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基于单视线向D-InSAR技术的开采沉陷监测方法研究

李楠  
【摘要】:合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR)作为矿区采动地表变形监测的一种重要方法,凭借其全天候、全天时、强大的透能力、以及快速获取实时、高精度、大面积沉陷盆地范围形变场等优势,弥补传统技术监测矿区沉陷的不足,为国内外学者研究矿区开采沉陷时空变化规律提供十分重要帮助。然而传统单视线向D-InSAR技术仅能获取视线向(LOS,Line of Sight)变形值,其监测结果不能反映真实三维地表形变,容易造成对地表形变监测信息的误判或漏判,严重制约D-InSAR技术在矿山变形监测中的推广及应用。针对此问题,本文融合单视线向D-InSAR成像原理与矿山开采沉陷预计理论,开展了基于单视线向D-InSAR的矿山地表移动与变形监测方法研究。取得主要成果如下:(1)分析研究了当前矿山InSAR监测的国内研究现状。文献研究表明,目前基于SAR的矿山变形监测技术在广适应开采沉陷监测模型、全部概率积分预计参数反演方法、开采沉陷大变形梯度监测理论等方面存在明显不足,严重制约了InSAR技术在矿山变形监测领域的推广和应用。针对上述不足,本文聚焦“基于单视线向的矿山开采监测方法”为研究内容,制定了详细研究方案和研究技术路线。(2)通过理论、实验和模拟方式剖析了当前矿山InSAR变形监测方法存在的不足。当前基于单视线向D-InSAR监测仅能捕获采动地表LOS向变形,并不能准确的监测采动地表三维变形。同时开展了基于二轨法的D-InSAR验证实验,成功获取了顾桥南矿1613工作面2017年10月23日至2018年1月15日的历史形变场。实验结果表明,在D-InSAR容许的形变梯度范围内,可采用常规D-InSAR技术监测沿LOS向的移动变形。在矿山地表三维变形监测理论与技术方面,一方面分析了传统三维变形监测方法不适用于矿山沉陷监测的原因,另一方面通过理论推导和实验验证D-InSAR LOS向变形本质为下沉、东西方向水平移动和南北方向水平移动沿LOS向投影的矢量之和。为后续开展基于单视线向InSAR的开采沉陷监测方法研究提供理论支持。(3)构建基于单视线向D-InSAR技术的倾斜煤层开采地表移动变形提取模型。本文通过分析卫星回访经过目标沉陷盆地上方成像过程及SAR影像像元阵列分布情况,寻找D-InSARLOS向变形与下沉、南北方向水平移动和东西方向水平移动关系,结合倾斜煤层开采沉陷规律,在假设影像第一行、第一列水平移动为零的情况下,构建基于单视线向D-InSAR技术的倾斜煤层开采地表移动变形提取模型。以淮南煤层地质采矿条件为背景,以TerraSAR-X数据为例构造了模拟实验,模拟实验表明,本文构建的模型能够较为精准的提取矿区开采引起的下沉和水平移动。以淮南顾桥南矿1613工作面与Sentinel-1 A数据为例,对本文构建的模型进行了工程实例应用,结果表明本文构建的模型可以从D-InSAR LOS向变形场中较为精准的提取下沉和水平移动。最后利用构建的模型,成功地监测了20171023-20180115时段顾桥南矿1613工作面开采引起的超前影响角,并对其超前影响角规律进行分析与精度验证,结果表明,利用本文建立的模型反演的下沉值可较为准确地求取矿区超前影响角。(4)构建基于单视线向D-InSAR的模拟退火法概率积分参数反演模型。概率积分参数反演是融合概率积分法模型与单视线D-InSAR监测开采沉陷的难点。本文通过分析D-InSAR LOS向变形与矿区三维变形之间的投影关系,结合矿山开采沉陷概率积分法预计模型,基于非线性规划理论,构建基于单视线向D-InSAR的模拟退火算法概率积分参数反演模型。以淮南煤层地质采矿条件为背景,以TerraSAR-X数据为例构造了模拟实验,模拟实验表明,利用本文建立的模型可较为准确的求取矿区全部概率积分参数,并具有较好的抗差性能。最后以兖州南屯矿区9310工作面和TerraSAR-X数据为例对本文构建的模型进行工程实例应用,结果表明,利用本文构建的模型可较准确的求取工作面全部概率积分参数。


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