ArcGIS软件在矿山开采沉陷监测中的应用

张智华

（江西省核工业地质局二六五大队（核工业鹰潭工程勘察院）,江西 鹰潭 335000）

近年来，InSAR技术广泛的应用于地面沉降观测中，如城市地面沉陷、隧道开挖沉降和矿山开采沉降监测等领域，取得了显著的成效。InSAR技术可以获得较高精度的地表垂向形变信息，与传统的GPS等测量方法相比具有面监测、大范围空间监测、定性与定量分析、较高的精细程度和低成本、效益高的优势。

随着ArcGIS技术逐渐应用于矿山开采三维分析，借助ArcGIS软件对InSAR影像进行一定的处理，可以有效的提高矿山开采沉陷监测精度。

1 InSAR监测技术的优点

与常规监测技术相比，InSAR监测技术的优势如下：

（1）具有面监测的强大优势。与传统的技术相比而言，InSAR技术是在同步条件下完成对观测对象信息的获取，也意味着在相同的时间间隔内可获得大范围的观测数据，即获得的数据是同时的、同步的。InSAR以一种非接触的方式全面反映整体变形情况，能够改变目前形变监测中监测点密度稀疏、点位监测不连续的状况，由“片段式”监测逐步发展为“全范围”测量。

（2）具有大范围空间监测优势。与传统技术相比，InSAR技术监测范围很大，并且具有高密度点位采样的特征[1]。传统手段要解决大范围监测难度很大，比如水准测量，路线越长、误差越大、测量时间越长。

（3）具有定性与定量分析优势。InSAR获得的不仅仅是高精度的形变图，而且是定量的形变图。从PSInSAR时序分析处理结果来讲，每一个相干目标不仅有形变速率，还有累积形变量和时间序列，每一个点都是一个变化过程，每一个时段又是一张变形场的“图谱”，可以回溯历史，也可以继续监测变化。

（4）具有较高的精细程度。InSAR在空间上的采样密度和时间上的观测频率都有很好的精细度[2]。实际应用中，采样密度即相干点的分布密度，多取决于所用SAR数据的分辨率与数据处理方法，分辨率越高，精细程度越高，目前工程所采用的TerraSAR-X分辨率能够达到3m左右。TerraSAR-X、Sentinel-1A等观测周期越来越密集，达到10天左右，在双星编队组网后可以达到10天以内甚至更短。

（5）低成本、效益高。一般来说，检测成本随着检测效率的增高而降低，主要体现在监测耗时短、耗费的人力、物力等资源明显减少。

2 ArcGIS软件在矿山开采沉陷监测中的应用

2.1 矿山开采沉陷空间位置分析

InSAR在地表沉降监测中有着明显的优势，但以InSAR干涉影像为基础，通过ArcGIS软件的处理操作，可以有效的提高监测精度。在完成InSAR干涉影像差分处理的基础上，获得相应图幅的InSAR干涉影像在一定时间间隔内的矿山沉陷图，在结合开采平面、水准测量等资料，将多种数据统一到同一坐标系统下，采用ArcGIS软件解译，开展矿山沉陷定量分析。

在获得Terra-SAR干涉数据的基础上，将干涉影像按照成像时间分为3个干涉对，分别编号为1、2、3（表1）。在经过差分干涉处理和误差分析等步骤后，将相应的InSAR水平方向的变形图转换为垂直方向的沉陷图[3]，并将相应的数据导入到ArcGIS软件开展相应的后期处理。通过ArcGIS软件处理后可以得出，干涉对1所在区域的干涉影像明显的显示出了开采沉陷区域，与矿山第一阶段的A区域回采工作相吻合，其空间展布特征与A区域开采工作面基本保持一致。

干涉对2所在区域的干涉影像也明显的反映出了开采沉陷区域，与矿山第二阶段的B区域回采工作相吻合，其空间展布特征与B区域开采工作面基本保持一致；干涉对3的时间间隔是干涉对1和2之和，在沉陷图中所反映出来的沉陷范围与A、B两个区域的开采工作关系密切，即在空间上所呈现出来的沉陷范围与A、B开采工作区十分吻合。此外，在干涉对3所反映的沉陷图和干涉对1和2所反映的沉陷图中对比发现，随着矿山开采后时间的累积，矿山地表沉陷中心逐渐由北东向南西发生偏移，且总的沉陷区域明显有所增加。由此可知，通过ArcGIS软件处理后的InSAR干涉数据更能清晰的、准确的反映出沉陷范围，对矿山开采沉降监测有着重要的帮助，具有较为广阔的应用前景。

表1 Terra-SAR影像干涉对参数

2.2 矿山沉陷定量分析

由表1可知，干涉对1、干涉对2和干涉对3分别对应的时间间隔为11d、22d和33d，该相应的时间间隔内，借助InSAR干涉数据和ArcGIS软件处理后的沉陷图可获得最大沉陷量分别为41mm、43mm和47mm，总体上沉降速率约0.87mm/d，而仅仅使用InSAR技术处理后获得的沉陷速率为0.93mm/d，二者之间存在较明显的误差，主要原因在于第一阶段的开采工作导致矿山范围内出现较大的沉陷幅度和较高的相位梯度，也导致沉降中心及其附近的沉降幅度的连续性不好，进而使得InSAR技术的监测精度明显降低。

在InSAR技术处理的基础上，结合ArcGIS软件进行相应的处理工作，可以有效的提高三维可视化显示效果，进而提高矿山开采沉陷监测精度。

3 结语

综上所述，InSAR技术结合ArcGIS软件在矿山开采沉陷监测中具有良好的应用效果，不仅可以提高监测精度，还能更准确的判别出沉陷运移的方向等。

本文以某矿山开采沉陷监测为基础，从矿山开采沉陷空间位置分析和矿山沉陷定量分析两个方面讲述了ArcGIS软件在矿山开采沉陷监测中的应用，为矿山开采沉陷监测提供借鉴意义。