地面塌陷重要资料

通常采用水准测量方法来精确测定地面沉降,但水准测量工作量大,对于大型城市,1 mm·km-1的精密水准观测误差,其累积仍然较大.目前GPS(global positioning system)测量精度已经达到较高的水平,而且GPS观测简单,有很多国际GPS服务组织(International GPS Service,IGS)站的资料可以随时取用,与观测数据一起解算,并可以直接得到三维形变数据.因此GPS越来越多地用在城市形变观测中.通常做法是,在监测区域内布设一个GPS网,每隔一段时间观测一期,每期数据独立平差得到各点的三维坐标,比较各点各期坐标的变化,得到水平位移和沉降量

合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是一项新的地面观测技术，它利用合成孔径雷达(SAR)的相位信息提取地表三维信息和高程变化信息，可以监测地球表面微小变化，InSAR探测地球表面位移变化的精度可达到厘米量级。

以InSAR为基础发展起来的差分雷达干涉测量(Differential Interferometric SAR, D-InSAR)则是合成孔径雷达干涉测量(InSAR)应用的一个拓展，是一项以SAR复数据提取的相位信息为信息源获取地表变化信息的新技术。由InSAR技术得到的干涉条纹图再进行差分可用于监测雷达视线方向的厘米级....

地表形变监测是InSAR技术最成功，也是最能体现其优势的应用领域。从其方法技术发展过程而言，InSAR技术经历了从单时相少量SAR数据，到多时相多源数据集成处理。以常规InSAR数据处理方法为基础，分别形成了累积干涉纹图法[18-26]（Stacking Interferograms），永久散射体干涉测量[27-30]（Permanent Scatterer Interferometry）以及角反射器干涉测量（Corner Reflector InSAR）[9,31]等技术。其中，利用PS技术研究长时间条件下地面形变的演变过程已被广泛用于辅助常规大地测量手段，角反射器测量也在局部低相干区域特殊变形体的监测中发挥作用。

InSAR技术的核心是利用相位观测值获取目标的几何特征及变化信息。

由于干涉相位对微小形变极其敏感，毫米级的形变在干涉相位中都会有所反映。因而，利用重复轨观测获取的干涉相位，通过差分处理去除两次观测相位中的共有量（平地效应、地形相位和大气延迟等），可以得到形变相位，进而反算形变量。这就是差分干涉测量（D-InSAR）监测地表形变的基本原理。

地面形变是煤矿开采过程中最常见、也是危害性最大的矿区地质环境灾害，其发生形式主要包括地面塌陷、地面沉降和地裂缝三种类型。地裂缝作为一种内外作用力以及人类活动等因素的作用引发的地质灾害，在世界许多国家普遍存在，其中以中国和美国地裂缝灾害最为严重[1]，其发生频率和灾害程度逐年加剧。其中地面塌陷又分为熔岩塌陷以及采空区塌陷两种。

(1)塌陷盆地

当采空区影响到达地表以后，在采空区上方的地表形成一个比采空区大得多的注地，这种注地称为塌陷盆地。在开采急倾斜煤层的条件下，当采深与采厚的比值较大时，地表可能出现一种台阶状平底塌陷盆地，这种塌陷盆地的范围很大，边坡较陡，台阶数少。在一些地下水资源丰富的平原地区，由于地下水位埋藏较浅，会导致塌陷盆地常年积水或季节性积水，

不但破坏了生态环境，还对当地居民的生产生活构成了威胁，如图2所示。

(2)塌陷坑

塌陷坑比塌陷盆地规模小，一般多出现在开采急倾斜煤层时。开采缓倾斜煤层时，只有某种特殊地质采矿条件下有可能出现塌陷坑。塌陷坑按其形状分为漏斗塌陷坑和槽型塌陷坑两种形式。

(3)裂缝

裂缝是采空区地面塌陷的常见形式。塌陷裂缝一般长几米至几百米，宽几厘米至数米。根据裂缝两侧的错落特点又可进一步区分为正台阶状裂缝、负台阶状裂缝、无明显错落裂缝3种。i1，台阶状裂缝倾向与坡向一致，负台阶状裂缝倾向与坡向相反。裂缝大体平行排列，台阶高度一般为几厘米至1 m

左右。

(4)滑坡崩塌

由采矿引起的滑坡、崩塌是山区地表移动中最为严重的一种非连续滑动破坏。在陕北等地的黄土粱如区，‘常表现为黄土崩塌和黄土崩滑。

利用遥感图像通过对塌陷坑、地裂缝、地面塌陷等直接标志及地表污染、居民地变迁、地表水系改变、植被和土地利用类型变化、道路改线等间接标志的识别可以确定地面塌陷的范围。遥感识别采矿形成的地面塌陷是在塌陷形成基础上进行的。矿山地面塌陷是受气象、水文、地质构造、采矿条件、开采规模、上露岩土层的组合关系、岩石的物理学性质、岩土力学性质等多种因素综合作用的结果。对这些条件进行有效的分析可极大缩小识别日标的范围，提高遥感解译的准确性和遥感识别的速度，在此基础上利用遥感图像通过对塌陷坑、地裂缝.13J3塌等直接标志及地表污染、居民地变迁、地表水系改变、植被和土地利用类型变化等间接标志的识别可以确定地面塌陷的范围。通过多时相遥感资料对比可以获得塌陷区动态变化信息，为矿区塌陷规律和灾害发展趋势研究提供科学依据。根据煤炭资源分布和未来开采规划进行科学预测，为塌陷区受害村庄搬迁选址和新农村规划提供区域背景参考依据，避免形成“沉陷搬迁沉陷”的恶性循环。

采空地面塌陷作为一种外生地质灾害，破坏耕地，损坏地面建筑物，给工农业生产带来严重威胁，并严重影响着生态环境，产生了于分突出的社会经济矛屑。快速准确地获取塌陷地信息是矿区环境综合治理和塌陷地复垦的关键，传统的调查手段费时费力，难以及时准确获取塌陷地信息，而遥感影像能够真实记录区域地面实况，在塌陷地调查中具有明显的优越性。本文系统地研究了利用遥感影像识别采空地面塌陷的方法，目的是能够及时准确获取塌陷地信息，为复垦、治理采空塌陷区提供基础资料。

本文分析总结了采空地面塌陷的形成机理、塌陷地的主要类型及特征，并详细介绍了常用地球资源卫星的相关参数和技术指标，通过多个实验区的研究、对比，总结了不同数据源在塌陷地遥感识别中的适用范围。归纳了遥感图像预处理的一般流程，着重对融合方法进行了研究，分别选取了大柳塔地裂缝、新密积水塌陷盆地和黄陵崩塌的遥感影像，采用主成分分析(PCA ) , Brovey变换、Multiplicative, IHS变换、高通滤波(HPF ) ,Gram-Schmidt和Pansharp七种不同的方法进行了融合，并对融合结果进行了定性和定量的比较，通过比较发现，Gram-S chmidt和Pansharp融合模型效果最为理想。之后又分别对融合影像进行了不同的增强处理，通过对比试验得知，灰度拉伸、高通滤波、锐化是较为有效的增强方法。概括了图像分类的一般原理和过程，介绍了常用的分类方法，并采用图像闽值化分割分别对积水塌陷盆地、崩塌和崩滑进行了信息提取，效果比较理想。总结了塌陷坑、地裂缝、滑坡及崩

塌等在遥感影像上的直接和间接解译标志，在此基础上，选择河南新密米村煤矿和神府大柳塔煤矿进行了塌陷地遥感识别，并结合相关资料1对识别结果进行了评价，积水塌陷盆地遥感识别简单易行，而地裂缝只有在规模较大、植被覆盖度较低时才会在IKONOS } QuickBird这类高分辨率影像上有所反映。

国内外对于遥感技术在矿区塌陷地研究中的应用作了大量的研究，但是这些研究都存在一定的局限性，如彭苏萍f=}l等主要关注平原积水塌陷地的研究，对于部分塌陷地如干旱非积水塌陷地等信息则研究不够。杜培军[f}l等以TM图像为信息源，在GIS支持下对采矿塌陷地的分类和提取方法进行了研究，而低分辨率的遥感数据仅适用于大规模的塌陷地，对规模小或地形比较复杂的塌陷地则无能为力。塌陷区边界的准确界定对于预测和防治地面塌陷具有非常重要的意义，但是由于其地表面特征与非塌陷区域相比无明显差别，因而对塌陷区边界的识别一直是一个难题[2]。因此，选择合适的数据源，并建立不同类型塌陷地在遥感影像上的解译标志及方法，从而确定塌陷范围并提取塌陷地相关信息，这对我们及时准确掌握塌陷地随开采活动的扩展规律、塌陷区面积、破坏程度、积水区范围等数据资料，为复垦、治理采空塌陷区提供基础资料具有重要的意义。

1.3研究内容

C)采空地面塌陷的主要类型及其特征

通过对典型矿区的调查与分析，总结采空地面塌陷的主要表现形式和特征。

(2)数据源选择

为了提高解译的准确性，如何选择合适时相的遥感数据源来进行采空塌陷地的识别，既能满足信息提取的需要，又能节约资源，是本课题研究的一个重要方面。

C3)研究有利于提取塌陷地信息的图像处理方法

为了提高遥感解译的准确性，需要对遥感图像进行一系列的处理，如辐射校正、几何校正、图像增强处理等。适当的处理不但可以使图像的空间分辨率得到增强，空间纹理信息得到锐化，还可以保持光谱信息不失真，这直接影响后期解译的精度。

C4)探索更快更准确的信息提取方法

常规的信息提取方法包括人机交互解译和计算机自动提取，人机交互解译要由解译经验丰富的人员进行，解译前进行野外踏勘，建立相应的解译标志。解译过程中要结合收集到的相关资料，综合运用多种解译方法。而单靠人工解译费时费力，同时提取的边界范围又不于分准确，而地物光谱特征和反射率的不同为计算机自动提取提供了理论上的可能，这样在研究中就可以将人机交互解译和计算机自动提取结合起来，以便提高信息提取的准确性。

CS)建立不同类型塌陷地在遥感影像上的解译标志

遥感影像是矿区地表塌陷地信息快速提取有效的信息源，结合矿区的实际特点，综合应用遥感信息、地物光谱特征、地学数据、领域知识、空间分析功能等，识别各种塌陷类型，如地表沉陷、塌陷坑(槽)、地裂缝以及由采矿引起的崩塌、滑坡等，准确确定塌陷地范围，并分析各类型塌陷在遥感影像上的解译标志。

C6)选择典型矿区进行应用研究

结合具体情况，选择塌陷较为严重的煤矿、金属矿进行应用研究。