面向礦區(qū)沉降監(jiān)測的InSAR技術(shù)及應(yīng)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(qiáng)度、大面積的開采，使得開采所引起的地表沉降及環(huán)境災(zāi)害問題日益突出。對礦區(qū)地面沉降進(jìn)行持續(xù)有效監(jiān)測，可及時(shí)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(shù)覆蓋面小、作業(yè)強(qiáng)度大、效率低、不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。近年來發(fā)展的InSAR技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、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(shù)。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(fù)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(yīng)、時(shí)間失相關(guān)和空間失相關(guān))，使得InSAR技術(shù)在監(jiān)測煤炭開采引起的礦區(qū)地表沉降應(yīng)用上受到諸多限制。因此本文針對InSAR技術(shù)在煤礦區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測中的存在的問題及其相關(guān)算法進(jìn)行研宄，以期能夠在一定程度上解決InSAR技術(shù)應(yīng)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(jié)了InSAR技術(shù)的研宄現(xiàn)狀，指出了國內(nèi)外

3、在InSAR技術(shù)及相關(guān)算法研宄中的不足，闡述了SAR、InSAR、D-InSAR及時(shí)序InSAR技術(shù)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(gè)關(guān)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(dòng)配準(zhǔn)新方法。該方法首先利用改進(jìn)后的SIFT算法提取SAR影像上的特征點(diǎn)并完成特征點(diǎn)初匹配，之后基于RCM算法快速剔除相關(guān)性較低的匹配點(diǎn)對，最后采用RANSAC算法進(jìn)行匹配點(diǎn)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(yàn)衛(wèi)星軌道信息和外部DEM，且整個(gè)配準(zhǔn)過程為自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)要求。
　　(3)提出一種基于InSAR數(shù)據(jù)和地面LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合的方法來實(shí)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(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高密度及其三維建模后單點(diǎn)定位精度高的特點(diǎn)，利用IDW算法，一方面對InSAR形變場中的大梯度形變和失相關(guān)區(qū)域

5、進(jìn)行填補(bǔ)，另一方面對地面LiDAR點(diǎn)云形變場和InSAR形變場的公共覆蓋區(qū)域進(jìn)行加權(quán)平均融合。該方法一定程度上解決了InSAR技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)大梯度形變中所遇到的問題，為利用InSAR技術(shù)實(shí)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(shí)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(shù)進(jìn)行大梯度形變區(qū)域的監(jiān)測，同時(shí)采用基于相位信息的干涉測量技術(shù)進(jìn)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(jié)果進(jìn)行融合得到形變區(qū)域的完整監(jiān)測結(jié)果。同時(shí)該方法屬于時(shí)間序列模型，能反映開采沉陷時(shí)序變化特征。
　　(5)引入一種超短基線干涉測量技術(shù)新方法進(jìn)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(shù)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(shí)間序列，在此基礎(chǔ)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(yàn)關(guān)系式，為預(yù)測