专利名称：一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法。
背景技术：
合成孔径雷达干涉测量(InterferometricSynthetic Aperture Radar,简称InSAR)是90年代发展起来的一种新型地表形变监测技术，其基本原理就是通过对两幅或以上的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)卫星影像进行差分干涉处理，从相位差中提取厘米甚至毫米级的雷达视线方向形变值。相对于传统的大地测量技术而言，InSAR具有全天候、连续空间覆盖、高精度、低成本等优势。但是，传统的InSAR技术只能监测雷达视线方向的一维形变，由于其只获取了一个方向的形变�。虼瞬荒苈憧笄煽刂乒芾砑俺两翟ぜ扑璧牡乇砣伪涞囊�。为了利用InSAR技术获取矿区三维形变�。恍┭д咛岢隽� GPS与InSAR融合、多平台InSAR资料融合、多孔径InSAR等技术。但是这些方法均存在局限和不足，多平台InSAR资料融合由于目前可用SAR卫星较少，且飞行方向大致相同，同时获得3个以上的同一地区不同平台干涉数据对非常困难。GPS与InSAR结合法要求GPS监测时间分辨率较高，对于建立连续GPS监测网的城市较为适用，对于矿区，由于布设条件以及费用等制约致使矿区很难得到高时间、空间分辨率的GPS监测资料，所以该方法对于矿区而言局限较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，克服现有的矿区地表三维形变获取方法观测费用高、数据要求苛刻、观测精度不高等缺陷。一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，包括以下步骤步骤I :利用InSAR技术获取待测矿区地理编码后的雷达实现向形变�。凰龅乩肀嗦耄侵附状镉跋褡晗底坏酵ㄓ煤嶂崮ㄍ型队�(Universal TransverseMercatolpro jection,简称 UTM)坐标系；步骤2 :对视线向形变场中相干性低于解缠时的相干性阈值的像素进行空间插值，得到空间连续的形变�。獠钡南喔尚糟兄荡笥贠. 3 ；步骤3 :利用对矿区地表监测的水平移动数据、下沉值数据、采深及工作面分布，基于概率积分法模型求取该矿区的水平移动系数和主要影响角正切，之后利用各像素点对应的采深计算各像素点的主要影响半径，主要影响半径等于采深除以主要影响角正切，并按照雷达成像原理和矿区东西、南北方向的水平移动值等于水平移动系数、主要影响半径及该方向上该点倾斜值的乘积的关系，组成矿区地表东西、南北方向的任意点的水平移动值与矿区地表东西、南北方向上对应点的下沉值之间的方程组；所述雷达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为雷达视线向的形变值，利用步骤I中的InSAR技术获得，W为下沉值，Un为南北方向水平移动，Ue为东西方向水平移动；Θ为雷达卫星入射角，ah为卫星飞行方位角，其值从步骤I中采用InSAR技术获取地理编码后的矿区雷达视线向形变场的过程中所涉及的雷达卫星影像头文件中获得；步骤4 :求步骤3的方程组的解，得出地表各像素点的下沉值；再求出各像素点在东西、南北方向上下沉值的梯度大小；各像素点在东西、南北方向上下沉 值的梯度大小即为各像素点在东西、南北水平方向上的倾斜值，其值从步骤I中采用InSAR技术获取地理编码后的矿区雷达视线向形变场的过程中所涉及的雷达卫星影像头文件中获得；步骤5 :利用各像素点东西、南北方向的水平移动值等于水平移动系数、主要影响半径及该点在东西、南北方向上的倾斜值的乘积关系，计算东西、南北方向的水平移动值，最终得出各像素点的三维形变值，包括各像素点的东西、南北方向的水平移动值及下沉值，即得到整个矿区的三维形变场。所述步骤3方程组中的矿区地表水平移动值与下沉值之间的转换关系如下
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)为地理编码后的矿区地表区域内的任一像素点，Ue (i，j)、UN (i，j)分别为矿区地表东西、南北方向任意像素点的水平移动值，b为矿区水平移动系数，Te(i, j)、TN(i, j)分别为东西、南北方向上该像素点的倾斜值，r (i, j)为该像素点的主要影响半径；Λ E、Λ N分别为地理编码后像素在东西、南北方向的分辨率，其值从步骤I中采用InSAR技术获取地理编码后的矿区雷达视线向形变场的过程中所涉及的雷达卫星影像头文件中获得。所述水平移动系数和主要影响角正切在不能通过本矿区实测数据求取时，选用临近地质采矿条件类似的矿区水平移动系数和主要影响角正切，所述临近地质矿区是指地质矿区的采煤方法和顶板管理方法相同，煤矿上面的岩石力学性质、岩层分布、开采厚度和深度有70%以上的相同。所述矿区煤层的倾角小于16°。有益效果本发明一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，通过利用InSAR技术获取矿区雷达视线向形变�。允酉呦蛐伪涑≈邢喔尚缘陀诮獠兄档南袼亟锌占洳逯担玫娇占淞男伪涑。焕每笄ぷ髅娣植技扑愀飨袼氐愕闹饕跋彀刖叮换袢】笄揭贫凳螅笄乇硭揭贫晃鲁林担凑绽状锍上裨碜槌煞匠套椋磺蠼夥匠套椋贸雎憔纫蟮牡乇硐鲁林档慕猓缓蟾菹鲁林导扑愠龆�、南北方向倾斜值；最后利用东西、南北方向的倾斜值与水平移动的比例关系计算东西、南北方向的形变场。突破了 InSAR求解三维形变场对于数据的苛刻要求，监测费用高等制约，大大的提升了 InSAR技术在矿区的应用前景，为矿区大范围、高精度、低成本三维形变监测奠定基础。另外，由于三维形变场精度除了受到InSAR技术本身误差外，其他的误差源主要是主要影响角正切和水平移动系数的参数误差，因此，本发明中使用实测数据拟合出满足矿区实际情况的主要影响角正切和水平移动系数进行计算，获取的地表三维形变场精度较传统三维形变场监测方法得到了较大的提高。
图I为地表单元下沉盆地及水平移动曲线图，图中曲线(a)表示单元开采导致的地表下沉盆地；曲线(b)表示单元开采时地表水平移动曲线；曲线(c)表示地表；曲线(d)表示地下开采单元；曲线(e)表示单元开采时倾斜曲线；图2为本发明的数据处理流程图；图3为模拟形变场加入真实SAR数据差分干涉处理得到的视线向形变图；图4为某矿区的三维形变图，其中图(a)、图(d)、图(g)分别表示矿区地表模拟的东西、南北、垂直的三维形变�。煌�(b)、图(e)、图(h)分别表示计算的矿区地表东西、南北、·垂直三维形变图；图(C)、图(f)、图(i)分别表示模拟与计算形变场在东西、南北、垂直三方向的差值图；图5为某矿区形变区的剖面图，其中图(a)、图(b)分别表示东西方向形变场中AA’、BB’两个剖面的模拟形变值与理论形变值比较图；图((3)、图(d)分别表示南北方向形变场中CC’、DD’两个剖面的的模拟形变值与理论形变值比较图；图(6)、图(0分别表示垂直方向形变场中EE’、FF’两个剖面的的模拟形变值与理论形变值比较图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员能够更好的理解本发明的方法，下面将结合附图，对本发明的实施方案进行清楚、详细的描述。对于地下水平或近水平煤层单元开采时，地表的下沉和水平移动在任意方向上存在一定的内在关系，本实施例以煤层走向X方向为例，其坐标关系如图I所示，即
权利要求
1.一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤I :利用InSAR技术获取待测矿区地理编码后的雷达实现向形变�。凰龅乩肀嗦耄侵附状镉跋褡晗底坏酵ㄓ煤嶂崮ㄍ型队�(UniversalTransverseMercatol pro jection,简称 UTM)坐标系；步骤2 :对视线向形变场中相干性低于解缠时的相干性阈值像素进行空间插值，得到空间连续的形变�。獠钡南喔尚糟兄荡笥贠. 3 ；步骤3 :利用对矿区地表监测的水平移动数据、下沉值数据、采深及工作面分布，基于概率积分法模型求取该矿区的水平移动系数和主要影响角正切，之后利用各像素点对应的采深计算各像素点的主要影响半径，主要影响半径等于采深除以主要影响角正切，并按照雷达成像原理和矿区东西、南北方向的水平移动值等于水平移动系数、主要影响半径及该方向上该点倾斜值的乘积的关系，组成矿区地表东西、南北方向的任意点的水平移动值与矿区地表东西、南北方向上对应点的下沉值之间的方程组；所述雷达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为雷达视线向的形变值，利用步骤I中的InSAR技术获得，W为下沉值，Un为南北方向水平移动，Ue为东西方向水平移动；Θ为雷达卫星入射角，ah为卫星飞行方位角，其值从步骤I中采用InSAR技术获取地理编码后的矿区雷达视线向形变场的过程中所涉及的雷达卫星影像头文件中获得；步骤4 :求步骤3的方程组的解，得出地表各像素点的下沉值；再求出各像素点在东西、南北方向上下沉值的梯度大小，各像素点在东西、南北方向上下沉值的梯度大小即为各像素点在东西、南北水平方向上的倾斜值；步骤5 :利用各像素点东西、南北方向的水平移动值等于水平移动系数、主要影响半径及该点在东西、南北方向上的倾斜值的乘积关系，计算东西、南北方向的水平移动值，最终得出各像素点的三维形变值，包括各像素点的东西、南北方向的水平移动值及下沉值，即得到整个矿区的三维形变场。
2.根据权利要求I所述的利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，其特征在于，所述步骤3方程组中的矿区地表水平移动值与下沉值之间的转换关系如下
3.根据权利要求I或2任一项所述的利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，其特征在于，所述水平移动系数和主要影响角正切，选用临近地质采矿条件类似的矿区水平移动系数和主要影响角正切，所述临近地质矿区是指地质矿区的采煤方法和顶板管理方法相同，工作面上面的岩石力学性质、岩层分布、开采厚度和深度有70%以上的相同。
4.根据权利要求3所述的利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，其特征在于，所述矿区煤层的倾角小于16°。
全文摘要
本发明公开了一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法，通过利用InSAR技术获取矿区雷达视线向形变�。允酉呦蛐伪涑≈邢喔尚缘陀诮獠兄档南袼亟锌占洳逯担玫娇占淞男伪涑。焕每笄ぷ髅娣植己椭饕跋旖钦屑扑愀飨袼氐愕闹饕跋彀刖叮换袢】笄揭贫凳螅笄乇硭揭贫晃鲁林档谋泶锸剑凑绽状锍上裨碜槌煞匠套椋磺蠼夥匠套椋贸龅乇硐鲁林档慕猓缓蟾菹鲁林导扑愠龆�、南北方向倾斜值；最后利用东西、南北方向的倾斜值与水平移动的比例关系计算东西、南北方向的形变�。槐痉⒚魍黄屏薎nSAR求解三维形变场对于数据的苛刻要求及监测费用高等制约，大大的拓宽了InSAR技术在矿区的应用空间。
文档编号G01B15/06GK102927934SQ20121044087
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者朱建军, 杨泽发, 李志伟, 胡俊 申请人:中南大学
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