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［摘要］為研究河北省采煤沉陷區調查與監測方法，從遙感解譯、InSAR監測、無人機航空攝影、野外調查等方面進行方法探索，結果表明，光學遙感技術、InSAR技術、無人機航空攝影技術及野外調查手段方法可靠，能夠滿足河北省采煤沉陷區調查與監測工作。

［關鍵詞］河北省；采煤沉陷區；調查與監測方法

河北省是產煤大省，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，同時也產生了諸多生態環境問題［1］。河北省采煤沉陷區主要分布在唐山、邯鄲、邢臺、石家莊、張家口、承德、保定、秦皇島等8個區市。為推進采煤沉陷區綜合治理，河北省積極創新治理模式，按照宜耕則耕、宜林則林、宜草則草、宜水則水的要求，大力開展生態修復和地質災害防治，在安全保障、民生改善、產業發展等領域取得了一定成效［2］。但是，河北省采煤沉陷區治理難度依然較大，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，系統開展采煤沉陷區調查與監測工作迫在眉睫。本次主要從遙感解譯、InSAR監測、無人機航空攝影、野外調查等方面對河北省采煤沉陷區調查與監測方法進行研究［3］。

1地面沉降監測工作及技術手段

采煤沉陷區地面沉降常規監測技術有水準測量、GPS測量等［4］。該類技術在沉降監測過程中主要是通過對相對較少點進行觀測，后續通過平差、插值等計算手段獲取區域內的沉降結果。優勢在于其對單點監測時的高精度。但在大面積、長時間系列監測方面，存在點密度過低、困難區域無法完全覆蓋、時間與空間連續性較弱、埋設的觀測樁容易滅失等問題，在經濟效益上存在觀測點的建立與維護費用高、效率相對較低、人工成本較高等缺點。InSAR技術是采用具有全天候、大面積、高分辨率等特點的雷達衛星通過相位變化來進行地表變形監測，能夠把握區域形變的宏觀趨勢，彌補常規技術在沉降監測中的觀測不同步、時間頻率低、空間范圍小等劣勢，能實現穩定地長期對地觀測。在經濟效益上，雷達數據的幅寬大，監測覆蓋范圍廣，不用建立和維護觀測樁，節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用InSAR技術，對華北平原地面沉降的分布現狀與變化特征進行了調查和監測，并開展了主要工礦區（開灤礦區、峰峰—武安礦區）地表形變連續動態監測應用，形成了先進實用的區域性地面沉降InSAR監測技術方法體系。2008—2020年，河北省地質環境監測院（河北省地質環境監測總站）陸續開展過河北省平原區的地面沉降監測工作，主要技術手段包括二等水準測量、標石埋設、分層標監測、光纖分層標鉆孔、地面沉降光纖監測系統等。上述工作的開展證明，運用InSAR技術對采煤沉陷區地面沉降進行監測是可行的。

2調查與監測技術路線

首先收集整理河北省重點煤礦采煤沉陷區相關地質資料和高分辨率光學衛星數據以及雷達遙感數據；再分別對光學與雷達遙感影像利用遙感數據處理專業軟件進行數據標準化以及預處理，以光學遙感、InSAR、無人機航空攝影等技術手段，適時地獲取客觀基礎數據，對工作區域內采煤沉陷區地面沉降進行監測分析；并利用以往水準測量和GPS測量數據對InSAR技術監測結果進行精度驗證。同時對照現有相關地質數據，確定采空區、采煤沉陷區范圍；充分應用已有調查成果，確定塌陷坑、地裂縫分布范圍，調查、統計損毀土地分布及破壞程度，并進行實地調查。調查與監測技術路線如圖1所示。

3調查與監測工作方法

工作方法主要包括資料收集與整理、采煤沉陷區地面沉降InSAR監測、遙感解譯、野外實地調查、綜合研究。

3.1資料收集

收集的資料主要包括以往采空區、采煤沉陷區范圍界線調查、分析等資料；煤礦地質、礦產、水文、環境等相關報告；礦區地形圖、采掘工程平面圖、井上井下對照圖等各類地質圖件；地下水位數據和物探數據、各類測量數據等；同時收集、購置高分辨率光學遙感數據與SAR衛星數據，以及工作區已有的高精度DEM數據。

3.2采煤沉陷區遙感解譯

遙感解譯工作主要以人機交互方式進行。包括建立解譯標志、初步解譯、野外驗證和室內詳細綜合解譯4個步驟。利用遙感影像的色調、顏色、形狀、大小、紋理、圖形或圖案、陰影等影像特征，重點解譯工業廣場、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、數量、面積等，解譯調查區耕地、林地、草地、水體分布、面積，解譯調查區地貌景觀及植被破壞等位置、面積等，配合野外驗證分析其危害對象、危害程度、穩定狀態、發展趨勢以及產生的原因等。對于危及城鎮、重要建筑物、礦山設施、交通、村莊等附近的地質災害及其隱患點，以及不易解譯的地面塌陷、地裂縫、有疑問的圖斑等，應結合地面調查工作，進行100%的野外調查驗證。一般解譯程度較好的礦山地質環境問題及圖斑，結合地面調查，野外驗證率應不低于50%。

3.3高精度無人機航空攝影

采用無人機航拍技術，對采煤沉陷重點區域進行勘查，利用大比例尺、高精度航拍影像調查統計沉陷、地裂縫及其他破壞情況。利用優于0.1m傾斜攝影測量數據制作三維模型，為災害評估提供精確的依據。

3.4采煤沉陷區地面沉降監測

以采煤沉陷區為工作區對象，制定SAR衛星數據計劃，以小基線集（SBAS）技術為主要技術手段，結合其它SAR數據時間系列分析技術，以沉陷區范圍解譯為需求。利用InSAR小基線集技術獲取的形變結果，通過實地觀測資料驗證，結合以往調查資料，對采煤沉陷區范圍界線數據進行補充與更新，綜合確定河北省煤礦采煤沉陷區的范圍、分布。獲取各個采煤沉陷區的沉降量、沉降速率及累計沉降量，編制各個采煤沉陷區的形變速率和形變序列圖，編制采煤沉陷區形變監測圖件，并利用以往水準測量和GPS測量數據，對InSAR技術監測結果進行精度驗證。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。小基線集方法根據獲取SAR影像序列在時間、空間基線的分布，首先將數據組合成若干個集合，即集合之內，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，為了連接多個小基線集合，提高數據處理的時間采樣率，引入奇異值分解方法，獲取形變的最小范數解。具體數據處理流程包括時序SAR數據配準、干涉對組合、高相干點識別、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。其中配準精度要求距離向達到0.1個像元，方位向達到0.001個像元的精度指標；干涉對組合時空基線閾值設定為時間基線36d，空間基線200m以內；高相干點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。標準圖幅數據處理嚴格按照以上提到的精度指標，保證InSAR結果精度達到毫米級。覆蓋工作區需要多個標準圖幅，數據處理過程為單圖幅處理，后期要獲取工作區形變分布圖，需要進行圖幅拼接。采用數據圖幅間重疊范圍為數據范圍的20%，因此可依據公共區域的形變量進行數據拼接。拼接過程包括空間基準統一和系統偏差補償2個步驟，其中空間位置基準控制在1m以內，圖幅間形變誤差控制在3mm。

3.5采煤沉陷區野外調查

野外調查內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，在調查同時進行樣品采集。對于調查內容，在實地利用GPS對標志物測定坐標，再根據地形地物分布范圍，按比例或用符號標繪在1∶1萬地形圖上。同時填寫調查表和利用數碼相機拍攝照片或錄制視頻。（1）土地資源破壞調查：調查采煤沉陷區土地類型、分布及利用狀況；調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、時間等；調查區礦業活動特征污染物（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；調查廢棄土地復墾及土壤污染修復的面積、范圍、措施及成效。（2）地形地貌景觀破壞調查：調查礦山固體廢棄物（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、方式及范圍；調查地形地貌景觀破壞對城市、自然保護區、地質遺跡、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；調查地形地貌景觀恢復治理的措施、成效及存在問題。（3）地表（下）水污染調查：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成果資料；匯總礦業活動導致地下水污染的途徑、方式、特征污染物、影響范圍等相關成果資料。（4）地裂縫、地面塌陷調查：調查發生時間、類型、分布、規模（長度、寬度、深度）、成因、形態、數量、危害對象、危害程度、生命及財產損失、穩定狀態、發展趨勢、防治措施以及治理效果等；調查對地表建筑物、道路、設施、土地等破壞情況；調查對地下（表）水、植被的影響以及人員傷亡和直接經濟損失等；調查地裂縫、地面塌陷預防、治理、監測的措施與成效以及存在的主要問題。（5）崩塌、滑坡、泥石流調查：調查礦業活動引發的崩塌、滑坡泥石流發生的時間、地點、規模、人員傷亡和直接經濟損失；調查礦山工業場地及道路邊坡、采空區山體邊部、固體堆積物場等崩塌、滑坡隱患的類型、位置、形態、規模及滑坡穩定性、可能致災的范圍、威脅人員、財產等；調查泥石流類型、形成區、流通區和堆積區、觸發水動力因素（降雨、潰決、凍融）及24h、1h和10min降雨量，以及泥石流物源類型、數量、位置、形態、規模、顆粒粒徑等；調查泥石流威脅范圍內的建筑物、設施、人員、土地等情況；調查崩塌、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）水污染等化學樣品。每處調查區，尾礦渣、煤矸石、礦坑排水等污染源樣品、代表性區段農田土壤（0~20cm）樣品，樣品數量根據調查區范圍而定。測試項目包括pH值、硫酸鹽、硝酸鹽、汞、砷、鎘、銅、鋅、鉛、硒、六價鉻等，視條件而定。沿礦區地下水補、徑、排方向，通過水井等方式，采集地下水污染樣品，樣品數量根據調查區范圍而定。測試項目包括pH、氨氮、揮發酚、氟化物、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、總硬度、溶解性固體、化學需氧量、汞、鉛、鎘、鉻、砷、銅、鋅等，依據調查區污染源中特征重金屬元素，可增減測試元素種類。

4結語

綜上所述，光學遙感技術、InSAR技術、無人機攝影技術及野外調查手段方法可靠，運用上述方法，能夠滿足河北省采煤沉陷區調查與監測工作。

［參考文獻］

［1］趙淑英.煤炭開采對生態環境的破壞及防治措施［J］.礦業科學技術，2003（2）：3-5.

［2］黎煒，陳龍乾，趙建林.我國煤炭開采對生態環境的破壞及對策［J］.煤，2011，20（5）：35-37.

［3］朱建軍，李志偉，胡俊.InSAR變形監測方法與研究進展［J］.測繪學報，2017，46（10）：1717-1733.

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

作者：野兆瑞 單位：河北省煤田地質局新能源地質隊