采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測方法

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［摘要］為研究河北省采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測方法，從遙感解譯、InSAR監(jiān)測、無人機(jī)航空攝影、野外調(diào)查等方面進(jìn)行方法探索，結(jié)果表明，光學(xué)遙感技術(shù)、InSAR技術(shù)、無人機(jī)航空攝影技術(shù)及野外調(diào)查手段方法可靠，能夠滿足河北省采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測工作。

［關(guān)鍵詞］河北省；采煤沉陷區(qū)；調(diào)查與監(jiān)測方法

河北省是產(chǎn)煤大省，多年的煤礦開采使得采煤沉陷成為河北省土地利用變化的重要影響因素，同時(shí)也產(chǎn)生了諸多生態(tài)環(huán)境問題［1］。河北省采煤沉陷區(qū)主要分布在唐山、邯鄲、邢臺、石家莊、張家口、承德、保定、秦皇島等8個(gè)區(qū)市。為推進(jìn)采煤沉陷區(qū)綜合治理，河北省積極創(chuàng)新治理模式，按照宜耕則耕、宜林則林、宜草則草、宜水則水的要求，大力開展生態(tài)修復(fù)和地質(zhì)災(zāi)害防治，在安全保障、民生改善、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域取得了一定成效［2］。但是，河北省采煤沉陷區(qū)治理難度依然較大，總體局面尚未得到根本改變。由于沉陷區(qū)分布范圍廣、影響面積大、涉及人口多，治理需要巨大投入，系統(tǒng)開展采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測工作迫在眉睫。本次主要從遙感解譯、InSAR監(jiān)測、無人機(jī)航空攝影、野外調(diào)查等方面對河北省采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測方法進(jìn)行研究［3］。

1地面沉降監(jiān)測工作及技術(shù)手段

采煤沉陷區(qū)地面沉降常規(guī)監(jiān)測技術(shù)有水準(zhǔn)測量、GPS測量等［4］。該類技術(shù)在沉降監(jiān)測過程中主要是通過對相對較少點(diǎn)進(jìn)行觀測，后續(xù)通過平差、插值等計(jì)算手段獲取區(qū)域內(nèi)的沉降結(jié)果。優(yōu)勢在于其對單點(diǎn)監(jiān)測時(shí)的高精度。但在大面積、長時(shí)間系列監(jiān)測方面，存在點(diǎn)密度過低、困難區(qū)域無法完全覆蓋、時(shí)間與空間連續(xù)性較弱、埋設(shè)的觀測樁容易滅失等問題，在經(jīng)濟(jì)效益上存在觀測點(diǎn)的建立與維護(hù)費(fèi)用高、效率相對較低、人工成本較高等缺點(diǎn)。InSAR技術(shù)是采用具有全天候、大面積、高分辨率等特點(diǎn)的雷達(dá)衛(wèi)星通過相位變化來進(jìn)行地表變形監(jiān)測，能夠把握區(qū)域形變的宏觀趨勢，彌補(bǔ)常規(guī)技術(shù)在沉降監(jiān)測中的觀測不同步、時(shí)間頻率低、空間范圍小等劣勢，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地長期對地觀測。在經(jīng)濟(jì)效益上，雷達(dá)數(shù)據(jù)的幅寬大，監(jiān)測覆蓋范圍廣，不用建立和維護(hù)觀測樁，節(jié)省了大量的人工成本，效益好。2008—2010年，中國國土資源航空物探遙感中心運(yùn)用InSAR技術(shù)，對華北平原地面沉降的分布現(xiàn)狀與變化特征進(jìn)行了調(diào)查和監(jiān)測，并開展了主要工礦區(qū)（開灤礦區(qū)、峰峰—武安礦區(qū)）地表形變連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，形成了先進(jìn)實(shí)用的區(qū)域性地面沉降InSAR監(jiān)測技術(shù)方法體系。2008—2020年，河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站）陸續(xù)開展過河北省平原區(qū)的地面沉降監(jiān)測工作，主要技術(shù)手段包括二等水準(zhǔn)測量、標(biāo)石埋設(shè)、分層標(biāo)監(jiān)測、光纖分層標(biāo)鉆孔、地面沉降光纖監(jiān)測系統(tǒng)等。上述工作的開展證明，運(yùn)用InSAR技術(shù)對采煤沉陷區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測是可行的。

2調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)路線

首先收集整理河北省重點(diǎn)煤礦采煤沉陷區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料和高分辨率光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)；再分別對光學(xué)與雷達(dá)遙感影像利用遙感數(shù)據(jù)處理專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化以及預(yù)處理，以光學(xué)遙感、InSAR、無人機(jī)航空攝影等技術(shù)手段，適時(shí)地獲取客觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對工作區(qū)域內(nèi)采煤沉陷區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測分析；并利用以往水準(zhǔn)測量和GPS測量數(shù)據(jù)對InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。同時(shí)對照現(xiàn)有相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，確定采空區(qū)、采煤沉陷區(qū)范圍；充分應(yīng)用已有調(diào)查成果，確定塌陷坑、地裂縫分布范圍，調(diào)查、統(tǒng)計(jì)損毀土地分布及破壞程度，并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。調(diào)查與監(jiān)測技術(shù)路線如圖1所示。

3調(diào)查與監(jiān)測工作方法

工作方法主要包括資料收集與整理、采煤沉陷區(qū)地面沉降InSAR監(jiān)測、遙感解譯、野外實(shí)地調(diào)查、綜合研究。

3.1資料收集

收集的資料主要包括以往采空區(qū)、采煤沉陷區(qū)范圍界線調(diào)查、分析等資料；煤礦地質(zhì)、礦產(chǎn)、水文、環(huán)境等相關(guān)報(bào)告；礦區(qū)地形圖、采掘工程平面圖、井上井下對照圖等各類地質(zhì)圖件；地下水位數(shù)據(jù)和物探數(shù)據(jù)、各類測量數(shù)據(jù)等；同時(shí)收集、購置高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以及工作區(qū)已有的高精度DEM數(shù)據(jù)。

3.2采煤沉陷區(qū)遙感解譯

遙感解譯工作主要以人機(jī)交互方式進(jìn)行。包括建立解譯標(biāo)志、初步解譯、野外驗(yàn)證和室內(nèi)詳細(xì)綜合解譯4個(gè)步驟。利用遙感影像的色調(diào)、顏色、形狀、大小、紋理、圖形或圖案、陰影等影像特征，重點(diǎn)解譯工業(yè)廣場、礦山廢棄物堆場（廢石堆場、尾礦渣、煤矸石堆等）、地面塌陷的分布、形態(tài)、數(shù)量、面積等，解譯調(diào)查區(qū)耕地、林地、草地、水體分布、面積，解譯調(diào)查區(qū)地貌景觀及植被破壞等位置、面積等，配合野外驗(yàn)證分析其危害對象、危害程度、穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢以及產(chǎn)生的原因等。對于危及城鎮(zhèn)、重要建筑物、礦山設(shè)施、交通、村莊等附近的地質(zhì)災(zāi)害及其隱患點(diǎn)，以及不易解譯的地面塌陷、地裂縫、有疑問的圖斑等，應(yīng)結(jié)合地面調(diào)查工作，進(jìn)行100%的野外調(diào)查驗(yàn)證。一般解譯程度較好的礦山地質(zhì)環(huán)境問題及圖斑，結(jié)合地面調(diào)查，野外驗(yàn)證率應(yīng)不低于50%。

3.3高精度無人機(jī)航空攝影

采用無人機(jī)航拍技術(shù)，對采煤沉陷重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行勘查，利用大比例尺、高精度航拍影像調(diào)查統(tǒng)計(jì)沉陷、地裂縫及其他破壞情況。利用優(yōu)于0.1m傾斜攝影測量數(shù)據(jù)制作三維模型，為災(zāi)害評估提供精確的依據(jù)。

3.4采煤沉陷區(qū)地面沉降監(jiān)測

以采煤沉陷區(qū)為工作區(qū)對象，制定SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)劃，以小基線集（SBAS）技術(shù)為主要技術(shù)手段，結(jié)合其它SAR數(shù)據(jù)時(shí)間系列分析技術(shù)，以沉陷區(qū)范圍解譯為需求。利用InSAR小基線集技術(shù)獲取的形變結(jié)果，通過實(shí)地觀測資料驗(yàn)證，結(jié)合以往調(diào)查資料，對采煤沉陷區(qū)范圍界線數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充與更新，綜合確定河北省煤礦采煤沉陷區(qū)的范圍、分布。獲取各個(gè)采煤沉陷區(qū)的沉降量、沉降速率及累計(jì)沉降量，編制各個(gè)采煤沉陷區(qū)的形變速率和形變序列圖，編制采煤沉陷區(qū)形變監(jiān)測圖件，并利用以往水準(zhǔn)測量和GPS測量數(shù)據(jù)，對InSAR技術(shù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。小基線集，又稱短基線集，是目前有代表性的高級（多基線）DInSAR方法之一。其初衷是用于提取低分辨率、大尺度地表形變。小基線集方法根據(jù)獲取SAR影像序列在時(shí)間、空間基線的分布，首先將數(shù)據(jù)組合成若干個(gè)集合，即集合之內(nèi)，干涉對空間基線距小，而集合間干涉對空間基線距大。在地表形變反演階段，為了連接多個(gè)小基線集合，提高數(shù)據(jù)處理的時(shí)間采樣率，引入奇異值分解方法，獲取形變的最小范數(shù)解。具體數(shù)據(jù)處理流程包括時(shí)序SAR數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、干涉對組合、高相干點(diǎn)識別、差分干涉、干涉基線精化、大氣相位剔除、高程改正量和形變信息提取等。其中配準(zhǔn)精度要求距離向達(dá)到0.1個(gè)像元，方位向達(dá)到0.001個(gè)像元的精度指標(biāo)；干涉對組合時(shí)空基線閾值設(shè)定為時(shí)間基線36d，空間基線200m以內(nèi)；高相干點(diǎn)識別采用雙重閾值方法，其中振幅離差閾值為0.25，干涉相干值為0.75；基線誤差控制在0.1m以內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)圖幅數(shù)據(jù)處理嚴(yán)格按照以上提到的精度指標(biāo)，保證InSAR結(jié)果精度達(dá)到毫米級。覆蓋工作區(qū)需要多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖幅，數(shù)據(jù)處理過程為單圖幅處理，后期要獲取工作區(qū)形變分布圖，需要進(jìn)行圖幅拼接。采用數(shù)據(jù)圖幅間重疊范圍為數(shù)據(jù)范圍的20%，因此可依據(jù)公共區(qū)域的形變量進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。拼接過程包括空間基準(zhǔn)統(tǒng)一和系統(tǒng)偏差補(bǔ)償2個(gè)步驟，其中空間位置基準(zhǔn)控制在1m以內(nèi)，圖幅間形變誤差控制在3mm。

3.5采煤沉陷區(qū)野外調(diào)查

野外調(diào)查內(nèi)容主要包括土地資源破壞、地形地貌景觀破壞、地表（下）水污染、地裂縫、地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等，在調(diào)查同時(shí)進(jìn)行樣品采集。對于調(diào)查內(nèi)容，在實(shí)地利用GPS對標(biāo)志物測定坐標(biāo)，再根據(jù)地形地物分布范圍，按比例或用符號標(biāo)繪在1∶1萬地形圖上。同時(shí)填寫調(diào)查表和利用數(shù)碼相機(jī)拍攝照片或錄制視頻。（1）土地資源破壞調(diào)查：調(diào)查采煤沉陷區(qū)土地類型、分布及利用狀況；調(diào)查固體廢棄物堆場占用、露天采場、地面塌陷（地裂縫）、崩塌滑坡泥石流堆積物破壞的土地類型、位置、面積、時(shí)間等；調(diào)查區(qū)礦業(yè)活動(dòng)特征污染物（重金屬、酸性水）造成土壤污染的范圍、主要污染物及污染途徑等；調(diào)查廢棄土地復(fù)墾及土壤污染修復(fù)的面積、范圍、措施及成效。（2）地形地貌景觀破壞調(diào)查：調(diào)查礦山固體廢棄物（廢石渣、煤矸石堆、尾礦渣等）、地面塌陷等造成地形地貌改變的地點(diǎn)、方式及范圍；調(diào)查地形地貌景觀破壞對城市、自然保護(hù)區(qū)、地質(zhì)遺跡、人文景觀及主要交通干線等的影響和兩者之間的距離等情況；調(diào)查地形地貌景觀恢復(fù)治理的措施、成效及存在問題。（3）地表（下）水污染調(diào)查：主要利用收集資料，配合樣品采樣等手段，匯總堆放固體廢棄物對附近水體、周圍土壤污染影響的相關(guān)成果資料；匯總采礦疏干排水過程中地下水系破壞情況及防治措施、效果及存在問題等相關(guān)成果資料；匯總礦業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致地下水污染的途徑、方式、特征污染物、影響范圍等相關(guān)成果資料。（4）地裂縫、地面塌陷調(diào)查：調(diào)查發(fā)生時(shí)間、類型、分布、規(guī)模（長度、寬度、深度）、成因、形態(tài)、數(shù)量、危害對象、危害程度、生命及財(cái)產(chǎn)損失、穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢、防治措施以及治理效果等；調(diào)查對地表建筑物、道路、設(shè)施、土地等破壞情況；調(diào)查對地下（表）水、植被的影響以及人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失等；調(diào)查地裂縫、地面塌陷預(yù)防、治理、監(jiān)測的措施與成效以及存在的主要問題。（5）崩塌、滑坡、泥石流調(diào)查：調(diào)查礦業(yè)活動(dòng)引發(fā)的崩塌、滑坡泥石流發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模、人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失；調(diào)查礦山工業(yè)場地及道路邊坡、采空區(qū)山體邊部、固體堆積物場等崩塌、滑坡隱患的類型、位置、形態(tài)、規(guī)模及滑坡穩(wěn)定性、可能致災(zāi)的范圍、威脅人員、財(cái)產(chǎn)等；調(diào)查泥石流類型、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)、觸發(fā)水動(dòng)力因素（降雨、潰決、凍融）及24h、1h和10min降雨量，以及泥石流物源類型、數(shù)量、位置、形態(tài)、規(guī)模、顆粒粒徑等；調(diào)查泥石流威脅范圍內(nèi)的建筑物、設(shè)施、人員、土地等情況；調(diào)查崩塌、滑坡、泥石流及其隱患的防治措施、成效及存在問題。（6）樣品采集：樣品包括污染源污染樣、土壤及地下（表）水污染等化學(xué)樣品。每處調(diào)查區(qū)，尾礦渣、煤矸石、礦坑排水等污染源樣品、代表性區(qū)段農(nóng)田土壤（0~20cm）樣品，樣品數(shù)量根據(jù)調(diào)查區(qū)范圍而定。測試項(xiàng)目包括pH值、硫酸鹽、硝酸鹽、汞、砷、鎘、銅、鋅、鉛、硒、六價(jià)鉻等，視條件而定。沿礦區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排方向，通過水井等方式，采集地下水污染樣品，樣品數(shù)量根據(jù)調(diào)查區(qū)范圍而定。測試項(xiàng)目包括pH、氨氮、揮發(fā)酚、氟化物、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、總硬度、溶解性固體、化學(xué)需氧量、汞、鉛、鎘、鉻、砷、銅、鋅等，依據(jù)調(diào)查區(qū)污染源中特征重金屬元素，可增減測試元素種類。

4結(jié)語

綜上所述，光學(xué)遙感技術(shù)、InSAR技術(shù)、無人機(jī)攝影技術(shù)及野外調(diào)查手段方法可靠，運(yùn)用上述方法，能夠滿足河北省采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測工作。

［參考文獻(xiàn)］

［1］趙淑英.煤炭開采對生態(tài)環(huán)境的破壞及防治措施［J］.礦業(yè)科學(xué)技術(shù)，2003（2）：3-5.

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［3］朱建軍，李志偉，胡俊.InSAR變形監(jiān)測方法與研究進(jìn)展［J］.測繪學(xué)報(bào)，2017，46（10）：1717-1733.

［4］張振生，孟昆，谷延群.D-InSAR技術(shù)在礦山沉陷和地面沉降監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.華北地震科學(xué)，2006（3）：47-51.

作者：野兆瑞 單位：河北省煤田地質(zhì)局新能源地質(zhì)隊(duì)