也在发挥着重要的作用。1. 光学遥感解译技术方法 对煤炭开采沉陷灾害的光学遥感解译，依据在遥感图像中，不同目标地物往往具有不同的颜 色或不同的色调，呈现出形状和纹理的差异的原理。（1）获取遥感数据获取不同年代的SPOT-5影像及相关年份的地形图oSPOT 一 5遥感影像应用于塌陷区监测中， 主要作用是通过解译，发现变化的图斑并且进行确定。首先将不同年代的地形矢量图叠加到当前 时相的遥感图像上，对比同一范围内遥感图像上土地的形状和类型，发现变化图

7、斑，并对其进行 标记，再到野外进行实地核查进一步确定，然后将室内判读的结果与野外调查的实际情况进行对 比分析 34。（2）数据预处理对获取的数据采用图像处理软件ERDAS 1MAGINE9.2进行精密的遥感影像校正，以及增强变 换和融合等处理，应用MAPGIS进行数据的坐标转换和栅格数据向矢量数据的转换，以及矢量数 据建立拓扑关系等操作，并将其用于地图资料的处理，包括土地利用现状图扫描矢量化、行政界 线的数字化和人机交互的目视解译判读和判读信息的提取分析等处理56。（3）解译标志的确定 煤矿开采沉陷的光学遥感解译包括以下几个方面： 确定开采沉陷灾害源，即通过卫星光学影像识别矿井点的分布范围，分

8、布特点； 开采沉陷区范围的确定，计算开采沉陷灾害的影响面积； 开采沉陷影响范围内的水资源分布情况，解译沉陷区内的水系发育的分布情况、面积计算， 泉的分布情况、面积计算； 沉陷区内的土地资源和植被分布情况、面积计算等。 山西省是我国煤炭生产的重要基地，含煤地层面积占全省总面积的40，煤炭开采塌陷区引起的灾害尤其突出，采用光学遥感解译技术对全省进行大面积的沉陷灾害调查和评估非常必要。 对山西省煤矿开采塌陷区遥感技术解译成果，如下表1-12。表1-1山西省煤炭开采沉陷灾害遥感解译成果沉陷区名称1999年矿井点数沉陷区面积(km2)水系面积(km2)泉域面积(km2)大同煤田开采沉陷区62712911

9、291312宁武煤田开米沉陷区461768772646西山煤田开采沉陷区46010301030895霍西煤田开米沉陷区887250220682710沁水煤田开采沉陷区2369541653785015河东煤田开采沉陷区609153812922907注:表中的结果是根据山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价分析整理得到；表中开采 沉陷区的土地面积未作分析。2. 合成孔径雷达干涉测量技术方法 合成孔径测试雷达是利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径天线安装在平台的侧方，以代 替大孔径天线，提高方位分辨率的雷达，其精度可达到雷达波长的分数(厘米级)。合成孔径雷 达干涉测量(InSAR in terfer

10、ome trie syn the tic aper ture radar)是 20 世纪 90 年代末在 SAR 的基础上发展起来的一种新型的空间对地观测技术7。它利用合成孔径雷达图像测量各种地面变 化现象的空间测地技术，是一种主动式卫星成像技术，不受光照和天气变化的影响，可以获得很 好的时间序列的图像数据。充分利用了 SAR的相位信息，成功地解决了 SAR图像的三维成像问题， 而且能够获取高精度的地形信息，还可以监测地表和冰雪表面的微弱变化，监测时间间隔跨度很 大，从几天到几年，可获得全球高精度、高可靠性的地表变化信息。这使得InSAR在监测地质灾 害方面具有独特的优势，成为监测地质灾害的新

11、手段。雷达干涉测量技术在观测垂直变形，特别 是煤矿开采引起的下沉，其精度要远远高于传统的水准测量和GPS测量。表1-2中列出了 4种地 面沉降监测方法的区别。表1-24种地面沉降监测方法的比较8方法形变分量精度/mm样本频率/d-1样本密度/(个*次-1)测量方式地下凿洞的形变 测量垂直0.010.10连续1占八、水准测量垂直11011010100线GPS水平/垂直5/2010/3010/100网络InSAR距离向10=106105107面利用InSAR监测地面塌陷大致分以下几个步骤进行：(1) 选择合适的雷达卫星, 进而选取研究的时间, 获得相应的雷达数据。获取卫星雷达图像数据可以通过国际互

12、联网的有关卫星雷达网站下载。在获取卫星雷达图像数据之前，用户首 先需要选择合适的卫星SAR传感器并做出相应计划，同时，获取SAR图像需要考虑许多参数。 用户利用这些网站中的订购桌面”对用户指定的地理位置(经纬度)、时间框架中已有的SAR图 像数据进行检索和下载，或对计划的地理位置和时间框架中远期的SAR图像数据提交预约后进行下载。（2）对InSAR数据进行精确的配准，而后计算出同一点上的相位差，生成干涉条纹图。 如图1-1为陕西省神木县西北部的大柳塔矿区和补连塔矿区的差分干涉图及其位相干图，从 位相干图中可以探测出矿井塌陷区域，如图1-1标注所示。图1-1大柳塔煤矿区所探测到的矿井塌陷（3）干

13、涉图生成之后需要进行滤波处理，因为实际的干涉图并非理想状态下的干涉图，真 实的干涉图常常有噪声干扰，周期性不太明显，连续性受到影响，干涉条纹显得不清晰。目前主 要有简单滤波和基于坡度估计的自适应滤波2种方法9（4）通过相位解缠得到相位的绝对变化，即变形。四、结论显然，遥感技术在煤矿塌陷区监测方面显示的独特的优势和高精度，无疑将成为未来监测 地表形变的主要技术之一。遥感技术在煤矿塌陷区的监测中将得到更加广泛的应用，并且发挥 的作用越来越重要。它对煤矿开采引起的沉陷灾害进行科学的评价，将能更好地对我国煤炭开 采活动进行动态监测，能够进一步解决我国煤矿领域长期存在的无证开采、乱采滥挖问题，为 开展星

14、地一体化动态监测和沉陷灾害评价提供一种实时的技术手段都有重要的意义，引导我们 为煤矿塌陷灾害进行防治。煤矿塌陷区的防治包括以下几个方面：首先要尽快出台煤矿塌陷等地质灾害的管理法规； 采用技术合理、经济有益的采煤方法和工艺，对于地面为优质农田或有其它工程的可采用充填 采矿法，条带采矿法、房柱式采矿法等，减少或防治地面塌陷；对塌陷区因地制宜，积极进行 复垦和综合利用，改善矿区的自然生态环境。在遥感技术的不断发展中，煤矿塌陷区的灾害将会得到更好的预防和治理，困扰人们的这 一难题也会明朗起来。参考文献：1 李德仁等卫星雷达干涉原理及应用J.测绘科学,2000年25期.2 孔祥生、苗放、刘鸿福采用遥感技

15、术检测煤炭开采沉陷灾害的应用及前景展望J.地 球科学进展，第19 卷.3 付丽莉、李钢、王庆.SPOT 5卫星影像在土地变更调查中的应用J.信息技术，2005 年第1期.4 戴昌达、姜小光、唐伶俐遥感图像应用处理与分析M.清华大学出版社，2002年版.5 吴信才.MAPGIS地理信息系统M.电子工业出版社，2004年版.6 竞安荣、王晓栋、陈晓峰等.EADAS IMAGINE遥感图像处理方法M.清华大学出版社，2003 年版.7 王超、刘智、张红等.张北一尚义地震同震形变场雷达差分干涉测量J.科学通报，2002 年第45期.8 王超、张红、刘智星载合成孔径雷达M.国防工业出版社,2010年版.9 舒宁雷达影像干涉测量原理，武汉大学出版社M.2008年版.