[发明专利]一种利用无人机影像的煤矿区三维形变监测方法

权利要求书

1.一种利用无人机影像的煤矿区三维形变监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取覆盖同一煤矿开采区域的两个不同时相的无人机影像I1和I2，无人机影像I1和I2均为正射影像，且无人机影像I1和I2空间分辨率相同；

步骤2，结合地下开采资料和煤矿开采沉陷模型估计地下采煤对地表的影响范围即采煤地表影响区；

步骤3，对两个不同时相的无人机影像I1和I2进行配准，得到配准后的影像I1和I2′，配准时对每个影像上对应采煤地表影响区的影像区域做掩模处理；具体过程如下：

对无人机影像I1上对应采煤地表影响区的影像区域做掩模处理，同样对无人机影像I2上对应采煤地表影响区的影像区域做掩模处理，在无人机影像I1和I2的非掩模处理区域提取同名点对，并计算校正参数，利用校正参数对无人机影像I1和I2进行配准，掩模处理区域与非掩模处理区域使用相同的校正参数，配准过程中，无人机影像I1不变，将无人机影像I2校正到影像坐标系，得到校正后的无人机影像I2′，其中，影像坐标系的原点为无人机影像I1的左上角，原点向右的方向为影像坐标系X轴方向，原点向下的方向为影像坐标系Y轴方向；

步骤4，对于配准后的影像I1和I2′，在对应采煤地表影响区的影像区域上利用多种同名点提取方法提取影像I1和I2′的同名点对；

步骤5，根据影像I1和I2′的同名点对，计算地表在无人机影像I1和I2两个不同获取时相间的水平移动，并结合地下开采资料剔除误匹配的同名点对，对于剩下的同名点对计算得到的地表水平移动做空间插值，得到影像空间内连续的水平移动；

所述根据影像I1和I2′的同名点对，计算地表在无人机影像I1和I2两个不同获取时相间的水平移动，并结合地下开采资料剔除误匹配的同名点对，具体为：

对于提取到的同名点对p(i,j)和p′(i′,j′)，点p(i,j)位于无人机影像I1上，点p′(i′,j′)位于无人机影像I2′上，(i,j)是点p(i,j)在影像坐标系中的坐标，(i′,j′)是点p′(i′,j′)在影像坐标系中的坐标，按照公式U_X(i,j)＝j′-j和U_Y(i,j)＝i′-i计算两个不同时相间的地表水平移动，U_X(i,j)是同名点对p(i,j)和p′(i′,j′)在X轴方向上的水平移动，U_Y(i,j)是同名点对p(i,j)和p′(i′,j′)在Y轴方向上的水平移动，影像坐标系的原点为无人机影像I1的左上角，原点向右的方向为影像坐标系X轴方向，原点向下的方向为影像坐标系Y轴方向；

利用U_X(i,j)≤U_max和U_Y(i,j)≤U_max需要同时满足的条件来剔除误匹配的同名点对，U_max是最大水平移动，U_max＝bw_max，b是水平移动系数，w_max是估计的最大下沉值，m是开采厚度，q是与岩性有关的下沉系数，α是煤层倾角，α≤15°，k是系数，k的取值范围是[2,3]，n₁是倾向充分采动程度系数，n₂是走向充分采动程度系数，0≤n₁≤1，0≤n₂≤1，n₁＝D₁/D₀₁，n₂＝D₂/D₀₂，D₁是采空区沿倾向的长度，D₂是采空区沿走向的长度，D₀₁是地表达到充分采动时采空区倾向的临界长度，D₀₂是地表达到充分采动时采空区走向的临界长度，b、q、m、α、D₁、D₂、D₀₁和D₀₂是已知的地下开采资料；

步骤6，根据影像空间内连续的水平移动，以及煤矿开采沉陷模型中下沉和水平移动之间的关系，计算两个不同时相的无人机影像I1和I2间的地表下沉值；

所述地表下沉值的计算方法为：

通过最小二乘法求得下沉值w(i,j)、w(i,j+1)、w(i+1,j)、w(i+1,j+1)、w(i-1,j)、w(i-1,j-1)和w(i,j-1)，公式为：

其中，ΔD是无人机影像I1和I2的空间分辨率，U_X(i,j)是I1上点p(i,j)在X轴上的水平移动，U_Y(i,j)是I1上点p(i,j)在Y轴上的水平移动，U_Y(i,j+1)是I1上点p(i,j+1)在Y轴上的水平移动，U_X(i+1,j)是I1上点p(i+1,j)在X轴上的水平移动，U_X(i-1,j-1)是I1上点p(i-1,j-1)在X轴上的水平移动，U_Y(i-1,j-1)是I1上点p(i-1,j-1)在Y轴上的水平移动，U_Y(i-1,j)是I1上点p(i-1,j)在Y轴上的水平移动，U_X(i,j-1)是I1上点p(i,j-1)在X轴上的水平移动，w(i,j)是I1上点p(i,j)的下沉值，w(i,j+1)是I1上点p(i,j+1)的下沉值，w(i+1,j)是I1上点p(i+1,j)的下沉值，w(i+1,j+1)是I1上点p(i+1,j+1)的下沉值，w(i-1,j)是I1上点p(i-1,j)的下沉值，w(i-1,j-1)是I1上点p(i-1,j-1)的下沉值，w(i,j-1)是I1上点p(i,j-1)的下沉值，b是水平移动系数，r是主要影响半径；

步骤7，将地表水平移动重投影到与开采走向方向平行的方向，同时将地表水平移动重投影到与开采走向方向垂直的方向，融合地表下沉值和重投影后的地表水平移动，得到地表的三维形变值。