矿区地面沉降论文答辩

据新闻报道，5月12日11时40分，安徽省淮北市濉溪县玉鑫矿业有限责任公司矿围墙外东北部约100m处发生地面沉降，经全力救援，并未发生人员伤亡事件。此外，官方并没有更多的消息发布，对于地面沉降的原因，可能还在调查之中吧。

但我们知道，所谓的地面沉降，就是地面塌陷，是因为下方有空洞，上方的土层才可能会下陷。一般来说，大量抽取地下水、采矿以及地壳运动等都会造成地下产生空洞，使得地面出现沉降的现象。

这起新闻中事件中，地面沉降的原因明显是由采矿造成的。根据通报，淮北市濉溪县玉鑫矿业有限责任公司是一家从事铁矿石开采加工的企业，发生沉降的位置又是他们公司矿围墙边上，这次沉降跟采矿必然是有关系的。据悉，濉溪县矿产资源丰富，已探明的煤矿资源储量有60亿吨，铁矿也有1亿吨，但濉溪县地势平坦，并没有什么大的山脉，所以这些矿产都是藏在地下的。而要把这些矿产开采出来，势必要在地下挖出很大的空间，比如通道、比如矿洞等等，如果这些地下空间的支撑做得不牢固，回填又不及时不充分，空洞上方的地面就是很容易塌陷下沉的，这是很简单的逻辑。

地面沉降的危害很大，矿区还算好一点，没有什么大型的建筑物，大家对地面沉降也有比较充分的准备，但在别的地方，地面沉降会造成更大的损失。比如在路上行驶时，前面突然有个洞，这谁能想到，又如何防备呢？我们普通人能做的大概就是节约用水，并对那些非法抽取地下水、私自采矿等行为进行举报了，别的事情也是无能为力。

地下水水位大幅急速下降。以至形成地下水降落漏斗。造成地面沉降、塌陷。河流,湖泊水量减少形成干涸等灾害。减少泉流量。而泉流量减少则破坏了古建筑物与文物的保护,甚至因泉水枯竭使古井和旅游景点失去了应有的旅游价值。

1、地面沉降

地面沉降是一种地面变形现象。长期开采地下水，特别是过度开采，降低了开采含水层的水头压力，从而导致黏土(淤泥)质隔水层及含水层中黏土(淤泥)质透镜体被压缩，造成地面区域沉降。称这种现象为地面沉降。地面沉降的高度称为沉降量。

2、地面塌陷

地面塌陷系指上覆的第四系松散岩类或隐伏岩溶顶板在人为活动或天然因素作用下，特别是水动力条件变化引起的环境效应引起的突然塌陷。地面沉降也是一种地表变形现象，主要发生在隐伏岩溶地下水矿区，又称岩溶塌陷。

3、海水入侵和咸水入侵

据有关调查分析资料，辽宁省、黄渤海、山东胶东半岛、河北省秦皇岛市、广西壮族自治区北海市等部分沿海地区遭受海水入侵。海水入侵总面积已超过1500平方公里，重海地下水氯离子含量超过1000毫克/升。进水面积350多平方公里。

造成此现象的原因，一是大量开采地下水，第二是人类的工程经济活动。

(一)算法选择与数据处理流程

差分干涉的数据处理流程为:首先获取实验区DEM以及SAＲ干涉影像数据，检查数据是否满足算法要求，然后进行影像配准，计算相干系数并生成干涉图，在方位向上进行5视处理;去除平地相位以及地形相位，对差分干涉图进行滤波，根据成像几何关系，获得沿斜距向的形变信息，并投影到垂直方向，即生成所需的沉降图。

从物理角度上将干涉相位分解，可以写为下式:

退化废弃地遥感信息提取研究

式中:φflat为平地效应引起的相位，通过成像几何关系消除平地效应;φtopo为地形引起的相位;φdef为最后剩余的形变信号;φorb为轨道误差引起的相位，可用精密轨道以减少误差;φatm为对流层及电离层延迟引起的相位，天气晴朗的情况下可以忽略;φnoi为噪声引起的相位，可对干涉图进行平滑去噪处理。

根据地形相位φtopo的消除方式，差分干涉分为二轨法、三轨法和四轨法。

二轨法使用两幅SAＲ图像以及外部DEM数据(例如SＲTMDEM)，外部DEM数据用来消除地形相位，消除的过程即差分处理。二轨法的优点是不需要对DEM数据进行相位解缠，因此也不会引入与其相关的误差，缺点是得到的形变图分辨率受到DEM数据空间分辨率的影响。

三轨法使用三幅 SAＲ 图像，一主两副。图像1 和图像2 一般时间间隔较短，以保证两次成像期间地表几乎没有变化，形成的第一幅干涉图可近似地认为只含有地形产生的干涉相位，用来消除地形信息，三轨法可用于无 DEM 的区域。然后对图像 1 和图像 3 进行干涉处理，生成包含地形相位以及形变信号的第二幅干涉图，后者与前者的差分即为图像 1和图像 3 之间的位移。

四轨法使用四幅 SAＲ 图像，两主两副。第一幅干涉图与三轨法相同，由图像1 和图像2 生成，不同的是第二幅干涉图用图像 3 和图像 4 生成，减去第一幅干涉图即为图像 3 和图像 4 之间的形变。四轨法类似于三轨法，不同的是地形干涉图与形变干涉图相互独立，选择空间更大，应用更加灵活，常用于有 Tandem 像对的情况。

考虑到数据成本及结果精度，本研究使用二轨法进行矿区沉陷监测。

二轨法数据处理流程如图 6 －15 所示。

图 6 －15 二轨法数据处理流程图

( 二) 影响因素分析

干涉处理中的去相干因素包括时间失相干、空间失相干、数据处理失相干、对流层及电离层影响。因此，总的相干可以表示为:

退化废弃地遥感信息提取研究

1. 时间失相干

很多情况下，星载 SAＲ 顺轨干涉图像的获取时间不同，间隔短则一天，长则数月甚至数年。在此期间，地面可能会发生变化，而任何变化都有可能改变雷达信号的相位及其统计分布，由此引起的相干性减弱甚至消失称为时间失相干。引起时间失相干的主要因素有: 植物生长或因收获、耕作、大风等引起的植被变化; 液体表面的不断运动，例如海洋、湖泊、池塘等，混同于沼泽或者不稳定区; 地面滑坡、地震等突发事件; 人类活动，例如商业中心停车场地在空间上的发展、建筑工程、森林砍伐等引起的其他变化; 降水、冰雪覆盖以及融化等环境变化。简而言之，地表位移以及环境因子是造成时间失相干的主要因素。

假设地表位移为高斯分布，那么相干性可以用散射体的 ＲMS 位移来近似替代 ( Zebker，1994) :

退化废弃地遥感信息提取研究

式中:σy和σz分别为沿交轨和垂直方向的位移。对于EＲS－1/2C波段卫星，取λ=5.7cm，参考入射角θ=23°，JEＲS－1L波段卫星，λ=23.5cm，参考入射角θ=35°，图6－16和图6－17反映了EＲS卫星及JEＲS－1的水平及垂直ＲMS位移变化与时间失相干的关系。

图6－16 时间失相干与散射体ＲMS位移的关系图(EＲS－1/2)

图6－17 时间失相干与散射体ＲMS位移的关系图(JEＲS－1)

从图 6 －16 和图 6 －17 中可以发现，约 3cm 的 ＲMS 位移足够使得 EＲS －1/2 C 波段的数据完全失相干。JEＲS －1 卫星达到约 10cm 的 ＲMS 位移，才造成完全的时间失相干，其相干性所容许的最大 ＲMS 位移要远远高于 EＲS 卫星，这充分说明 C 波段的雷达波比 L 波段的雷达波对地面变化更加敏感，也可以说同样的 ＲMS 位移 L 波段的雷达波能够保持比 C波段的雷达波更高的相干性。

2. 空间失相干

地面分辨单元内各个散射体回波的矢量和构成了回波振幅和相位。如果两次获取地面图像时几何条件相同，而且散射体的位置没有发生任何变化，那么两次成像振幅和相位相同; 如果几何条件发生变化，例如天线入射角发生了变化，那么回波相位就会发生改变，这种现象即为空间失相干。任何干涉仪都不可避免地会遇到此类问题。

对于 ENVISAT ASAＲ，名义临界基线距为1. 1km。对于 ALOS PALSAＲ，名义临界基线距为12. 6km。假设有效基线长度已知，那么基线导致的空间失相干可由式 ( 6 －14) 计算:

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3. 数据处理失相干

数据处理失相干包括很多方面，例如配准失相干、插值失相干、干涉图滤波以及相位解缠等，一般配准失相干的影响作用最为显著，其他可通过相应的方法来抑制，如果方法不当则会导致配准失败或误差过大。配准过程引入的误差会降低干涉图的相干性，进而引入相位噪声，当配准误差达到 1 个像素，两幅影像将完全不相干。Just 和 Bamler ( 1994)给出了距离向和方位向的配准失相干公式:

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式中:μr为配准误差，介于0和1之间。

(三)研究数据与方法

本研究利用二轨法对影像数据进行处理以获取地面沉降信息。首先，利用两幅SAＲ成像时的几何关系，将DEM反演成只含地形信息的干涉图并将其投影到SAＲ影像坐标系下。然后与由两幅SAＲ影像得到的含有地表形变信息的干涉图做差分，从而求得形变信息。由以上分析可知获取精度满足要求的DEM数据是二轨法的关键。2000年2月，美国进行了航天飞机测图任务(SＲTM)，该任务对北纬60°到南纬54°间的广大区域进行了干涉测量，可以提供分辨率30m、高程精度优于16m的覆盖陆地表面80%的DEM数据(图6－18、图6－19)。

研究所用雷达数据为欧洲太空局的ENVISAT－1卫星ASAＲ(AdvancedSyntheticApertureＲadar)合成孔径雷达传感器获取的徐州地区的二景影像数据。SＲTMDEM数据的发布为两通差分干涉测量的广泛应用提供了数据保证。所以本次所用数据为ASAＲ数据产品中成像模式的0级原始数据，产品代码为ASA_IM_0C，以及SＲTMDEM数据提供的高程数据。

图6－18 徐州市DEM平面示意图

图6－19 徐州市沛县附近实验区DEM三维示意图

数据名称如下:

ASA_IM__0CNPDE20090120_022105_000000642075_00404_36029_9461.N1

ASA_IM__0CNPDE20070327_022114_000000792056_00404_26510_1403.N1

N34E116.hgt

N34E117.hgt

从ASAＲ数据的文件名可以看出这两景数据都是N1格式文件，两景影像获得时间分别是2009年1月20号和2007年3月27号，Track(轨迹)号都是404，第一个轨道号是36029，第二个轨道号是26510。通过GAMMA软件处理，把2009年1月20号和2007年3月27号的0级原始数据处理成单视复图像(SLC)，获得的两景影像的垂直基线为271.95m、时间基线665d，在SLC上截取所需要的研究区范围，进行数据处理以获得区域形变量。

(四)徐州市区地面沉降监测

截取了徐州市区影像，范围为北纬34°11'7.58″～34°24'0.34″，东径117°23'1.19″～117°17'48.62″(图6－20)，以2009年1月20号的影像为主影像(图6－21为强度图)，2007年3月27号的为副影像，对外部DEM进行二轨法分析。

图6－20 徐州市区的地貌图

由图6－22的相干系数图看，整体的相干性比较好，大部分地区的相干系数都大于0.5。由图6－23的沉降图可知，徐州市区存在地面沉降，沉降量达到10mm左右，有的区域的沉降量达到38mm左右。从沉降的分布来看，市区中心的沉降比较小，主要分布在市区中心的外围地区，这也符合了徐州市这个煤矿大城市的地理分布情况，一般徐州市的煤矿远离市区中心，分布在市区中心以外的四周。在图6－24中的①处沉降量较大，达到38mm，结合当地的地理环境分析，附近有大型现代化矿井———庞庄煤矿，该煤矿由庞庄、张小楼三对井口组成，井田面积18.3km2，工业广场面积1.36km2。张小楼新大井成功改扩建以后深度达－1025m，为华东地区第一深井。每年采煤量达到260万t。可能由于每年的采煤以及地下水的不断开采，导致所在地以及周围区域出现了地面沉降的现象，还呈现出向东北沉降的趋势。从图6－24中还可以看到，在庞庄煤矿那一带的沉降比市区中心地带的沉降明显许多，但是整个徐州市的平均沉降量还是比较小的。

图6－21 徐州市区强度图(左右倒置)

图6－22 徐州市区相干系数图(左右倒置)

图6－23 徐州市区沉降图(左右倒置)

图6－24 沉降漏斗(左右倒置)

(五)大屯镇地面沉降监测

大屯镇是徐州市的“十强镇”之一，已探明煤炭储量24亿t，能均衡开采100年，年产原煤1200万t，大屯煤电集团公司坐落于镇区腹地，拥有龙东煤矿、姚桥煤矿、徐庄煤矿和孔庄煤矿，大屯中心区是煤矿城市徐州市的一个典型区域。图6－25是截取的大屯中心区的影像，范围是北纬34°45'56.78″～34°53'58.23″，东经116°51'23.46″～117°0'3.27″，由于龙东煤矿不在SLC上，所以截取的范围只包括其他三座煤矿。在图6－26上看到明显的煤矿区，其相干系数很高，一般大于0.6(图6－27)，采用二轨法获取的大屯中心形变图如图6－28所示。

图6－25 大屯中心区的地貌图

图6－26 大屯中心区强度图(左右倒置)

图6－27 大屯中心区相干系数图(左右倒置)

图6－28 大屯中心区形变图(左右倒置)

将差分得到的形变图左右倒置后，可得到大屯中心区的沉降图(图6－29)，从沉降图中可以看出，从2007年3月27日到2009年1月20日共665天的时间跨度里，大屯中心区大部分地区存在着明显的沉降趋势，沉降分布与矿区分布基本一致，姚桥、徐庄、孔庄煤矿都出现了地面沉降，70%以上区域的沉降量大于10mm。图6－29中三角形标示区域为大屯中心区，沉降量最大达到61mm，平均沉降量为3mm，年平均最大沉降累积量达到33.5mm。

图6－29 大屯中心区沉降图

根据上文对大屯中心区基于水准测量的结果可知，到2010 年预计最大累计沉降量将达到753mm，在这五年期间的年平均最大沉降累积量达到30. 6mm，比较水准测量和D-InSAＲ 二轨法监测的结果，两者仅相差2. 9mm，由此可知，用D-InSAＲ 二轨法监测徐州市大屯中心区的年平均最大沉降累积量与水准测量得到的结果具有一致性( 表6 － 15) 。

表6－15 两种监测方法结果的比较单位:mm

随着大屯中心区经济的发展，人口逐渐增多，煤矿资源的不断开采，地面沉降的趋势必然加剧，而地面沉降所带来的城镇防洪抗洪能力降低、地下基础设施破坏等危害，必将影响该地区的生产和生活，造成巨大的经济损失。因此，大屯中心区应合理利用地下水资源，合理地开采煤矿资源，完善地面沉降动态监测系统，尽早采取措施减缓沉降趋势。

地下水以及矿产被开采过度都会引起地面下降，估计你们老师就是想让你写一篇环保类的文章