面向礦區(qū)沉降監(jiān)測的InSAR技術及應用研究.pdf

1、煤炭是我國的主要能源之一，由于煤炭資源高強度、大面積的開采，使得開采所引起的地表沉降及環(huán)境災害問題日益突出。對礦區(qū)地面沉降進行持續(xù)有效監(jiān)測，可及時掌握沉降規(guī)律和地表破壞程度，為合理開采地下礦產(chǎn)資源，控制地面沉降提供決策依據(jù)。傳統(tǒng)地表沉降監(jiān)測方法和技術覆蓋面小、作業(yè)強度大、效率低、不能適應生產(chǎn)發(fā)展的需要。近年來發(fā)展的InSAR技術具有全天候、全天時、髙分辨率和連續(xù)空間覆蓋的優(yōu)勢，已發(fā)展成為新型監(jiān)測礦區(qū)開采沉陷的技術。然而由于煤礦區(qū)自身地理

2、環(huán)境的特殊性、開采沉陷形變的復雜性（快速、形變量大)以及InSAR自身成像條件的苛刻性（大氣效應、時間失相關和空間失相關)，使得InSAR技術在監(jiān)測煤炭開采引起的礦區(qū)地表沉降應用上受到諸多限制。因此本文針對InSAR技術在煤礦區(qū)進行地面沉降監(jiān)測中的存在的問題及其相關算法進行研宄，以期能夠在一定程度上解決InSAR技術應用于礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測存在的問題。本文的研究工作和成果如下：
　　(1)總結了InSAR技術的研宄現(xiàn)狀，指出了國內(nèi)外

3、在InSAR技術及相關算法研宄中的不足，闡述了SAR、InSAR、D-InSAR及時序InSAR技術的基本原理，分析了InSAR系統(tǒng)中的干涉相位、干涉相干性和干涉相位對髙程的靈敏度幾個關鍵參數(shù)。
　　(2)提出一種基于多級匹配策略的干涉SAR影像自動配準新方法。該方法首先利用改進后的SIFT算法提取SAR影像上的特征點并完成特征點初匹配，之后基于RCM算法快速剔除相關性較低的匹配點對，最后采用RANSAC算法進行匹配點對的二次提純

4、，最終完成SAR影像的精確匹配。該方法無需任何先驗衛(wèi)星軌道信息和外部DEM，且整個配準過程為自動實現(xiàn)。實驗證明該方法能滿足不同波長、不同分辨率及不同相干條件下SAR影像的高精度配準要求。
　　(3)提出一種基于InSAR數(shù)據(jù)和地面LiDAR點云數(shù)據(jù)融合的方法來實現(xiàn)礦區(qū)地表大梯度形變監(jiān)測。該方法利用地面LiDAR技術點云數(shù)據(jù)的高密度及其三維建模后單點定位精度高的特點，利用IDW算法，一方面對InSAR形變場中的大梯度形變和失相關區(qū)域

5、進行填補，另一方面對地面LiDAR點云形變場和InSAR形變場的公共覆蓋區(qū)域進行加權平均融合。該方法一定程度上解決了InSAR技術應用于礦區(qū)大梯度形變中所遇到的問題，為利用InSAR技術實現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)大梯度形變監(jiān)測提供了新的途徑和手段。
　　(4)提出一種綜合利用SAR影像幅度和相位信息獲取礦區(qū)地表時間序列沉降的新方法。該方法一方面利用基于幅度信息的ABFT技術進行大梯度形變區(qū)域的監(jiān)測，同時采用基于相位信息的干涉測量技術進行微小變形區(qū)

6、域的監(jiān)測，最后將二者得到的形變監(jiān)測結果進行融合得到形變區(qū)域的完整監(jiān)測結果。同時該方法屬于時間序列模型，能反映開采沉陷時序變化特征。
　　(5)引入一種超短基線干涉測量技術新方法進行老采空區(qū)沉降監(jiān)測。該方法相比傳統(tǒng)的干涉差分SAR技術具有無需外部DEM的優(yōu)勢，避免了外部DEM的引入所帶來的誤差。利用該方法獲取了老采空區(qū)沉降速率和形變時間序列，在此基礎上建立了地表殘余下沉速度循環(huán)周期與采厚、下沉速度循環(huán)峰值與深厚比的經(jīng)驗關系式，為預測