[发明专利]多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法

摘要

一种多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法，步骤包括：首先利用合成孔径雷达（SAR）获取并优化处理数据，然后将多卫星平台的SAR数据监测数据融合得到沉降结果图，在融合后的沉降结果图中针对被测矿区中“大形变区域”或“失相干区域”进行补充监测，统一多卫星平台数据监测结果坐标，最后反演矿区地表形变的时空特性，从而识别越界开采区域。其方法简单，计算量小，可以有效的反演矿区地表沉降的时空特性，且识别效率高，在维护矿山开采秩序、保障矿山安全、保护矿山生态环境方面具有重要的理论价值与广阔的应用前景。

主权项

 一种多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法，其特征在于包括步骤如下：a. 利用合成孔径雷达（SAR）获取并优化处理数据：利用卫星平台上搭载的SAR传感器获取覆盖整个被监测矿区的SAR影像数据，所述卫星为：ENVISAT卫星、ALOS卫星和TerraSAR‑X卫星；将通过卫星获取的SAR数据，先通过选择合适的主、辅影像构成干涉对，从而缩短差分干涉对的空间基线和时间基线长度，提高监测结果的精度和可靠性；其中ENVISAT卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于900m的影像对， TerraSAR‑X卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于400m的影像对，ALOS卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于1200m的SAR影像对来做差分干涉处理，差分干涉处理完优选SAR数据影像对后，对其余所有的SAR影像对做差分干涉处理，分别得到对应三种卫星的三幅被测矿区的沉降结果图；b. 将多卫星平台的SAR数据监测数据融合：时间上的融合（累积沉降量的融合）：将ENVISAT卫星采集到的C波段差分干涉处理后得到的ASRA数据，TerraSAR‑X采集到的X波段差分干涉处理后得到的TerraSAR数据和ALOS卫星采集到的L波段差分干涉处理后得到的PALSAR数据分别进行时序分析处理，然后选取三种SAR数据中成像时间最早的数据源作为基准，将其它两种数据源的时序结果插值到作为基准的SAR数据中的时序监测结果上，然后按照成像时间的先后顺序连接其余两种数据的沉降结果得到两种平台联合监测的时序沉降结果，有效地增加测量结果在时间上的采样率，从而提高被监测矿区地表形变的反演效果；空间上的融合（平均沉降速率的融合）：将三幅被测矿区的沉降结果图进行分块，选取沉降量值相对周围区域变化小或是基本上没有沉降的区域作为测量区域，然后根据测量区域的经纬度信息，在三幅被测矿区的沉降结果图的沉降结果中筛选出同名测量区域，对三幅沉降结果图的同名测量区域的沉降结果进行加权平均处理，以标准差作为权重，对于非同名测量区域，直接以单一数据源的结果为最终测量结果，有效提高地表形变反演过程中的空间采样率，最终获得一幅融合后的沉降结果图；c.针对被测矿区中“大形变区域”或“失相干区域”进行补充监测：根据被测矿区的沉降结果图，判断识别被监测矿区的地表沉降梯度较大的区域，沉降梯度较大的区域即当实地对应于卫星的原始SAR影像中相邻的两个像元距离内的沉降梯度，超过了该卫星平台搭载的SAR传感器发射的微波波长λ的一半时，或者识别区域植被覆盖较多，即差分干涉处理时受到失相干的影响严重的区域，此时卫星平台获取的SAR数据就失去了有效监测这部分区域的地表形变的能力；此时，首先对上述区域利用InSAR技术得到的监测结果来判断得到发生大沉降或严重失相干区域大致的地理位置；然后采用三维激光扫描仪对发生大沉降或严重失相干区域进行补充测量，获取外业扫描数据；最后，对外业扫描数据进行内业数据处理来得到矿区地表的形变信息；d.统一多卫星平台数据监测结果坐标：利用地理编码的技术，即七参数坐标转换方法，将雷达坐标系下的InSAR技术监测结果和由三维激光扫描仪得到的沉降监测结果统一到相同的坐标系下；e. 反演矿区地表形变的时空特性：反演矿区地表沉降的时间特性：采用步骤b中最终获得的融合后的沉降结果图进行时序分析，分析被监测矿区地表沉降的整体情况，利用的时序分析方法主要包括永久散射体干涉测量方法（PSInSAR）和小基线集方法（SBAS）；首先通过时序分析技术的到的结果提取被测矿区开采沉陷盆地中心和边缘特征点的形变时间序列曲线，对于部分InSAR技术无法监测的“大形变区域”和“失相干区域”利用三维激光扫描监测的结果提取特征点的时序形变曲线，然后将两种技术得到的矿区的沉降特征点上的时序沉降曲线合并到一起，归纳反演得到整个被监测矿区地表沉降的时间特性；反演矿区地表沉降的空间特性：首先对融合后的差分干涉图进行分析来锁定有开采沉陷的区域，即差分干涉结果图中出现干涉条纹的区域，这些开采沉陷区域可被初步确定为存在地表沉降的区域；然后利用PSInSAR技术和SBAS技术处理的结果图来获取这些开采沉陷区域的沉降结果（平均沉降速率）；对于InSAR技术无法监测的“大形变区域”和“失相干区域”，则采用三维激光扫描仪补充测量的结果获取沉降结果；最后利用Arcgis软件，将矿区平均沉降速率图与行政区划矢量图叠加在一起，对监测到的平均沉降速率进行空间分析，利用Arcgis软件进行空间分析时，首先将沉降结果图矢量化，然后对矢量图进行标定，圈定出矿区发生沉降的边界，最后定量统计出沉降区的沉降面积及对应的沉降速率值，得到整个矿区地表沉降的空间特性；f. 识别越界开采区域：利用ArcGIS平台，将得到的整个矿区地表沉降时空特性图中的沉降边界矢量图叠加到预先设置的合法开采权边界线专题地图上，再次采用GIS中的空间分析方法，将开采沉降盆地的边界和合法开采范围的边界进行对比，若开采沉降盆地的边界超过合法开采范围的超前影响范围边界时，可初步判断地下开采活动已经超出合法开采区域，即在该区域可能出现非法开采行为；初步判断出疑似越界开采区域后，根据该矿合法开采范围的边界及该矿地质采矿条件，采用概率积分预计开采沉陷下沉盆地，对比计算出的开采沉陷盆地边界与利用多源数据反演的开采沉降边界，分如下两种情况判断是否出现违法开采行为：1）若该矿区范围外无其他煤矿的开采活动发生，则当前者边界大于后者时认为是正常开采，反之若小于一定阈值则认为该区域为越界开采区域；2）若该矿区范围外有其他煤矿正常开采活动发生时，则需采用实地调研、井下测量等方式判断导致该开采沉陷盆地的责任方。