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基于雷达影像的矿区地面沉降监测系统的研究与实现

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基于雷达影像的矿区地面沉降监测系统的研究与实现

作者：孟禹弛中国矿业大学

学位级别：硕士

近些年来,由于对石油、天然气、固体矿产、地下水等资源的过度开采直接导致了全球范围的地面沉降。基于雷达影像数据的矿区地面沉降分析与地面沉降监测系统的研究为合理开采地下矿产资源、控制地面沉降提供决策依据,也为矿区生态系统恢... 详细信息

近些年来,由于对石油、天然气、固体矿产、地下水等资源的过度开采直接导致了全球范围的地面沉降。基于雷达影像数据的矿区地面沉降分析与地面沉降监测系统的研究为合理开采地下矿产资源、控制地面沉降提供决策依据,也为矿区生态系统恢复与保护提供理论和技术支持,对矿区地质环境的治理具有重要的意义。本文在研究了D-InSAR技术与SBAS-InSAR技术获取地表微小形变的原理与流程的基础上,基于ENVI、SARscape与ArcGIS Engine混合编程技术,使用IDL与C#语言开发了矿区地面沉降监测系统,实现了多重功能:(1)数据读取、图层管理、地图浏览、空间分析等GIS基本功能;(2)多视、图像滤波、地理编码等SAR数据预处理功能;(3)基于D-InSAR技术与SBAS-InSAR技术的矿区地面沉降监测分析功能。详细阐述了系统需求分析与总体设计,分析了每个模块的设计思路、技术流程与核心代码,实现了基于SAR数据的地面沉降监测系统的主要功能模块。系统调试通过后,选择青海省西宁市大通矿区为实验研究区,结合星载TerraSAR-X卫星影像,对系统各功能模块进行测试验证。针对系统数据预处理模块的验证,对原始的SSC雷达影像数据进行多视、滤波与地理编码等预处理操作,分析了不同的参数与滤波方法对SAR影像预处理结果的影响。针对系统地面沉降监测模块的验证,本文分别使用基于D-InSAR技术与SBAS-InSAR技术分析与研究了研究区地面沉降情况,提取了研究区20131001-20131103、20131103-20131206、20131206-20140130、20140130-20140428时间段内的地面沉降沉降结果图与地面沉降时间序列图,结果表明大通矿区存在明显的地面沉降现象。矿区内共出现3个沉降中心,分别为小煤洞村、大煤洞村与元树尔村沉降区。研究区总沉降面积在4个时间段内分别为3.811km2、3.748km2、4.949km2与2.311km2,最大平均中心沉降量分别为45.7mm、48.9mm、56.7mm与45.8mm,并且沉降区域有连成整体的趋势。研究区内沉降速率最高达到156mm/year,沉降值最高达到91mm,在沉降区内选取10个不同采样点作为研究对象,发现其沉降趋势基本保持一致。

关键词：矿区地面沉降 D-InSAR SBAS-InSAR ENVI\IDL ArcGIS Engine

基于DS-InSAR的蒲河煤矿采空区地表形变监测与开采参数反演

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东北大学学报（自然科学版） 2024年第6期45卷 866-873,882页

作者：敖萌孙颖魏恋欢张化南东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 辽宁省地质矿产调查院有限责任公司辽宁沈阳110031

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术在有植被覆盖的矿区难以识别到足够多的监测点目标,导致形变结果无法反映矿区真实形变特征.采用分布式散射体InSAR分析方法,能够有效提高植被密集区域雷达相干目标数量,从而准确描述矿区形变的时间演化... 详细信息

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术在有植被覆盖的矿区难以识别到足够多的监测点目标,导致形变结果无法反映矿区真实形变特征.采用分布式散射体InSAR分析方法,能够有效提高植被密集区域雷达相干目标数量,从而准确描述矿区形变的时间演化规律和空间分布特征.矿区长期高强度开采会引发采空区的地表变形,严重威胁矿区基础设施建设和人员生命财产安全.基于沈阳蒲河煤矿采空区InSAR高精度监测数据,通过地球物理建模反演得到矿区地下关键开采参数,模拟的矿区形变场与InSAR监测结果较为一致,且反演开采参数符合真实开采情况.结合InSAR监测结果与Okada模型反演矿区参数,能够准确描述由采矿造成的采空区地表形变,为科学制定地下开采计划及矿区可持续开发提供重要信息.

关键词：矿区地面沉降合成孔径雷达干涉测量分布式散射体地球物理建模形变监测

基于联合时序InSAR技术的矿区沉降隐患区识别

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自然灾害学报 2024年第3期33卷 191-201页

作者：彭一桂艾东曾斌刘诗雅中国地质大学(武汉)环境学院湖北武汉430078 湖北省地质局第七地质大队湖北宜昌443100

针对目前单一InSAR解译技术方法在复杂地表形变解译中精度及可靠性有限的难点,提出了利用PS-InSAR(persist scatterers InSAR)、SBAS-InSAR(small base-line subsets InSAR)这2种时序InSAR技术联合进行山地矿区地面沉降隐患区圈划的方... 详细信息

针对目前单一InSAR解译技术方法在复杂地表形变解译中精度及可靠性有限的难点,提出了利用PS-InSAR(persist scatterers InSAR)、SBAS-InSAR(small base-line subsets InSAR)这2种时序InSAR技术联合进行山地矿区地面沉降隐患区圈划的方法。以湖北省宜都市松宜矿区为例,基于大样本理论,利用矿区内高精度的PS点形变结果,校正具有高空间覆盖率的SBAS-InSAR处理结果,从而进一步提高地表形变监测精度并增加形变靶区范围圈划的准确度。通过对比使用单一PS-InSAR技术和经过PS-SBAS联合方法处理后得到的典型形变点时序曲线及野外实地调查,验证了解译结果的可靠性。研究表明:联合时序InSAR技术可以提高地表沉降监测精度并增加地表变形靶区范围圈划的准确度,为类似山地矿区的地面沉降隐患监测与分析提供新的技术思路。

关键词：鄂西山地矿区地面沉降形变监测联合时间序列InSAR技术

三维激光扫描在矿区地面沉陷变形监测中的应用

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中国地质灾害与防治学报 2014年第1期25卷 119-124页

作者：李强邓辉周毅成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059

三维激光扫描技术是继GPS之后的一门高新测绘技术。本文以重庆市某采煤沉陷区内地表变形明显、沉陷趋势显著的地表为研究对象,采用三维激光扫描技术对其进行地表沉降变形监测研究。通过对研究区2011年3月、2012年5月两个时期段三维激光... 详细信息

三维激光扫描技术是继GPS之后的一门高新测绘技术。本文以重庆市某采煤沉陷区内地表变形明显、沉陷趋势显著的地表为研究对象,采用三维激光扫描技术对其进行地表沉降变形监测研究。通过对研究区2011年3月、2012年5月两个时期段三维激光扫描数据的采集,以及对两期监测数据处理和对比分析,获取了监测区点变形量值、剖面线变形趋势、地表整体变形等监测成果。通过对监测结果分析得出:(1)监测区呈整体变形趋势,地面沉降为不均匀沉降;(2)获得的沉降变形结果是相对变形位移,最大沉降量15.7mm,最小沉降量2.8mm;(3)应用三维激光扫描技术进行地面沉陷矿区地表变形监测,能够获取点、线、面变形监测结果,与单点变形监测相比,弥补了其缺乏线性变形及整体变形特征的不足;(4)该技术应用于地面沉陷矿区的地表变形监测具有一定可行性和应用价值。

关键词：三维激光扫描矿区地面沉降变形监测整体变形

基于InSAR的济宁矿区沉降精细化监测与分析

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中国矿业大学学报 2014年第1期43卷 169-174页

作者：王志勇张继贤黄国满山东科技大学测绘科学与工程学院山东青岛266590 中国测绘科学研究院北京100830

针对矿区沉降监测的需求,分析了雷达干涉测量(InSAR)技术在济宁矿区沉降精细化监测中的应用.分析了InSAR技术在矿区沉降监测中存在的技术难点,建立了适合于矿区沉降监测的InSAR实用化数据处理流程及方法,提出了由粗到精的精细化监测策略... 详细信息

针对矿区沉降监测的需求,分析了雷达干涉测量(InSAR)技术在济宁矿区沉降精细化监测中的应用.分析了InSAR技术在矿区沉降监测中存在的技术难点,建立了适合于矿区沉降监测的InSAR实用化数据处理流程及方法,提出了由粗到精的精细化监测策略.以济宁矿区为实验区,采用L波段的PALSAR(phased array type L-band synthetic aperture radar)雷达数据和双轨法差分干涉测量方法,构建了6个干涉对,获取了矿区的InSAR形变图,得到了多个由于地下采煤造成的沉降漏斗;对其中的葛亭煤矿进行了精细化分析与解译,生成了矿区沉降的等值线图及三维形变图;采用精密水准数据对InSAR测量结果进行了可靠性及精度的验证.结果表明:L波段雷达数据和双轨法差分干涉测量技术非常适合矿区大形变的沉降监测,其监测精度可以达到厘米级.

关键词：雷达干涉测量矿区地面沉降精细化监测精度评定

卡尔曼滤波在山西省西山煤田地面沉降GNSS监测中的应用

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测绘通报 2021年第9期 103-107页

作者：章诗芳张锦太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

本文以山西省西山煤田某一工作面为试验区,在分析地面沉降全球卫星导航系统(GNSS)监测数据特征的基础上,利用两种卡尔曼滤波方法(普通和总体卡尔曼滤波)对矿区地面沉降GNSS监测数据进行了处理与评价,同时对比了两种卡尔曼滤波方法的均... 详细信息

本文以山西省西山煤田某一工作面为试验区,在分析地面沉降全球卫星导航系统(GNSS)监测数据特征的基础上,利用两种卡尔曼滤波方法(普通和总体卡尔曼滤波)对矿区地面沉降GNSS监测数据进行了处理与评价,同时对比了两种卡尔曼滤波方法的均方根误差分布情况。试验结果表明,两种滤波方法的滤波结果与观测值趋势大致相同,但存在少数异常点。下沉量越大的监测点,滤波结果与观测值的差异越大,但总体卡尔曼滤波的差异明显小于普通卡尔曼滤波,特别是对于下沉量较大的监测点。下沉量越大的监测点,其均方根误差越大,总体卡尔曼滤增大的速度远小于普通卡尔曼滤波,总体卡尔曼滤波均方根误差的最大值小于0.1 m,普通卡尔曼滤波的则接近0.4 m。

关键词：普通卡尔曼滤波总体卡尔曼滤波矿区地面沉降 GNSS监测均方根误差西山煤田

融合高相干与分布式目标的时序InSAR地表形变监测方法及应用研究

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融合高相干与分布式目标的时序InSAR地表形变监测方法及应用研究

作者：李文慧山东建筑大学

学位级别：硕士

近年来,由地面沉降造成的人民生命或财产损失事件时有发生,已逐渐演变成为一种危害性极大的地质灾害,加强地面沉降监测并及时采取治理措施是预防和治理该类地质灾害的有效手段。合成孔径雷达干涉测量(Synthetic Aperture Radar Interfer... 详细信息

近年来,由地面沉降造成的人民生命或财产损失事件时有发生,已逐渐演变成为一种危害性极大的地质灾害,加强地面沉降监测并及时采取治理措施是预防和治理该类地质灾害的有效手段。合成孔径雷达干涉测量(Synthetic Aperture Radar Interferometry,In SAR)技术凭借其全天候、非接触式、大范围的对地观测能力,已在各类地面沉降监测中展现出了极大的发展潜力。然而,在实际应用中,由于受监测区域内复杂环境的影响,如:地表低矮植被覆盖密集、监测对象空间分布狭长等,导致时序In SAR技术存在监测点密度稀疏的问题,影响In SAR数据处理导致形变监测精度低的同时,无法为地质灾害监测及治理提供更详细的地面沉降信息,限制了该技术的进一步工程化应用。因此,本文在研究时序In SAR技术选点方法的基础上,提出高相干点目标(Persistent Scatterer,PS和Slowly-decorrelating Filtered Phese,SDFP)与分布式目标(Distrebuted Scatterer,DS)融合方法,旨在充分利用在长时间序列中保持稳定散射特性的稳定目标,提高地面沉降监测点密度,解决当前时序In SAR技术在实际应用中监测点稀疏问题,提升其地面沉降监测能力。主要研究工作和成果如下:(1)针对传统时序In SAR获取的高相干点目标密度不足的问题,论文结合地物目标自身散射特性强度与相位稳定性,顾及PS点、SDFP点以及DS点目标信噪比的方式进行相干点融合,以提高监测点密度。首先,利用PS-In SAR、SBAS-In SAR和DS-In SAR技术,分别获取PS点、SDFP点以及DS点;其次,顾及PS点和SDFP点的信噪比,通过设定信噪比阈值并对满足阈值的相位值按照信噪比加权平均进行相位融合,获取PS/SDFP重合点相位值,进一步将获取的PS/SDFP点与DS点按照相同方式进行融合,获取PS/SDFP/DS相位值;最后,对融合后的高相干点进行时序分析;构建了融合高相干与分布式目标的时序In SAR地表形变监测数据处理流程。(2)论文以菏泽某矿区为研究区,开展解决因面状地物因植被覆盖以及形变量级大导致的点目标稀疏问题的实验分析,论文采用本文提出的方法进行地面沉降监测,通过与传统时序In SAR(PS-In SAR、SBAS-In SAR)技术获取的点密度、沉降速率以及相关性对比分析验证本文提出的有效性。结果表明,相对于传统时序In SAR技术而言,本文提出方法获取的地面沉降监测结果在监测点数量和空间分布密度、沉降结果取值范围等均有所提升。(3)以济南市道路网和轨道交通为监测对象,开展针对线状地物因空间分布狭长导致的点目标稀疏问题的实验分析,论文采用本文提出的方法和传统时序In SAR技术进行地面沉降监测,分析不同等级道路内高相干点获取数量及形变结果差异性。结果表明,本文方法在济南道路网内获取的点目标密度明显增加,尤其是郊区路段的高速道路和城市快速路,改善狭长道路区域形变结果分布不均匀的问题,提高了道路网形变结果覆盖完整度。

关键词：时序InSAR 高相干点目标分布式目标矿区地面沉降道路地面沉降

基于SBAS-InSAR技术的松宜矿区形变监测与分析

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资源环境与工程 2023年第1期37卷 97-107页

作者：胡胜华叶裕才马丽雯艾东彭孝楠曾斌湖北省地质局第七地质大队湖北宜昌443100 广西交科集团有限公司广西南宁530007 洛阳栾川钼业集团股份有限公司河南洛阳471000 中国地质大学(武汉) 湖北武汉430074

矿区开采往往会带来地面沉降、地面塌陷等多种相关的地质环境问题,依靠传统的地面调查或仪器监测去收集矿区的地表形变信息效率不高且成本相对昂贵,InSAR技术的出现为此类有地表形变的地质灾害提供了更高效、更具性价比的监测方式。基于... 详细信息

矿区开采往往会带来地面沉降、地面塌陷等多种相关的地质环境问题,依靠传统的地面调查或仪器监测去收集矿区的地表形变信息效率不高且成本相对昂贵,InSAR技术的出现为此类有地表形变的地质灾害提供了更高效、更具性价比的监测方式。基于Sentinel-1A数据,利用SBAS-InSAR技术对松宜矿区进行地表形变监测,获取2017-03-12—2019-10-28地表形变结果,划定四个沉降区,即无沉降区、轻微沉降区、较大沉降区和严重沉降区,并着重分析6个沉降现象较为严重的子矿区逐年地表沉降速率及其变化趋势。结果表明,通过SBAS-InSAR技术解译的形变活跃范围与地面调查获取的成果有着较好的一致性,该技术可以为复杂山区中矿区地质灾害防治工作提供重点靶区,同时也为矿区地面沉降的监测预警研究提供新的思路。

关键词：矿区地面沉降 SBAS-InSAR 监测预警形变分析

D-InSAR技术应用于矿区开采沉陷的监测分析

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江西测绘 2014年第2期 18-21页

作者：刘慕溪刘冬广东省核工业地质局测绘院广东广州510800 株洲市规划设计院湖南株洲412000

文章分析了合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR)相比较于传统监测手段的优势,作者采用二轨法D-InSAR技术,利用西山煤电古交矿区2个时段的TerraSAR-X数据,获取了该矿区试验时间段内的地面形变图,指出了处理D-InSAR数据过程中发现的一... 详细信息

文章分析了合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR)相比较于传统监测手段的优势,作者采用二轨法D-InSAR技术,利用西山煤电古交矿区2个时段的TerraSAR-X数据,获取了该矿区试验时间段内的地面形变图,指出了处理D-InSAR数据过程中发现的一些问题,并对该技术用于监测矿区地表沉降进行展望。

关键词： D-InSAR 二轨法矿区地面沉降数据处理