夏锐1,2,3,4,徐华龙1,2,3,4,
徐正国1,2,3,4,马旭伟1,2,3,4
2. 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室,北京 100013;
3. 煤矿应急避险技术装备工程研究中心,北京100013;
4. 北京市煤矿安全工程技术研究中心,北京100013
摘 要:近年来,InSAR技术凭借其测量范围广、精度高及便捷高效等优势,已被广泛应用于矿区的沉降监测中。利用InSAR技术研究矿区的沉降漏斗所采用的主要模型有Logistic模型、Knothe模型等,这些多以沉降量预测为主,且模型计算相对复杂,在三维可视化表达方面也相对较少。因此,本文提出一种采用椭圆锥拟合矿区沉降漏斗的方法,用于揭示矿区开采时地表沉降的时空演化特征。首先,基于SBAS-InSAR技术处理Sentinel-1 A影像数据获取矿区的时序沉降结果;其次,将不同时期的沉降结果转化为栅格数据,利用椭圆锥模型拟合沉降漏斗,获取椭圆锥参数;最后,采用线性拟合的方式拟合不同时期椭圆锥的参数变化,研究矿区沉降过程中的时空演化规律,并用验证点证实监测结果的可靠性。结果表明,本方法能够用于快速模拟和分析矿区工作面附近的沉降漏斗,从而有效揭示沉降过程中的三维时空演化规律。研究成果能够为地质灾害防治、沉降治理等提供科学的参考依据。
关键词:矿区沉降;Sentinel;SBAS-InSAR;椭圆锥;沉降漏斗;三维;时空演化
引用格式:夏锐, 徐华龙, 徐正国, 马旭伟. 2024. 基于SBAS-InSAR的地表沉降监测及漏斗拟合分析. 时空信息学报, 31(4): 513-523
Xia R, Xu H L, Xu Z G, Ma X W. 2024. Monitoring of surface subsidence and funnel fitting analysis based on SBAS-InSAR. Journal of Spatio-temporal Information, 31(4): 513-523, doi: 10.20117/j.jsti.202404009
1 引 言
2 研究区概况
3 研究方法
式中,Ta、Tb为a、b两个不同的时刻T,Ta<Tb;φ(T,r,x)为在时刻T获取的SAR影像中像元(r,x)所对应的相位值;d(T,r,x)为该像元在时刻T相对于初始时刻发生在雷达视线上的地表形变,mm。
为获取整个时间段的连续形变量,需先计算相邻时刻的相位平均变化速率,第i幅干涉图的相位:
式中,tk为时间,a;vk为两个不同时刻间的平均速率,mm/a;k=1,2,…,i;φ为干涉图相位,rad。其矩阵形式为
利用奇异值分解法求解式(3),可以得到不同时段上的相位平均变化速率,最后对各时段的速率进行积分从而获取各时间段的形变量。
3.2 椭圆锥拟合方法
将获取的矿区时序沉降栅格图转换成包含高程信息的像元离散点,对离散点在二维平面的分布进行椭圆拟合,获取底面椭圆参数。在此过程中,椭圆中心点位置的确定对于椭圆拟合至关重要。采用将沉降漏斗的质心在XOY平面上的投影坐标作为底面椭圆的中心。将离散点通过插值转化成连续的网格,并以较小的步长划分成网格单元,假设每个点的坐标为(xi,yi),每个网格单元的体积为wi,可计算出椭圆加权质心的坐标为
式中,(x0,y0)为拟合椭圆的中心点P0的坐标,(°);a、b为拟合椭圆的长、短轴,(°);θ为拟合椭圆的旋转角度,(°);z0为椭圆锥底面中心的高度,mm;h为椭圆锥的高度,mm。考虑到工作面回采对地表沉降的主要影响作用,将工作面回采方向的角度设为θ。根据式(5)、式(6),利用离散点数据进行最小二乘法拟合,计算出最为优化的椭圆参数。最小二乘法拟合用于求解未知数据时,能够计算数据点与所求数据的误差平方和,并使之达到最小,进而得到最优的解。根据式(7),最终获取椭圆锥的基本参数。
4 数据处理
5 结果分析
6 结 论
耿丹, 涂宽, 谌华, 郑健. 2022. SBAS-InSAR和高分辨率光学遥感相结合的矿区地表形变时空演化特征研究. 自然灾害学报, 31(1): 251-264[Geng D, Tu K, Shen H, Zheng J. 2022. Spatiotemporal evolution characteristics of surface deformation in mining area based on SBAS-InSAR and high resolution optical remote sensing. Journal of Natural Disasters, 31(1): 251-264 (in Chinese)]
黄乐亭, 王金庄. 2006. 地表动态沉陷变形的3个阶段与变形速度的研究. 煤炭学报, 31(4): 420-424[Huang L T, Wang J Z. 2006. Study on the three stages and deformation velocity of dynamic surface subsidence deformation. Journal of China Coal Society, 31(4): 420-424 (in Chinese)]
靳雨田, 胡海峰, 蔡音飞. 2023. SBAS-InSAR矿区沉陷监测与动态预计模型参数研究. 煤炭技术, 42(11): 30-34[Jin Y T, Hu H F, Cai Y F. 2023. Mining area subsidence monitoring and parameters of dynamic calculation model based on SBAS-InSAR. Coal Technology, 42(11): 30-34 (in Chinese)]
剧成宇, 邓喀中. 2009. 工作面停采后地表下沉规律研究. 金属矿山, (4): 22-25[Ju C Y, Deng K Z. 2009. Research on the law of ground subsidence after stoping halt. Metal Mine, (4): 22-25 (in Chinese)]
潘光永, 陶秋香, 陈洋, 王珂. 2020. 基于SBAS-InSAR的山东济阳矿区沉降监测与分析. 中国地质灾害与防治学报, 31(4): 100-106, 120[Pan G Y, Tao Q X, Chen Y, Wang K. 2020. Monitoring and analysis of sedimentation in Jiyang mining area of Shandong Province based on SBAS-InSAR. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 31(4): 100-106, 120 (in Chinese)]
彭文祥, 张德英. 2024. 基于LSTM与Transformer的地面沉降智能预测方法研究—— 以上海市为例. 时空信息学报, 31(1): 94-103[Peng W X, Zhang D Y. 2024. Research on land subsidence intelligent prediction method based on LSTM and transformer: A case study of Shanghai. Journal of Spatio-temporal Information, 31(1): 94-103 (in Chinese)]
师芸, 张雨欣, 高天舒, 郭昭, 王凯. 2023. 结合时序InSAR与优化SVR模型的开采沉陷预计研究. 测绘科学, 48(11): 136-144[Shi Y, Zhang Y X, Gao T S, Guo Z, Wang K. 2023. Mining subsidence prediction study combining time-series InSAR and optimised SVR models. Science of Surveying and Mapping, 48(11): 136-144 (in Chinese)]
施望科, 贾伟航, 徐劼, 杨承文, 苏凯. 2024. 结合SBAS-InSAR技术与瞬变电磁法在煤矿区沉降监测中的应用. 遥感信息, 39(3): 97-103[Shi W K, Jia W H, Xu J, Yang C W, Su K. 2024. Application of SBAS-InSAR technology combined with transient electromagnetic method in subsidence monitoring of coal mining areas. Remote Sensing Information, 39(3): 97-103 (in Chinese)]
孙赫, 陈巍然, 牛玉芬, 徐晶. 2020. 基于InSAR的矿区沉降中心动态变化监测与分析. 大地测量与地球动力学, 40(3): 276-280[Sun H, Chen W R, Niu Y F, Xu J. 2020. Monitoring and analysis of dynamic change of mining subsidence center based on InSAR. Journal of Geodesy and Geodynamics, 40(3): 276-280 (in Chinese)]
孙军, 张锦. 2022. 基于SBAS-InSAR和偏移追踪技术的露天煤矿地面形变监测. 煤矿安全, 53(3): 162-169[Sun J, Zhang J. 2022. Ground deformation monitoring of open-pit coal mine based on SBAS-InSAR and offset tracking techniques. Safety in Coal Mines, 53(3): 162-169 (in Chinese)]
王鹏, 程海强, 王翔. 2024. D-InSAR技术与SBAS-InSAR技术在矿区地面沉降监测中的应用研究. 中国矿业, 33(3): 133-141 [Wang P, Cheng H Q, Wang X. 2024. Research on the application of D-InSAR and SBAS-InSAR technologies in the monitoring of ground subsidence in mining areas. China Mining Magazine, 33(3): 133-141 (in Chinese)]
王颂, 张路青, 周剑, 张奋翔, 韩振华, 尹凡龙. 2023. 基于SBAS-InSAR时序分析技术的甘肃省红会矿区地面沉降监测及其灾害发育特征研究. 工程地质学报, 31(6): 1951-1963[Wang S, Zhang L Q, Zhou J, Zhang F X, Han Z H, Yin F L. 2023. Land subsidence monitoring and geo-hazard development characteristics of Honghui mining area in Gansu Province based on SBAS-InSAR time series analysis. Journal of Engineering Geology, 31(6): 1951-1963 (in Chinese)]
徐子兴, 季民, 张过, 陈振炜. 2022. 基于SBAS-InSAR技术和Logistic模型的矿区沉降动态预测方法. 自然资源遥感, 34(2): 20-29[Xu Z X, Ji M, Zhang G, Chen Z W. 2022. Method for dynamic prediction of mining subsidence based on the SBAS-InSAR technology and the logistic model. Remote Sensing for Natural Resources, 34(2): 20-29 (in Chinese)]
杨旺, 何毅, 张立峰, 王文辉, 陈有东, 陈毅. 2022. 甘肃金川矿区地表三维形变InSAR监测. 自然资源遥感, 34(1): 177-188[Yang W, He Y, Zhang L F, Wang W H, Chen Y D, Chen Y. 2022. InSAR monitoring of 3D surface deformation in Jinchuan mining area, Gansu Province. Remote Sensing for Natural Resources, 34(1): 177-188 (in Chinese)]
曾斌, 刘诗雅, 董琦, 袁晶晶, 艾东. 2024. 联合PS-InSAR和SBAS-InSAR的鄂西山区滑坡隐患识别——以长阳县清江流域为例. 安全与环境工程, 31(2): 202-212[Zeng B, Liu S Y, Dong Q, Yuan J J, Ai D. 2024. Identification of landslide hazards in western Hubei mountainous area by combining PS-InSAR and SBAS- InSAR—Taking Qingjiang River Basin of Changyang County as an example. Safety and Environmental Engineering, 31(2): 202-212 (in Chinese)]
张凯, 胡海峰, 廉旭刚, 蔡音飞. 2019. 地表动态沉陷预测正态时间函数模型优化研究. 煤炭科学技术, 47(9): 235-240[Zhang K, Hu H F, Lian X G, Cai Y F. 2019. Optimization of surface dynamic subsidence prediction normal time function model. Coal Science and Technology, 47(9): 235-240 (in Chinese)
张堯. 2020. 基于InSAR技术大同煤田沉陷区的监测与识别. 硕士学位论文. 北京: 中国地质大学(北京)[ Zhang Y. Monitoring and identification of subsidence area in Datong Coalfield based on InSAR technology.Master Dissertation. Beijing: China University of Geosciences (Beijing)]
张永红, 陈军. 2023. 我国地面沉降状况及其对国土空间规划的影响探讨—— 以北京市为例. 时空信息学报, 30(4): 465-473 [Zhang Y H, Chen J. 2023. Discussion on the ground subsidence status in China and its impact on national spatial planning: A case study of Beijing. Journal of Spatio-temporal Information, 30(4): 465-473 (in Chinese)]
Berardino P, Fornaro G, Lanari R, Sansosti E. 2002. A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 40(11): 2375-2383
Carvajal M, Araya-Cornejo C, Sepúlveda I, Melnick D, Haase J S. 2019. Nearly instantaneous tsunamis following the Mw 7.5 2018 palu earthquake. Geophysical Research Letters, 46(10): 5117-5126
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来源:《时空信息学报》2024年第4期
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