專利名稱：一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達干涉測量(InterferometricSynthetic Aperture Radar,簡稱InSAR)是90年代發(fā)展起來的一種新型地表形變監(jiān)測技術(shù)，其基本原理就是通過對兩幅或以上的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)衛(wèi)星影像進行差分干涉處理，從相位差中提取厘米甚至毫米級的雷達視線方向形變值。相對于傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)而言，InSAR具有全天候、連續(xù)空間覆蓋、高精度、低成本等優(yōu)勢。但是，傳統(tǒng)的InSAR技術(shù)只能監(jiān)測雷達視線方向的一維形變，由于其只獲取了一個方向的形變場，因此不能滿足礦區(qū)開采控制管理及沉降預(yù)計所需的地表三維形變的要求。為了利用InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)三維形變場，一些學(xué)者提出了 GPS與InSAR融合、多平臺InSAR資料融合、多孔徑InSAR等技術(shù)。但是這些方法均存在局限和不足，多平臺InSAR資料融合由于目前可用SAR衛(wèi)星較少，且飛行方向大致相同，同時獲得3個以上的同一地區(qū)不同平臺干涉數(shù)據(jù)對非常困難。GPS與InSAR結(jié)合法要求GPS監(jiān)測時間分辨率較高，對于建立連續(xù)GPS監(jiān)測網(wǎng)的城市較為適用，對于礦區(qū)，由于布設(shè)條件以及費用等制約致使礦區(qū)很難得到高時間、空間分辨率的GPS監(jiān)測資料，所以該方法對于礦區(qū)而言局限較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，克服現(xiàn)有的礦區(qū)地表三維形變獲取方法觀測費用高、數(shù)據(jù)要求苛刻、觀測精度不高等缺陷。一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，包括以下步驟步驟I :利用InSAR技術(shù)獲取待測礦區(qū)地理編碼后的雷達實現(xiàn)向形變場；所述地理編碼，是指將雷達影像坐標系轉(zhuǎn)換到通用橫軸墨卡托投影(Universal TransverseMercatolpro jection,簡稱 UTM)坐標系；步驟2 :對視線向形變場中相干性低于解纏時的相干性閾值的像素進行空間插值，得到空間連續(xù)的形變場，解纏時的相干性閾值大于O. 3 ；步驟3 :利用對礦區(qū)地表監(jiān)測的水平移動數(shù)據(jù)、下沉值數(shù)據(jù)、采深及工作面分布，基于概率積分法模型求取該礦區(qū)的水平移動系數(shù)和主要影響角正切，之后利用各像素點對應(yīng)的采深計算各像素點的主要影響半徑，主要影響半徑等于采深除以主要影響角正切，并按照雷達成像原理和礦區(qū)東西、南北方向的水平移動值等于水平移動系數(shù)、主要影響半徑及該方向上該點傾斜值的乘積的關(guān)系，組成礦區(qū)地表東西、南北方向的任意點的水平移動值與礦區(qū)地表東西、南北方向上對應(yīng)點的下沉值之間的方程組；所述雷達成像原理由下式表征
LOS = W cos Θ-sin Θ [UN cos ( a h_3 π/2)+Ue sin ( a h_3 π/2)]；其中，LOS為雷達視線向的形變值，利用步驟I中的InSAR技術(shù)獲得，W為下沉值，Un為南北方向水平移動，Ue為東西方向水平移動；Θ為雷達衛(wèi)星入射角，ah為衛(wèi)星飛行方位角，其值從步驟I中采用InSAR技術(shù)獲取地理編碼后的礦區(qū)雷達視線向形變場的過程中所涉及的雷達衛(wèi)星影像頭文件中獲得；步驟4 :求步驟3的方程組的解，得出地表各像素點的下沉值；再求出各像素點在東西、南北方向上下沉值的梯度大??；各像素點在東西、南北方向上下沉 值的梯度大小即為各像素點在東西、南北水平方向上的傾斜值，其值從步驟I中采用InSAR技術(shù)獲取地理編碼后的礦區(qū)雷達視線向形變場的過程中所涉及的雷達衛(wèi)星影像頭文件中獲得；步驟5 :利用各像素點東西、南北方向的水平移動值等于水平移動系數(shù)、主要影響半徑及該點在東西、南北方向上的傾斜值的乘積關(guān)系，計算東西、南北方向的水平移動值，最終得出各像素點的三維形變值，包括各像素點的東西、南北方向的水平移動值及下沉值，即得到整個礦區(qū)的三維形變場。所述步驟3方程組中的礦區(qū)地表水平移動值與下沉值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下
0014[Un (i, j) = b- r(i, j) · Tn (/, j)=b-r(i, j) · [PT (/ +1, j) - W(i, j)]/AN J ’ ’
，n-1)(i，j)為地理編碼后的礦區(qū)地表區(qū)域內(nèi)的任一像素點，Ue (i，j)、UN (i，j)分別為礦區(qū)地表東西、南北方向任意像素點的水平移動值，b為礦區(qū)水平移動系數(shù)，Te(i, j)、TN(i, j)分別為東西、南北方向上該像素點的傾斜值，r (i, j)為該像素點的主要影響半徑；Λ E、Λ N分別為地理編碼后像素在東西、南北方向的分辨率，其值從步驟I中采用InSAR技術(shù)獲取地理編碼后的礦區(qū)雷達視線向形變場的過程中所涉及的雷達衛(wèi)星影像頭文件中獲得。所述水平移動系數(shù)和主要影響角正切在不能通過本礦區(qū)實測數(shù)據(jù)求取時，選用臨近地質(zhì)采礦條件類似的礦區(qū)水平移動系數(shù)和主要影響角正切，所述臨近地質(zhì)礦區(qū)是指地質(zhì)礦區(qū)的采煤方法和頂板管理方法相同，煤礦上面的巖石力學(xué)性質(zhì)、巖層分布、開采厚度和深度有70%以上的相同。所述礦區(qū)煤層的傾角小于16°。有益效果本發(fā)明一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，通過利用InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)雷達視線向形變場，對視線向形變場中相干性低于解纏閾值的像素進行空間插值，得到空間連續(xù)的形變場；利用礦區(qū)工作面分布計算各像素點的主要影響半徑；獲取礦區(qū)水平移動系數(shù)之后，將礦區(qū)地表水平移動轉(zhuǎn)換為下沉值，并按照雷達成像原理組成方程組；求解方程組，得出滿足精度要求的地表下沉值的解，然后根據(jù)下沉值計算出東西、南北方向傾斜值；最后利用東西、南北方向的傾斜值與水平移動的比例關(guān)系計算東西、南北方向的形變場。突破了 InSAR求解三維形變場對于數(shù)據(jù)的苛刻要求，監(jiān)測費用高等制約，大大的提升了 InSAR技術(shù)在礦區(qū)的應(yīng)用前景，為礦區(qū)大范圍、高精度、低成本三維形變監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。另外，由于三維形變場精度除了受到InSAR技術(shù)本身誤差外，其他的誤差源主要是主要影響角正切和水平移動系數(shù)的參數(shù)誤差，因此，本發(fā)明中使用實測數(shù)據(jù)擬合出滿足礦區(qū)實際情況的主要影響角正切和水平移動系數(shù)進行計算，獲取的地表三維形變場精度較傳統(tǒng)三維形變場監(jiān)測方法得到了較大的提高。


圖I為地表單元下沉盆地及水平移動曲線圖，圖中曲線(a)表示單元開采導(dǎo)致的地表下沉盆地；曲線(b)表示單元開采時地表水平移動曲線；曲線(c)表示地表；曲線(d)表示地下開采單元；曲線(e)表示單元開采時傾斜曲線；圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖；圖3為模擬形變場加入真實SAR數(shù)據(jù)差分干涉處理得到的視線向形變圖；圖4為某礦區(qū)的三維形變圖，其中圖(a)、圖(d)、圖(g)分別表示礦區(qū)地表模擬的東西、南北、垂直的三維形變場；圖(b)、圖(e)、圖(h)分別表示計算的礦區(qū)地表東西、南北、·垂直三維形變圖；圖(C)、圖(f)、圖(i)分別表示模擬與計算形變場在東西、南北、垂直三方向的差值圖；圖5為某礦區(qū)形變區(qū)的剖面圖，其中圖(a)、圖(b)分別表示東西方向形變場中AA’、BB’兩個剖面的模擬形變值與理論形變值比較圖；圖((3)、圖(d)分別表示南北方向形變場中CC’、DD’兩個剖面的的模擬形變值與理論形變值比較圖；圖(6)、圖(0分別表示垂直方向形變場中EE’、FF’兩個剖面的的模擬形變值與理論形變值比較圖。
具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員能夠更好的理解本發(fā)明的方法，下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施方案進行清楚、詳細的描述。對于地下水平或近水平煤層單元開采時，地表的下沉和水平移動在任意方向上存在一定的內(nèi)在關(guān)系，本實施例以煤層走向X方向為例，其坐標關(guān)系如圖I所示，即
權(quán)利要求
1.一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟I :利用InSAR技術(shù)獲取待測礦區(qū)地理編碼后的雷達實現(xiàn)向形變場；所述地理編碼，是指將雷達影像坐標系轉(zhuǎn)換到通用橫軸墨卡托投影(UniversalTransverseMercatol pro jection,簡稱 UTM)坐標系；步驟2 :對視線向形變場中相干性低于解纏時的相干性閾值像素進行空間插值，得到空間連續(xù)的形變場，解纏時的相干性閾值大于O. 3 ；步驟3 :利用對礦區(qū)地表監(jiān)測的水平移動數(shù)據(jù)、下沉值數(shù)據(jù)、采深及工作面分布，基于概率積分法模型求取該礦區(qū)的水平移動系數(shù)和主要影響角正切，之后利用各像素點對應(yīng)的采深計算各像素點的主要影響半徑，主要影響半徑等于采深除以主要影響角正切，并按照雷達成像原理和礦區(qū)東西、南北方向的水平移動值等于水平移動系數(shù)、主要影響半徑及該方向上該點傾斜值的乘積的關(guān)系，組成礦區(qū)地表東西、南北方向的任意點的水平移動值與礦區(qū)地表東西、南北方向上對應(yīng)點的下沉值之間的方程組；所述雷達成像原理由下式表征LOS = W cos Θ -sin Θ [UN cos ( a h-3 ji /2) +Ue sin ( a h-3 Ji /2)]；其中，LOS為雷達視線向的形變值，利用步驟I中的InSAR技術(shù)獲得，W為下沉值，Un為南北方向水平移動，Ue為東西方向水平移動；Θ為雷達衛(wèi)星入射角，ah為衛(wèi)星飛行方位角，其值從步驟I中采用InSAR技術(shù)獲取地理編碼后的礦區(qū)雷達視線向形變場的過程中所涉及的雷達衛(wèi)星影像頭文件中獲得；步驟4 :求步驟3的方程組的解，得出地表各像素點的下沉值；再求出各像素點在東西、南北方向上下沉值的梯度大小，各像素點在東西、南北方向上下沉值的梯度大小即為各像素點在東西、南北水平方向上的傾斜值；步驟5 :利用各像素點東西、南北方向的水平移動值等于水平移動系數(shù)、主要影響半徑及該點在東西、南北方向上的傾斜值的乘積關(guān)系，計算東西、南北方向的水平移動值，最終得出各像素點的三維形變值，包括各像素點的東西、南北方向的水平移動值及下沉值，即得到整個礦區(qū)的三維形變場。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，其特征在于，所述步驟3方程組中的礦區(qū)地表水平移動值與下沉值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2任一項所述的利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，其特征在于，所述水平移動系數(shù)和主要影響角正切，選用臨近地質(zhì)采礦條件類似的礦區(qū)水平移動系數(shù)和主要影響角正切，所述臨近地質(zhì)礦區(qū)是指地質(zhì)礦區(qū)的采煤方法和頂板管理方法相同，工作面上面的巖石力學(xué)性質(zhì)、巖層分布、開采厚度和深度有70%以上的相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，其特征在于，所述礦區(qū)煤層的傾角小于16°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用單個InSAR干涉對獲取礦區(qū)地表三維形變場的方法，通過利用InSAR技術(shù)獲取礦區(qū)雷達視線向形變場，對視線向形變場中相干性低于解纏閾值的像素進行空間插值，得到空間連續(xù)的形變場；利用礦區(qū)工作面分布和主要影響角正切計算各像素點的主要影響半徑；獲取礦區(qū)水平移動系數(shù)之后，將礦區(qū)地表水平移動轉(zhuǎn)換為下沉值的表達式，并按照雷達成像原理組成方程組；求解方程組，得出地表下沉值的解，然后根據(jù)下沉值計算出東西、南北方向傾斜值；最后利用東西、南北方向的傾斜值與水平移動的比例關(guān)系計算東西、南北方向的形變場；本發(fā)明突破了InSAR求解三維形變場對于數(shù)據(jù)的苛刻要求及監(jiān)測費用高等制約，大大的拓寬了InSAR技術(shù)在礦區(qū)的應(yīng)用空間。
文檔編號G01B15/06GK102927934SQ20121044087
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者朱建軍, 楊澤發(fā), 李志偉, 胡俊 申請人:中南大學(xué)