摘要
易门县铜矿开采为当地经济发展起到了极大的推动作用，随着资源的不断采掘，采空区的数量和规模不断扩大，造成山体稳定性降低，极易诱发以地面塌陷为主的地质灾害，对人类生命财产安全及地区生态环境形成较大的威胁。本文联合InSAR、无人机遥感技术结合地面详细调查弥补了传统技术手段的不足，对易门县铜矿采空区地面塌陷快速、有效地开展了监测工作，查明了其发育情况及特征，科学合理地开展了分区及风险性评价工作。结果表明，研究区可划分凤山地面塌陷区、狮山地面塌陷区、明塘地面塌陷区3 个分区，通过对其活动性、危害性进行定性评价，凤山地面塌陷区、狮山地面塌陷区判定为高风险等级，明塘地面塌陷区判定为中风险等级。
Abstract
Copper mining in Yimen County has played a significant role in promoting the local economic development. With the continuous extraction of resources, the number and scale of mined-out areas have been continuously expanding, resulting in a decrease in the stability of the mountain and making it highly prone to geological disasters mainly characterized by ground subsidence, posing a considerable threat to human life and property safety as well as the regional ecological environment. This paper, by integrating InSAR and unmanned aerial vehicle (UAV) remote sensing technologies with detailed ground investigations, has made up for the deficiencies of traditional technical means. It has rapidly and effectively carried out monitoring work on ground subsidence in copper mine goaf areas in Yimen County, clarified its development and characteristics, and scientifically and reasonably conducted zoning and risk assessment work. The results show that the study area can be divided into three zones: Fengshan ground subsidence zone, Shishan ground subsidence zone and Mingtang ground subsidence zone. Through qualitative evaluation of their activity and hazard, the Fengshan ground subsidence zone and Shishan ground subsidence zone are classified as high-risk areas, while the Mingtang ground subsidence zone is classified as medium-risk areas.
Keywords
0 引言
云南省易门县早在元朝时就开始进行铜矿开采，明清时期已初具规模（俞开基，1988；易门科普网，2019）。新中国成立后，为满足经济建设需要，易门县矿务局开始在绿汁镇进行大规模采选，并逐渐形成了狮山、凤山等7座大中型矿山，铜矿开采为地方经济起到了极大推动作用（余成光，1988；顾晓春，1990；黄仲权，1990）。随着矿区铜矿资源不断采掘，采空区数量和规模都在不断扩大，巷道顶部的岩层错动、冒顶大量发生，山体稳定性降低，极易诱发以地面塌陷为主的地质灾害，严重威胁矿区人民生命、财产安全和矿山生产活动，因此，开展地质灾害调查和风险性评价工作意义重大（武军，1999a，1999b；黄玉，2008；胡静云等，2014；韩亚等，2020； 王志等，2020；周超等，2020；王文考等，2022）。
地面塌陷的监测和风险性评价难度较大，塌陷过程无法进行全方位的追踪和监测，同时人工监测作业周期长、工作量大、成本高，且作业区危险性高 （梅金华，2016；胡华宗，2020；王颂等，2023）。随着现代遥感技术的发展，无人机遥感技术的普及以及 InSAR 技术的广泛应用，有效地弥补传统技术的不足（吴侃等，2012；高小六，2013；姚丹丹等，2014；段顺荣等，2021）。本文结合 InSAR、无人机遥感技术和地面调查，获取研究区地面塌陷特征，初步开展分区工作，通过建立风险性评价体系，对各灾害分区进行风险性评价。
1 研究区区域地质特征
1.1 地理位置
研究区位于云南省易门县绿汁镇（图1），为绿汁江中游地段，易门、双柏两县交界处，距易门 15km，距省会昆明 146 km。研究区地理坐标为东经： 101°56'12″~101°57'32″，北纬：24°40'27″~24°37'53″，面积10.36 km2。
1.2 地质环境
（1）气象、水文
研究区属亚热带季风气候，冬少严寒，夏无酷暑，干湿季分明。由于高差大，地形复杂，具有立体气候的特点。区内年平均气温 18.12℃，多年平均降水量750 mm。
区内主要河流为绿汁江，一系列东西向小溪，汇入绿汁江，形成以绿汁江为主，流向由北向南的水系。
（2）地形地貌
区内绿汁江切割剧烈，山高谷深，山顶海拔 2000~2400 m，沟谷江面标高 1000~1200 m（图2）。绿汁江呈“V”形河谷，由北向南纵贯全区，山脉亦呈南北向展布，绿汁江两岸山势陡峻，坡度 30°~60°，局部出现陡坎（图3）。
（3）地层岩性
区内出露变质岩为主，地层由老至新依次为元古宇昆阳群，中生界三叠系、侏罗系和第四系。区内大面积出露昆阳群鹅头厂组（Pt1e）和绿汁江组 （Pt1lz），岩性以板岩、砂岩、硅质岩和白云岩夹板岩为主；三叠系普家村组（T3p）出露于西部小菜园一带；侏罗系冯家河组（J1f）、张河组（J2z）和蛇店组（J3s）出露于西南部边缘小木奔村一带；第四系出露于河谷盆地。
（4）工程地质
按工程地质岩组划分原则，研究区可划分为松散土体，较坚硬薄—中厚层砂泥岩岩组，坚硬中— 厚层块状中等岩溶化灰岩、白云岩岩组，较坚硬中—厚层多层理板岩岩组4个岩组。
图1研究区地理位置图
图2研究区地貌渲染图
图3研究区坡度图
（5）地质构造
研究区处于川滇经向构造带与南岭纬向构造带之交接部位，应力集中，构造极为发育。区内主体构造为绿汁断裂、小绿汁断层等，受构造及风化作用，岩体破碎，风化强烈，属碎裂—散体结构。
（6）人类工程活动
研究区为狮凤山铜矿、菜园河铜矿等矿山开采区，原有地貌损毁严重，同时地下开采引起的地层错动、堆放固体废弃物形成的斜坡等，极易引起滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害。
2 数据源及处理
笔者收集了利用哨兵一号（Sentinel-1A）卫星数据提取的 2019—2020年 InSAR地表形变数据；利用无人机摄影测量获取的 0.5 m 分辨率的正射影像数据；为了科学合理地开展风险性评价工作，还收集了基础地质、工程地质、矿山开发及气象数据等，同时开展了地面详细调查工作。
2.1 地表形变数据
（1）数据来源及数据情况
为反映最新地表形变信息特征，且满足时序合成孔径雷达干涉测量技术的精度需求，本次 InSAR地表形变信息提取采用了欧洲航天局“哥白尼计划”（GMES）中的 Sentinel-1（简称哨兵 1）地球观测卫星数据。目前，哨兵 1 号有两颗卫星组成（Senti‐ nel-1A/B），均为 C 波段多极化合成孔径雷达（波长 5.6 cm），可提供全天时、全天候（白天、夜晚和各种天气）连续成像。
笔者共收集 2019 年 1 月 —2020 年 12 月共 60 期，合计 179 景数据用于地表形变研究。每期次包含：升轨数据 2 景（景号 26~79、26~73），降轨数据 1 景（景号62~509）（表1）。
表1研究区Sentinel-1数据统计
（2）InSAR地表形变特征
InSAR 地表形变信息处理主要采用相位叠加 （Stacking-InSAR）技术，是在 D-InSAR 处理生成的差分干涉图的基础上进行，在此基础上进行解缠相位图叠加。通过提取，在升轨中有 2 处较为明显的集中形变区，为530425040001R、530425040002地面塌陷；在地面降轨数据中有 1 处较为明显的集中形变区，为530425040011R地面塌陷（图4）。
图4研究区InSAR地表形变分布图
a—升轨；b—降轨
530425040001R 形变特征：地表形变在升轨数据上反映明显，分布于地面塌陷区中部，呈椭圆形，长 939 m，宽 550 m，平均形变速率-3.25 mm/a，最大形变速率达-17.21 mm/a。
530425040002R 形变特征：地表形变在升轨数据上反映明显，分布于地面塌陷区中西部，呈椭圆形，长 1065 m，宽 694 m，平均形变速率-6.79 mm/a，最大形变速率达-26.26 mm/a。
530425040011R 形变特征：地表形变在降轨数据上反映明显，分布于整个地面塌陷区，呈椭圆形，长1137 m，宽460 m，平均形变速率-9.93 mm/a，最大形变速率达-24.46 mm/a。
2.2 无人机摄影测量数据
研究区植被茂密，且山势陡峭，高差大，地形复杂，危险程度高。综合考虑航摄环境，为获取优质数据，本次采用CW-15垂直起降无人机航摄平台。
摄影测量选用 JR503 航空多视角全景摄影系统，该系统是从专业量测型数码相机演化而来的倾斜相机，可获取单张 2430 万像素的图像，确保足够的覆盖范围，其正射幅宽 6000 像素，加上优于 1.5 s 的曝光间隔，具有高效的航拍效率和足够的影像重叠率。通过无人机摄影测量获取到研究区 0.5 m 分辨率的正射影像。
图5研究区地质灾害及隐患分布图
2.3 其他数据
为科学合理地开展研究区地面塌陷风险性评价工作，笔者还收集了研究区DEM、基础地质（1∶20 万区域地质图）、第三次全国国土调查、国土空间规划、矿山开发等基础资料。上述资料由测绘、国土等多部门形成，数据格式、投影不尽相同，笔者通过文件转换、投影变换等方法，将收集的基础数据统一转换为 ArcGIS 软件可以使用的矢量（Shp）、栅格 （Tiff）等格式，投影参数均转换为 CGCS2000 坐标系、6 度带、中央经线 105°。同时，利用本次无人机摄影测量获取的正射影像为底图，更新解译了研究区水系、交通、土地利用等基础地理要素。在此基础上，同时开展了地质灾害地面详细调查工作，确保了数据的时效性。
3 研究区地质灾害及隐患发育情况和地面塌陷分区
3.1 研究区地质灾害及隐患发育情况
通过地面详细调查工作及整理分析收集的资料，研究区现有地质灾害及隐患共计 17 处。其中，地面塌陷 7处（狮山铜矿区发育 4处，凤山铜矿区发育3处，均为工矿企业开发造成，为典型的人类工程活动诱发）、崩塌 4 处、泥石流 2 处和地裂缝 4 处，研究区各类型地质灾害及隐患分布详见图5。
3.2 研究区地面塌陷分区及其特征
（1）采空区地面塌陷分区
根据地面详细调查，研究区发育与狮山、凤山矿山开发相关的地质灾害 13 处，包括地面塌陷 7 处，崩塌 2 处，地裂缝 4 处。其中，狮山矿区发育地质灾害 7处（地面塌陷 4处、崩塌 1处、地裂缝 2处）； 凤山矿区发育地质灾害 6 处（地面塌陷 3 处、崩塌 1 处、地裂缝 2 处）。结合 InSAR 地表形变信息、无人机正射影像地面塌陷要素解译结果，进一步将研究区地面塌陷划分为3个区，即凤山地面塌陷区、狮山地面塌陷区、明塘地面塌陷区（图6）。
（2）凤山地面塌陷区特征
①基本特征
凤山地面塌陷区位于研究区南部，绿枝江河谷西岸，中心点坐标为东经 101.946182°，北纬 24.644444°。区内属侵蚀剥蚀中山地貌，岩性为前震旦系绿汁江组灰岩、鹅头厂组板岩、砂岩、硅质岩。坡体植被以灌木为主，覆盖度较低。该区在云南达亚有色金属有限公司凤山铜矿矿权范围内，开采方式以地下开采为主。受此影响，该处稳定性降低，存在多处塌陷坑。地面详细调查显示，区内发育地面塌陷3处、崩塌1处、地裂缝2处。
图6研究区地面塌陷分区图
a—地面调查地质灾害分布；b—地面塌陷要素遥感解译；c—地面塌陷分区
图7凤山地面塌陷区正射影像（a）及InSAR形变特征图（b）
②综合遥感特征
无人机正射影像特征：该地面塌陷区色调呈灰绿、灰褐色调，局部见有灰白色，影纹杂乱，整体形态呈不规则形，地形起伏变化较小，地面塌陷区边界不明显，无台坎（图7）；植被覆盖不均衡，见有稀疏林及塌陷坑；区内已存在9处塌陷坑，沿塌陷坑周缘拉裂缝发育（图8a），主要威胁凤山铜矿。
InSAR 地表形变特征：该地面塌陷区地表形变在升轨数据上反映明显，形变集中于塌陷区中部，总体呈椭圆形，长 1065 m，宽 694 m，平均形变速率-6.79 mm/a，最大形变速率达-26.26 mm/a（图7）。
③地面详细调查
该地面塌陷区为中山地貌，为铜矿地下开采引起，整体呈南北向椭圆形，长轴约2000 m，短轴1200 m，发育地面塌陷 3 处、崩塌 1 处、地裂缝 2 处，塌陷坑周缘多发育宽 20~60 cm，长约 200 m 拉裂缝（图8b）。
④主要诱发因素
该地面塌陷区位于云南达亚有色金属有限公司凤山铜矿矿权范围内，为铜矿采空区，在矿山开采、地震、降雨等因素影响下，该区域的稳定性易降低，从而引发地面塌陷。
（3）狮山地面塌陷区特征
①基本特征
狮山地面塌陷区位于研究区中部，绿枝江河谷西岸，中心点坐标为东经 101.945988°，北纬 101.945988°。区内属侵蚀剥蚀中山地貌，岩性为元古宇绿汁江组灰岩。坡体植被以灌木为主，覆盖度较低。该区在云南达亚有色金属有限公司凤山铜矿矿权范围内，开采方式以地下开采为主。受此影响，该区稳定性降低，存在多处塌陷坑、山体崩塌。地面详细调查显示，塌陷区内发育地面塌陷3处、崩塌1处、地裂缝1处。
②综合遥感特征
无人机正射影像特征：该地面塌陷区色调呈灰白、灰褐色调，影纹杂乱，整体形态呈不规则形（图9），地形起伏变化较大、总体呈正地形。区内植被不发育，基岩裸露。地面塌陷区边界较为明显，塌陷形成的台坎、崩塌发育，塌陷区周缘及内部拉裂缝发育（图10a）。主要威胁狮山铜矿。
图8凤山地面塌陷区典型图
a—无人机正射影像特征；b—拉裂缝野外照片
图9狮山地面塌陷区正射影像（a）及InSAR形变特征图（b）
InSAR 地表形变特征：该地面塌陷区地表形变在升轨数据上反映明显，形变集中于塌陷区中东部，总体呈椭圆形，长 939 m，宽 550 m，平均形变速率-3.25 mm/a，最大形变速率达-17.21 mm/a（图9）。
③地面详细调查
该地面塌陷区为中山地貌，为铜矿地下开采引起，整体呈椭圆形，长轴约1500 m，短轴1268 m。区内崩塌发育，存在多处塌陷坑，塌陷坑周缘多发育宽20~60 cm，长约200 m拉裂缝（图10b）。
④主要诱发因素
该地面塌陷区位于云南达亚有色金属有限公司三家厂铜矿矿权范围内，为铜矿采空区，在矿山开采、地震、降雨影响下，该区稳定性易降低，从而引发地面塌陷。
（4）明塘地面塌陷区特征
①基本特征
明塘地面塌陷区位于研究区中部，绿枝江河谷西岸，中心点坐标为东经 101.946382°，北纬 24.668257°。区内属侵蚀剥蚀中山地貌，岩性为元古宇绿汁江组灰岩。坡体植被以灌木为主，覆盖度较低。该区在云南达亚有色金属有限公司狮山铜矿矿权范围内，开采方式以地下开采为主。受此影响，该处稳定性降低，存在塌陷坑、山体崩塌。地面详细调查显示，塌陷区内发育地面塌陷1处、地裂缝 1处。
②综合遥感特征
无人机正射影像特征：该地面塌陷区色调呈灰白色调，影纹杂乱，整体形态呈北西—南东走向椭圆形（图11a），地形起伏变化较大、总体呈正地形。区内植被不发育，基岩裸露。地面塌陷区边界不明显。
InSAR 地表形变特征：该地面塌陷区地表形变在降轨数据上反映明显，形变分布于整个地面塌陷区，总体呈椭圆形，长1137 m，宽460 m，平均形变速率-9.93 mm/a，最大形变速率达-24.46 mm/a（图11b）。
图10狮山地面塌陷区典型图
a—无人机正射影像特征；b—塌陷坑野外照片
图11明塘地面塌陷区正射影像（a）及InSAR形变特征图（b）
4 研究区地面塌陷风险性评价
4.1 风险性评价体系建立
地面塌陷风险性评价依据《地质灾害风险调查评价技术要求（1∶50000）》、《采空塌陷勘查规范（试行）》，通过地面详细调查和遥感调查成果，建立了地面塌陷危害性（表2）和活动性（表3）等级划分表，以地面塌陷区为评价单元，开展风险性评价（表4）。
表2地面塌陷危害性等级划分
注：只需其一达到标准即可判定相应的级别。
表3地面塌陷活动性等级划分
表4地面塌陷风险定性评价
4.2 地面塌陷区风险性评价
根据建立的地面塌陷危害性、活动性、风险性等级划分表，结合地面详细调查和遥感调查成果，对凤山地面塌陷区、狮山地面塌陷区和明塘地面塌陷区的活动性、危害性进行了定性评价，在此基础上，对其风险性进行了评价（图12、表5）。
图12研究区地面塌陷区风险性评价图
表5研究区地面塌陷区风险性评价一览
5 结论
（1）利用先进的遥感手段，结合一定的地面详细调查工作，能够科学合理地开展地面塌陷风险性评价工作，较大地降低人力、物力及财力的消耗，缩短了灾害风险性评价的周期。
（2）凤山地面塌陷区发育塌陷坑9个，地裂缝14 条，拉张裂缝 9条，InSAR地表形变在升轨数据上反映明显，呈椭圆形，长 1065 m，宽 694 m，面积 0.62 km2，平均形变速率-6.79 mm/a，最大形变速率达-26.26 mm/a，活动性为高级；主要威胁凤山铜矿，该矿山为在采矿山，危害性为高级；凤山地面塌陷区风险等级判定为高风险。
（3）狮山地面塌陷区发育塌陷坑2个，地裂缝32 条，拉张裂缝16条，台坎状裂缝17条，InSAR地表形变在升轨数据上反映明显，呈椭圆形，长 939 m，宽 550 m，面积 0.33 km2，平均形变速率-3.25 mm/a，最大形变速率达-17.21 mm/a，活动性为高级；主要威胁狮山铜矿，该矿山为在采矿山，危害性为高级；狮山地面塌陷区风险等级判定为高风险。
（4）明塘地面塌陷区发育塌陷坑 1 个，地裂缝 1 条，InSAR地表形变在升轨数据上反映明显，呈椭圆形，长 1137 m，宽 460 m，面积 0.33 km2，平均形变速率-9.93 mm/a，最大形变速率达-24.46 mm/a，活动性为中级；主要威胁狮山铜矿，该矿山为关停矿山，危害性为中级；明塘地面塌陷区风险等级判定为中风险。
