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DInSAR技术在矿区地表重复采动开采沉陷监测中的应用研究

刘振国  
【摘要】:煤炭开采引起的地表沉降现象十分普遍,加强对矿区地面沉降现象的研究已成为解决四矿问题和实现矿区可持续发展的重要课题之一。对矿区地面沉降进行持续有效监测,可及时掌握沉降规律和地表破坏程度,为合理开采地下矿产资源,控制地面沉降提供决策依据。传统地表沉降监测方法和技术覆盖面小、作业强度大、效率低、不能适应生产发展的需要。差分合成孔径雷达干涉测量(DInSAR)技术具有全天候、全天时、高分辨率和连续空间覆盖的优势,已发展成为新型监测矿区开采沉陷的技术。本文针对DInSAR技术在矿区沉陷监测应用中存在的一些问题进行了较为深入的研究,包括DInSAR监测地表形变的影响因素、基于外部DEM和角反射器的山区高分辨率SAR影像地理编码和时序DInSAR技术及其在矿区地表重复采动开采沉陷监测中的应用等。取得的主要研究成果如下: (1)从理论上分析了基线估计误差和外部DEM高程误差对二轨DInSAR技术监测地表形变的影响,提出了一种基于地面高相干点的基线估计方法和基于滤波掩模的估计DInSAR干涉图中大气相位的方法,有效补偿或去除了基线估计误差和大气延迟相位的影响。三种波段的SAR影像实证研究表明:利用TerraSAR-X影像监测到13.3cm/11d的形变速率,利用ALOS-PALSAR影像监测到40.6cm/46d的形变速率;相比较而言,EnviSAT-ASAR影像受波长和时空分辨率的限制,监测大形变的能力最弱。 (2)研究了不同多视系数和外部DEM对DInSAR技术监测地表沉陷的影响,发现:对于EnviSAT-ASAR和ALOS-PALSAR数据,当外部DEM相同时,基于不同多视系数的干涉处理对形变监测结果在形变量上的影响并不明显;对于高分辨率TerraSAR-X影像,多视相干处理会降低DInSAR监测到的最大形变量,应尽可能选择较小的多视系数。就外部DEM质量而言,对于EnviSAT-ASAR和ALOS-PALSAR数据,其影响主要体现为少量的残余地形相位;对于高分辨率TerraSAR-X影像,SRTM引起的残余相位明显,尤其在地表沉陷区域边界和非沉陷区,SRTM补偿地形相位的能力与Relief-DEM相比,差异显著。 (3)提出了一种利用角反射器和模拟SAR影像对山区高分辨率SAR影像进行地理编码和精度评定的方法。自主完成了研究区角反射器的设计、加工与安装,提出了基于点目标响应的提取角反射器在多视强度图上精确位置的方法,在此基础上,将角反射器用于地理编码优化,有效提高了基于模拟SAR影像的地理编码精度。 (4)利用X波段SAR数据对微小形变较敏感的优势,综合GPS观测资料、时序DInSAR及不同多视处理的DInSAR监测结果,结合矿区工作面地质采矿资料,成功提取了西山矿区重复采动的地表沉陷边界及重复采动过程中开采沉陷相关参数,如边界角、超前影响角、起动距、下沉系数,实现了DInSAR技术在矿区开采沉陷监测中的定量化应用,为认识重复采动影响下地表沉陷规律提供了新的有效手段。


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