基于多源星载SAR数据的矿区地面沉降监测研究

发布时间：2020-10-08 21:46

　　煤炭作为我国的主要能源,为社会经济发展做出了巨大贡献,但与此同时,煤炭开采也引发了一系列环境灾害问题。加强矿区地面沉降监测,掌握地表破坏程度及地面沉陷规律,对合理开采地下煤炭资源、矿区生态环境修复、灾害预测防治具有重要意义。传统地面观测方法效率低、工作强度大、安全性差、成本高,不能满足应用需求。In SAR技术具有全天时全天候成像、空间分辨率高、覆盖范围广、重复观测便捷的优势,已发展成为矿区地面沉陷监测的一种新手段。然而In SAR技术干涉成像受时空基线、大气效应、轨道误差等因素限制,且煤炭开采沉陷往往具有形变量大、发展快等特点,使得矿区地面沉降In SAR监测还存在诸多问题。另外,随着SAR遥感卫星不断增加,很多区域具有多颗SAR卫星数据,如何融合处理这些不同时空分辨率的SAR数据集,是目前矿区In SAR监测需直面的问题。因此,本文针对In SAR技术在矿区地面沉降监测研究中存在的不足,结合河北峰峰矿区及江苏徐州矿区实际,进行基于多源星载SAR数据的矿区地面沉降监测研究,解决多源SAR数据的融合处理、矿区非线性形变In SAR监测及应用问题。论文主要研究工作及成果总结如下:(1)总结了In SAR技术的研究发展现状,阐述了D-In SAR、时序In SAR技术的理论基础,介绍了In SAR测高原理、D-In SAR及时序In SAR方法流程,分析了干涉相位的构成及形成机理,探讨了D-In SAR失相干因素及一些常用解决方案。(2)提出了多源星载SAR数据融合处理时序方法。该方法对覆盖相同空间区域的星载SAR数据进行地理编码,将不同坐标系统的星载SAR数据转换到相同的坐标系统下,统一多平台SAR数据空间分辨率和坐标系。采用三维分解方法提取每种SAR数据集垂直方向上的观测量进行融合处理,解决不同SAR影像观测方向不一致的问题。基于SBAS研究思路实现多源SAR数据联合监测地面沉降,在考虑不同波长对融合观测影响的前提下,提出依据干涉图质量加权的多源星载SAR数据融合处理方法。实验证明该方法可以有效地实现多源SAR数据融合处理,增加观测量,扩展观测时间,提高观测精度。(3)提出了一种采用概率积分预计与In SAR技术融合提取矿区沉陷盆地的方法。根据In SAR可监测的形变梯度,研究了矿区沉陷盆地信息融合提取的实施方案,设定融合的上下临界阈值,大于上临界阈值选择概率积分预计结果作为融合盆地中心区域的沉降值,小于下临界阈值以In SAR监测结果作为融合盆地边缘区域的沉降值,根据In SAR和概率预计与水准结果的误差值设定融合权重值,获取上下临界阈值间的融合结果作为矿区沉陷盆地最终值,以克服In SAR技术在矿区大量级形变提取容易产生失相干,概率积分方法在矿区沉陷盆地周围区域提取精度低的不足。(4)探讨了矿区采后地表小形变的星载SAR监测问题。基于Sentinel影像分析矿区采后地表小形变演化规律,应用TOPS模式数据获取矿区采后地面沉降速率空间分布结果及时序结果,结合光学影像分类结果,研究矿区地面沉降和地表土地利用类型间的关系,揭示矿区采后地表形变的空间分布特征,实现对矿区采后小形变的长期高精度监测,为采后地表稳定性分析、矿区土地合理开发利用及地表建筑物的安全评价等提供依据。(5)提出了矿区地表沉降长时序多源SAR监测数据分析的MFM方法(多模型联合时序方法,Multi-function Fusion Method)。该方法采用线性函数、阶跃函数、多项式函数、指数函数、三角函数以及概率积分等多种函数模型联合解算非线性变化地表形变,采用Tikhonov正则化方法优化观测方程的解算结果,获取长期且具有复杂变化特征的地面形变。河北峰峰矿区实例研究表明,该方法在一定程度上克服了传统In SAR时序方法的不足,结合不同时段的SAR数据融合方法,能够获取矿区长时序地表沉降结果,揭示矿区开采全周期地表形变的时空演变规律。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD325.4
【部分图文】：

煤炭资源

2017 年我国能源消费总量 44.9 亿吨标准煤，其中煤炭消费占能源消费总量的 60.4%，预计到 2030 年煤炭在一次能源消费中占比不低于 55%[3, 4]，在未来相当长的时期内，煤炭作为主体能源的地位不会发生改变。煤炭资源开发利用为我国社会经济发展做出了巨大贡献，但传统煤炭开采严重破坏了当地生态环境（见图 1-1）。煤炭开采产生的矸石、外排土压占大量可利用土地资源[5, 6]，大面积采空区造成地面塌陷、地裂缝、不稳定边坡，容易引起滑坡、泥石流等地质灾害[7, 8]。随着煤矿开采范围和开采强度不断增加，矿区塌陷面积逐渐增大，可用有效土地不断减少，严重制约当地经济的可持续发展。地面塌陷损害地表房屋、道路、桥梁、管线等基础设施，给当地居民的生命财产安全造成极大威胁。如何保证煤炭资源合理开采的同时又能有效的保护生态环境及土地资源，是我们面临的一大难题。需将地面沉降防治工作作为一项长期工作，对矿区进行持续有效的监测和控制，及时发现地表的破坏情况，掌握地面沉降规律，为资源合理开采、地面沉降的控制提供科学依据，同时为废弃矿区土地资源的再利用提供技术支持。

示意图,干涉测量,轨道,成像

（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一种利测的 SAR 数据进行相干处理获取地表信息的技术。根据雷达InSAR 可以分为三种不同方式的干涉测量：交叉轨道干涉（etry，XTI），在垂直卫星飞行方向上安装两个独立天线同时接主要用于地形测绘；顺轨干涉（Along-track Interferometry，方向上安装两个天线先后接收雷达回波信号，主要用于洋流测；重复轨道干涉（Repeat-track Interferometry，RTI）是指卫区获取 SAR 图像，可以同时实现地形测绘和地表移动变化测测量属于 RTI 范畴。本章主要分析 InSAR 测高原理、干涉相原理及失相干原因、时序 InSAR 原理方法。孔径雷达差分干涉技术（Differential Synthetic nterferometry）AR 测高原理R 发展之初主要用于测量地形，图 2-1 展示了 InSAR 测量高度

示意图,参考面,相位,示意图

博士学位论文 2//4 4sinflatPB B 的相位差为： 14= sin cos cos sin sinflatPB 很小，可近似认为cos 1 ，s in ，简化公生变化的函数关系式： 4cos B 对相位的影响非常大，以 ERS-1 卫星为例， 5.6cm 100m，当变化 0.2 度时，干涉相位变化量 77.54 周相位。可以看出，在没有高程影响的平坦地区会产生的平地效应。平地效应会导致地面干涉条纹过密，增加相行相位解缠前往往需要去除平地相位，降低解缠难度。

【参考文献】