煤炭作為我國(guó)的主要能源,為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),但與此同時(shí),煤炭開(kāi)采也引發(fā)了一系列環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題。加強(qiáng)礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè),掌握地表破壞程度及地面沉陷規(guī)律,對(duì)合理開(kāi)采地下煤炭資源、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)、災(zāi)害預(yù)測(cè)防治具有重要意義。傳統(tǒng)地面觀測(cè)方法效率低、工作強(qiáng)度大、安全性差、成本高,不能滿足應(yīng)用需求。In SAR技術(shù)具有全天時(shí)全天候成像、空間分辨率高、覆蓋范圍廣、重復(fù)觀測(cè)便捷的優(yōu)勢(shì),已發(fā)展成為礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測(cè)的一種新手段。然而In SAR技術(shù)干涉成像受時(shí)空基線、大氣效應(yīng)、軌道誤差等因素限制,且煤炭開(kāi)采沉陷往往具有形變量大、發(fā)展快等特點(diǎn),使得礦區(qū)地面沉降In SAR監(jiān)測(cè)還存在諸多問(wèn)題。另外,隨著SAR遙感衛(wèi)星不斷增加,很多區(qū)域具有多顆SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù),如何融合處理這些不同時(shí)空分辨率的SAR數(shù)據(jù)集,是目前礦區(qū)In SAR監(jiān)測(cè)需直面的問(wèn)題。因此,本文針對(duì)In SAR技術(shù)在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)研究中存在的不足,結(jié)合河北峰峰礦區(qū)及江蘇徐州礦區(qū)實(shí)際,進(jìn)行基于多源星載SAR數(shù)據(jù)的礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)研究,解決多源SAR數(shù)據(jù)的融合處理、礦區(qū)非線性形變In SAR監(jiān)測(cè)及應(yīng)用問(wèn)題。論文主要研究工作及成果總結(jié)如下:(1)總結(jié)了In SAR技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了D-In SAR、時(shí)序In SAR技術(shù)的理論基礎(chǔ),介紹了In SAR測(cè)高原理、D-In SAR及時(shí)序In SAR方法流程,分析了干涉相位的構(gòu)成及形成機(jī)理,探討了D-In SAR失相干因素及一些常用解決方案。(2)提出了多源星載SAR數(shù)據(jù)融合處理時(shí)序方法。該方法對(duì)覆蓋相同空間區(qū)域的星載SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼,將不同坐標(biāo)系統(tǒng)的星載SAR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相同的坐標(biāo)系統(tǒng)下,統(tǒng)一多平臺(tái)SAR數(shù)據(jù)空間分辨率和坐標(biāo)系。采用三維分解方法提取每種SAR數(shù)據(jù)集垂直方向上的觀測(cè)量進(jìn)行融合處理,解決不同SAR影像觀測(cè)方向不一致的問(wèn)題。基于SBAS研究思路實(shí)現(xiàn)多源SAR數(shù)據(jù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)地面沉降,在考慮不同波長(zhǎng)對(duì)融合觀測(cè)影響的前提下,提出依據(jù)干涉圖質(zhì)量加權(quán)的多源星載SAR數(shù)據(jù)融合處理方法。實(shí)驗(yàn)證明該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)多源SAR數(shù)據(jù)融合處理,增加觀測(cè)量,擴(kuò)展觀測(cè)時(shí)間,提高觀測(cè)精度。(3)提出了一種采用概率積分預(yù)計(jì)與In SAR技術(shù)融合提取礦區(qū)沉陷盆地的方法。根據(jù)In SAR可監(jiān)測(cè)的形變梯度,研究了礦區(qū)沉陷盆地信息融合提取的實(shí)施方案,設(shè)定融合的上下臨界閾值,大于上臨界閾值選擇概率積分預(yù)計(jì)結(jié)果作為融合盆地中心區(qū)域的沉降值,小于下臨界閾值以In SAR監(jiān)測(cè)結(jié)果作為融合盆地邊緣區(qū)域的沉降值,根據(jù)In SAR和概率預(yù)計(jì)與水準(zhǔn)結(jié)果的誤差值設(shè)定融合權(quán)重值,獲取上下臨界閾值間的融合結(jié)果作為礦區(qū)沉陷盆地最終值,以克服In SAR技術(shù)在礦區(qū)大量級(jí)形變提取容易產(chǎn)生失相干,概率積分方法在礦區(qū)沉陷盆地周圍區(qū)域提取精度低的不足。(4)探討了礦區(qū)采后地表小形變的星載SAR監(jiān)測(cè)問(wèn)題�；赟entinel影像分析礦區(qū)采后地表小形變演化規(guī)律,應(yīng)用TOPS模式數(shù)據(jù)獲取礦區(qū)采后地面沉降速率空間分布結(jié)果及時(shí)序結(jié)果,結(jié)合光學(xué)影像分類結(jié)果,研究礦區(qū)地面沉降和地表土地利用類型間的關(guān)系,揭示礦區(qū)采后地表形變的空間分布特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)采后小形變的長(zhǎng)期高精度監(jiān)測(cè),為采后地表穩(wěn)定性分析、礦區(qū)土地合理開(kāi)發(fā)利用及地表建筑物的安全評(píng)價(jià)等提供依據(jù)。(5)提出了礦區(qū)地表沉降長(zhǎng)時(shí)序多源SAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的MFM方法(多模型聯(lián)合時(shí)序方法,Multi-function Fusion Method)。該方法采用線性函數(shù)、階躍函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)以及概率積分等多種函數(shù)模型聯(lián)合解算非線性變化地表形變,采用Tikhonov正則化方法優(yōu)化觀測(cè)方程的解算結(jié)果,獲取長(zhǎng)期且具有復(fù)雜變化特征的地面形變。河北峰峰礦區(qū)實(shí)例研究表明,該方法在一定程度上克服了傳統(tǒng)In SAR時(shí)序方法的不足,結(jié)合不同時(shí)段的SAR數(shù)據(jù)融合方法,能夠獲取礦區(qū)長(zhǎng)時(shí)序地表沉降結(jié)果,揭示礦區(qū)開(kāi)采全周期地表形變的時(shí)空演變規(guī)律。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD325.4
【部分圖文】：

2017 年我國(guó)能源消費(fèi)總量 44.9 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的 60.4%，預(yù)計(jì)到 2030 年煤炭在一次能源消費(fèi)中占比不低于 55%[3, 4]，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)發(fā)生改變。煤炭資源開(kāi)發(fā)利用為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境（見(jiàn)圖 1-1）。煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的矸石、外排土壓占大量可利用土地資源[5, 6]，大面積采空區(qū)造成地面塌陷、地裂縫、不穩(wěn)定邊坡，容易引起滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[7, 8]。隨著煤礦開(kāi)采范圍和開(kāi)采強(qiáng)度不斷增加，礦區(qū)塌陷面積逐漸增大，可用有效土地不斷減少，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。地面塌陷損害地表房屋、道路、橋梁、管線等基礎(chǔ)設(shè)施，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。如何保證煤炭資源合理開(kāi)采的同時(shí)又能有效的保護(hù)生態(tài)環(huán)境及土地資源，是我們面臨的一大難題。需將地面沉降防治工作作為一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行持續(xù)有效的監(jiān)測(cè)和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地表的破壞情況，掌握地面沉降規(guī)律，為資源合理開(kāi)采、地面沉降的控制提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為廢棄礦區(qū)土地資源的再利用提供技術(shù)支持。

（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一種利測(cè)的 SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理獲取地表信息的技術(shù)。根據(jù)雷達(dá)InSAR 可以分為三種不同方式的干涉測(cè)量：交叉軌道干涉（etry，XTI），在垂直衛(wèi)星飛行方向上安裝兩個(gè)獨(dú)立天線同時(shí)接主要用于地形測(cè)繪；順軌干涉（Along-track Interferometry，方向上安裝兩個(gè)天線先后接收雷達(dá)回波信號(hào)，主要用于洋流測(cè)；重復(fù)軌道干涉（Repeat-track Interferometry，RTI）是指衛(wèi)區(qū)獲取 SAR 圖像，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)地形測(cè)繪和地表移動(dòng)變化測(cè)測(cè)量屬于 RTI 范疇。本章主要分析 InSAR 測(cè)高原理、干涉相 原理及失相干原因、時(shí)序 InSAR 原理方法。孔徑雷達(dá)差分干涉技術(shù)（Differential Synthetic nterferometry）AR 測(cè)高原理R 發(fā)展之初主要用于測(cè)量地形，圖 2-1 展示了 InSAR 測(cè)量高度

博士學(xué)位論文 2//4 4sinflatPB B 的相位差為： 14= sin cos cos sin sinflatPB 很小，可近似認(rèn)為cos 1 ，s in ，簡(jiǎn)化公生變化的函數(shù)關(guān)系式： 4cos B 對(duì)相位的影響非常大，以 ERS-1 衛(wèi)星為例， 5.6cm 100m，當(dāng) 變化 0.2 度時(shí)，干涉相位變化量 77.54 周相位�？梢钥闯�，在沒(méi)有高程影響的平坦地區(qū)會(huì)產(chǎn)生的平地效應(yīng)。平地效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致地面干涉條紋過(guò)密，增加相行相位解纏前往往需要去除平地相位，降低解纏難度。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2832798