淺談采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法

1、淺談采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法摘要為研究河北省采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法，從遙感解譯、InSAR監(jiān)測(cè)、無(wú)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(wú)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(cè)工作。關(guān)鍵詞河北??；采煤沉陷區(qū)；調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法河北省是產(chǎn)煤大省，多年的煤礦開(kāi)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(wèn)題1。河北省采煤沉陷區(qū)主要分布在唐山、邯鄲、邢臺(tái)、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

2、的要求，大力開(kāi)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(kāi)展采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作迫在眉睫。本次主要從遙感解譯、InSAR監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)航空攝影、野外調(diào)查等方面對(duì)河北省采煤沉陷區(qū)調(diào)查與監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究3。1地面沉降監(jiān)測(cè)工作及技術(shù)手段采煤沉陷區(qū)地面沉降常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)有水準(zhǔn)測(cè)量、GPS測(cè)量等4。該類技術(shù)在沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中主要是通過(guò)對(duì)相對(duì)較少點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，后續(xù)通過(guò)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(shì)在于其對(duì)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)的高精度。

3、但在大面積、長(zhǎng)時(shí)間系列監(jiān)測(cè)方面，存在點(diǎn)密度過(guò)低、困難區(qū)域無(wú)法完全覆蓋、時(shí)間與空間連續(xù)性較弱、埋設(shè)的觀測(cè)樁容易滅失等問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)效益上存在觀測(cè)點(diǎn)的建立與維護(hù)費(fèi)用高、效率相對(duì)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(guò)相位變化來(lái)進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)，能夠把握區(qū)域形變的宏觀趨勢(shì)，彌補(bǔ)常規(guī)技術(shù)在沉降監(jiān)測(cè)中的觀測(cè)不同步、時(shí)間頻率低、空間范圍小等劣勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地長(zhǎng)期對(duì)地觀測(cè)。在經(jīng)濟(jì)效益上，雷達(dá)數(shù)據(jù)的幅寬大，監(jiān)測(cè)覆蓋范圍廣，不用建立和維護(hù)觀測(cè)樁，節(jié)省了大量的人工成本，效益好。20082010年，中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心運(yùn)用InSAR技術(shù)，對(duì)華北平原地面沉降

4、的分布現(xiàn)狀與變化特征進(jìn)行了調(diào)查和監(jiān)測(cè)，并開(kāi)展了主要工礦區(qū)（開(kāi)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(cè)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(cè)技術(shù)方法體系。20082020年，河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院（河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站）陸續(xù)開(kāi)展過(guò)河北省平原區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)工作，主要技術(shù)手段包括二等水準(zhǔn)測(cè)量、標(biāo)石埋設(shè)、分層標(biāo)監(jiān)測(cè)、光纖分層標(biāo)鉆孔、地面沉降光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。上述工作的開(kāi)展證明，運(yùn)用InSAR技術(shù)對(duì)采煤沉陷區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)是可行的。2調(diào)查與監(jiān)測(cè)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(duì)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

5、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(wú)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(duì)工作區(qū)域內(nèi)采煤沉陷區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析；并利用以往水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)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(cè)技術(shù)路線如圖1所示。3調(diào)查與監(jiān)測(cè)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(cè)、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；

6、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(duì)照?qǐng)D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(cè)量數(shù)據(jù)等；同時(shí)收集、購(gòu)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(chǎng)、礦山廢棄物堆場(chǎng)（廢石堆場(chǎng)、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、

7、面積等，配合野外驗(yàn)證分析其危害對(duì)象、危害程度、穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)以及產(chǎn)生的原因等。對(duì)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(wèn)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(wèn)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(wú)人機(jī)航空攝影采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)制作三維模型，為災(zāi)害評(píng)估提供精確的依據(jù)。3.4采煤沉陷區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)以采煤沉陷區(qū)為工作區(qū)對(duì)象，制

8、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(guò)實(shí)地觀測(cè)資料驗(yàn)證，結(jié)合以往調(diào)查資料，對(duì)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(cè)圖件，并利用以往水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)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(jí)（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。

9、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(duì)空間基線距小，而集合間干涉對(duì)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(duì)組合、高相干點(diǎn)識(shí)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(duì)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(shí)別采用雙重閾值方法，其中振幅離差閾值為0.25，干涉相干

10、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(jí)。覆蓋工作區(qū)需要多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖幅，數(shù)據(jù)處理過(guò)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(guò)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(duì)于調(diào)查內(nèi)容，在實(shí)地利用GPS對(duì)

11、標(biāo)志物測(cè)定坐標(biāo)，再根據(jù)地形地物分布范圍，按比例或用符號(hào)標(biāo)繪在11萬(wàn)地形圖上。同時(shí)填寫(xiě)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(chǎng)占用、露天采場(chǎng)、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(duì)城市、自然保護(hù)

12、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(wèn)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(duì)附近水體、周?chē)寥牢廴居绊懙南嚓P(guān)成果資料；匯總采礦疏干排水過(guò)程中地下水系破壞情況及防治措施、效果及存在問(wèn)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(zhǎng)度、寬度、深度）、成因、形態(tài)、數(shù)量、危害對(duì)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(shì)、防治措施以及治理效果等；調(diào)查對(duì)地表建筑物、道路

13、、設(shè)施、土地等破壞情況；調(diào)查對(duì)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(cè)的措施與成效以及存在的主要問(wèn)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(chǎng)地及道路邊坡、采空區(qū)山體邊部、固體堆積物場(chǎng)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

14、、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(wèn)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（020cm）樣品，樣品數(shù)量根據(jù)調(diào)查區(qū)范圍而定。測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)試元素種類。4結(jié)語(yǔ)綜上所述，光學(xué)遙感技術(shù)、InSAR技術(shù)、無(wú)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