《Advances in Space Research》：A Novel Single-LOS TS-InSAR Framework for Large-Gradient Mining Subsidence Monitoring
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大梯度沉降盆地监测难题，本研究提出STInSAR-IPIM框架，通过两步迭代策略整合边缘InSAR数据与中心实测数据，改进Boltzmann模型提升沉降预测精度。以河北1153工作面为例验证，预测与实测最大误差16.3cm，相关系数0.98，为矿损环境监测提供新方法。
Jibiao Hu|Yueguan Yan|Hongrui Xu|Jinchi Cai|Weiwei Zhou|Biao Lv|Guang Yang|Zhujun Yi
中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083，中国
摘要
煤炭开采会引发岩层内部的应力重新分布，导致顶板断裂和上方岩层的坍塌。采矿引起的裂缝向上扩展会导致地表沉降，从而损坏地表结构和基础设施，并引发一系列环境和生态问题。虽然时间序列干涉合成孔径雷达（TS-InSAR）技术为长期监测采矿引起的地表沉降提供了一种可行的方法，但其应用受到大梯度沉降导致的去相关现象的限制。InSAR视线（LOS）变形反映了垂直沉降和水平位移的耦合效应。一个关键的科学挑战是如何通过将高精度现场测量数据与沉降盆地边缘的LOS InSAR数据相结合，准确地重建高精度的三维位移盆地。本研究将沉降盆地边缘的LOS变形数据与其中心的垂直沉降观测数据相结合，提出了一种两步迭代反演策略用于沉降参数的反演和水平系数的优化，并基于此策略构建了STInSAR-IPIM框架。该框架利用单视线时间序列InSAR数据提取了大梯度采矿沉降盆地。通过对中国河北省Panel 1153的案例研究验证了该框架的有效性，结果显示预测与实测沉降之间的均方根误差（RMSE）为6.2厘米，最大绝对沉降误差在0到16.3厘米之间，平均绝对误差（MAE）为9.8厘米，皮尔逊相关系数为0.98。这项研究证实了所提出的STInSAR-IPIM框架在监测采矿相关地表沉降方面的有效性和实用性，为地表结构保护、生态恢复和矿区复垦提供了关键数据。
引言
煤炭资源继续主导中国的能源结构，是国家能源安全和电力供应稳定的关键支柱（Y. Li等人，2024年）。然而，由于大规模、高强度的煤炭开采，采矿区域的地表沉降问题日益严重，同时伴随着建筑物结构破坏、铁路损坏和高压输电线路中断等采矿引起的严重损害（如图1所示）。煤炭资源开发与环境保护之间的矛盾意味着控制地表沉降以实现低损害采矿对于工业发展至关重要（Bebbington和Humphreys Bebbington，2018年）。通过有效的测量方法获取准确的地表沉降监测数据，以分析沉降模式，是实现低损害和环境可持续煤炭开采的基础和必要前提（Cui等人，2001年）。
目前，在采矿区域获取高精度地表变形数据主要依赖于水准测量和横断测量。尽管这些方法具有较高的测量精度，但它们劳动成本较高，效率低下，在短期观测中的覆盖范围有限，且测量点容易因当地社会活动而受损或丢失（Wang等人，2023年）。因此，这些限制影响了沉降槽监测数据的准确性和获取效率。相比之下，干涉合成孔径雷达（InSAR）技术具备全天候观测能力、长期的时间覆盖范围、成本效益、高时空分辨率和广泛的变形监测覆盖范围（Berardino等人，2002年；Gul等人，2025年）。该技术能够获取时间序列视线（LOS）位移数据，并已被学者广泛用于监测采矿引起的沉降（Maghsoudi等人，2018年）。然而，由于采矿区域的采矿技术、地质条件和地形的多样性及复杂性，InSAR监测结果容易受到去相关现象的影响（Papathanassiou和Cloude，2003年）。例如，在4月至8月的植被生长期间，工作区内密集的植被或作物覆盖会导致低后向散射强度和去相关现象（Chatterjee等人，2010年）。此外，在薄层深度比和浅层高强度采矿条件下，岩层关键层的断裂会导致较大的地表沉降梯度，使得InSAR技术难以有效监测整个盆地的变形；相反，它只能在沉降盆地边缘获取变形监测数据（Zhang等人，2024年）。
目前解决InSAR监测中去相关问题的方法包括几种策略。第一种方法是将现场测量数据与插值方法结合：通过将差分干涉合成孔径雷达测量（D-InSAR）/小基线子集干涉合成孔径雷达（SBAS-InSAR）监测结果转换为地表沉降数据，同时忽略水平变形，空间插值算法如逆距离加权（IDW）或克里金法可以重建采矿区域的大规模地表沉降监测信息（P. Li等人，2024年；Chai等人，2021年）。第二种方法将D-InSAR技术与大规模现场沉降数据相结合：通过利用雷达入射角将LOS监测结果转换为垂直位移，该方法成功反演了与沉降相关的概率积分法（PIM）参数，从而获得采矿区域的全面地表沉降盆地数据（Fan等人，2014年）。第三种策略采用数值模拟来重建盆地内的地表运动，并通过InSAR监测或现场测量数据进行交叉验证以确认结果的可靠性（Ma等人，2023年；Yuan等人，2022年；Zhou等人，2023年）。第四种方法利用D-InSAR或时间序列InSAR在盆地边缘获取LOS变形数据，通过雷达入射角将LOS变形转换为沉降，同时忽略水平运动，并应用带状数据融合将InSAR边缘监测与PIM预测的中央盆地结果相结合，最终生成全面的沉降盆地信息（Liu等人，2023年）。第五种方法利用采矿沉降预测模型辅助InSAR相位解包裹，从而在受InSAR去相关影响的区域恢复LOS变形（Jiang等人，2023年）。
然而，现有研究中仍存在一些未解决的问题。首先，通过插值方法恢复变形的效果高度依赖于现场测量数据的数量和空间分布，这使得建立稳健的理论模型或获得准确的盆地范围监测结果变得困难。其次，苏联学者Avershin分析了大量的采矿沉降现场数据，并基于塑性理论建立了垂直和水平地表运动向量之间的差异关系，提出了水平变形与地面倾斜成正比的开创性假设（Liu等人，2016年）。根据Avershin的经验理论，水平位移系数范围为0.2至0.3，表明水平运动占最大沉降的20%-30%。因此，仅基于雷达入射角将InSAR LOS变形转换为沉降，而忽略水平位移分量，是一种简化的计算方法。第三，目前有限元或离散元数值模拟主要用于定性分析；因此，准确恢复毫米级地表变形仍然具有挑战性，因为这些方法需要详细的钻孔数据和精确的岩石力学参数（Huang等人，2024年）。第四，辅助InSAR相位解包裹的策略依赖于经验采矿模型的准确性。由于采矿区域地质条件的复杂性，如工作面的重复开采，这些经验参数往往缺乏普遍性。
为了解决这些挑战，本研究建立了一个基于单视线时间序列InSAR干涉测量来提取采矿区域大梯度位移盆地的框架。考虑到采矿条件的复杂性和PIM在各种全开采场景中的适用性，我们引入了一个Boltzmann模型来改进传统的PIM，将这种改进的方法称为IPIM。利用SBAS-InSAR技术，获取了研究区域内工作面开采引起的时间序列LOS变形数据。基于本研究提出的两步迭代反演策略用于沉降参数的反演和水平系数的优化，获得了一整套沉降预测参数，最终利用IPIM模型通过前向预测恢复了采空区上方的3D地表变形。此外，以研究区域内的Panel 1153作为工程案例，验证了所提方法的准确性，并通过现场测量的沉降数据进行了验证。基于此案例，进行了有限元软件模拟，分析了废弃采空区对地表变形和沉降预测参数的影响，系统地研究了所提框架的适用性。
研究区域
研究区域
Panel 1153位于中国河北省的一个丘陵采矿区，地形起伏适中（见图2）。工作面1153与工作面1152、1154和1155相邻。工作面1152从2014年10月开采到2015年12月，随后工作面1154从2015年12月开采到2016年6月，最后工作面1155从2016年12月开采到2017年6月。主要开采目标是煤层#2，其平均厚度为4.0米，倾角为23°。该面板沿...
总体框架
煤炭开采引起的岩层运动表现为空间矢量的变化；然而，地表损伤通常使用包括沉降、水平位移、倾斜度和曲率等指标来表征。具体来说，当倾斜度达到3毫米/米、水平位移达到2毫米/米或曲率达到0.2毫米/米2时，地表结构被认为满足一级损伤条件。因此，获取准确的三维位移盆地至关重要
与实测数据的验证
为了捕捉研究区域内Panel 1153采矿活动引起的地表运动和变形模式，在工作面上方地面建立了一条测量线q，这条测量线与Panel 1153的空间关系如图8(d)所示。
根据测量线q上的沉降数据，进一步计算确定了观测线沿线的地面倾斜度和曲率变形，如图所示。
分析采矿扰动对旧采空区沉降预测参数的影响
采矿过程中可能出现的重复扰动包括同层相邻扰动和多层相邻扰动。在开采Panel 1153的过程中，来自相邻采空区的扰动是一个典型的同层相邻扰动案例。
针对本工程案例中观察到的相邻采空区对Panel 1153的扰动效应，本研究旨在进一步揭示同层相邻扰动的影响
结论
为了解决地下矿井InSAR监测沉降盆地中的不连贯性问题，本研究提出了一种基于单视线时间序列InSAR的大梯度提取框架（STInSAR-lPIM）。该框架采用Boltzmann改进的概率积分方法，将盆地边缘的有效InSAR测量数据与中央沉降区的真实数据相结合。通过一种新颖的两步反演策略，它重建了大梯度...
未引用的参考文献
Dai和Wang，2003年；Li等人，2024a年；Li等人，2024b年；Liu和Dai，2016年；Yang等人，2017a年；Yang等人，2017b年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
