法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-11-14
授权
授权
2016-04-27
实质审查的生效 IPC(主分类):G01C5/00 申请日:20151112
实质审查的生效
2016-03-30
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种时空特性及越界开采识别方法，尤其适用于矿山安全监测中使用的多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法。
背景技术
矿区地表沉降现象是每个矿区都面临的现实问题。矿区的地表沉降在一定程度上影响正常的采矿秩序，当沉降十分严重时，会影响采矿活动的安全进行。现有监测矿区沉降的技术手段主要包含常规水准测量、GPS测量，这些变形监测技术都是对点而言，且严重依赖参考点的稳定性，无法获取大范围的整体变形量。新型的合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）和三维激光扫描技术能克服传统点监测的局限性，能快速获取整个监测区域的整体变形量。但现有的技术方法有一定的局限性，InSAR技术在矿区局部区域受时间分辨率和失相干的影响，并不能获取完整区域的地表形变。不同数据源的InSAR监测结果不能得到有效融合。而三维激光扫描技术在获取大范围的地表形变时性价比不高，但在获取局部区域的地表形变上有独特的优势。如何将不同数据源、不同监测技术有效融合来监测整个矿区的地表形变是本发明专利的主要内容。
非法越界开采是许多矿山存在的顽疾。有关部门为制止此类行为，采取了多种措施。但由于一些越界开采识别、发现困难，且采取了防范措施，导致屡禁不止，严重影响矿山正常开采秩序，形成安全事故隐患，造成重大伤亡事故，给人民的生命财产及生态环境带来重大损失。国务院2013年8月通报的山东省济南市章丘市埠东粘土矿采取打密闭逃避检查的方式，在批复的采矿许可范围以外长期、非法盗采已经关闭的煤矿残留煤柱，导致老采空区积水溃入工作面，造成9人死亡，1人失踪。
现有的矿山非法开采监督大多采用“逐级统计上报、群众举报、现场巡查”的方法进行，周期长、时效性差、人为因素影响大、准确度低。近年来，有关单位研究过全球定位系统（GPS），遥感（RS），地理信息系统（GIS）技术在非法开采监督管理中的应用，其技术路线为选择不同分辨率的遥感数据，从矿山铺助设施、道路、矿堆、矸石的特征出发，进行矿山开采状况遥感解译；利用卫星定位；以GIS为支撑实现采矿权数据、规划数据图层与遥感专题数据的叠加分析和相关分析，判断是否存在非法采矿现象；开发了矿产资源开发远程监控系统，通过在人员、设备等井下关键移动目标上安装射频识别（RFID）定位卡，获取实时位置信息、路由信息、历史轨迹信息，并将其传输到监控中心，一旦越界采矿，系统便自动报警。但由于非法开采者常常采取措施规避监管，或由于非法开采识别问题的复杂性，常常导致以上方法或系统失效。国内外在运用物探法、化探法和钻探法等方法探测地下开采区域的研究成果较为突出，但这些方法费时费力，不太适合特定的非法开采快速确定等要求。
地下资源开采到一定程度时，会在地表或多或少留下地表沉陷现象，若能有效捕捉、描述到这些现象，揭示出这些地表沉降的时空关系，理论上就可在某种程度上识别出地下开采区域，进而识别出越界开采矿区。现有的测量手段主要是传统的水准测量和GPS测量，传统的手段测量效率低下，且得到的测量结果是局部的、点状的。传统识别非法开采的手段主要是实地调研，这往往受到矿区相关人员的阻挠，且花费大。高效、快速、自动识別越界开采区是遏制非法开采问题的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种采用航空遥感技术，精度高，方法简单，节省劳动力，识别效率高，误差率低的多源数据监测矿区形变的时空特性及非法开采识别的方法。
为实现上述技术目的，本发明的一种多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别的方法，其特征在于包括步骤如下：
a.利用合成孔径雷达（SAR）获取并优化处理数据：
利用卫星平台上搭载的SAR传感器获取覆盖整个被监测矿区的SAR影像数据，所述卫星为：ENVISAT卫星、ALOS卫星和TerraSAR-X卫星；将通过卫星获取的SAR数据，先通过选择合适的主、辅影像构成干涉对，从而缩短差分干涉对的空间基线和时间基线长度，提高监测结果的精度和可靠性；
其中ENVISAT卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于900m的影像对，TerraSAR-X卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于400m的影像对，ALOS卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于1200m的SAR影像对来做差分干涉处理，差分干涉处理完优选SAR数据影像对后，对其余所有的SAR影像对做差分干涉处理，分别得到对应三种卫星的三幅被测矿区的沉降结果图；
b.将多卫星平台的SAR数据监测数据融合：
时间上的融合（累积沉降量的融合）：将ENVISAT卫星采集到的C波段差分干涉处理后得到的ASRA数据，TerraSAR-X采集到的X波段差分干涉处理后得到的TerraSAR数据和ALOS卫星采集到的L波段差分干涉处理后得到的PALSAR数据分别进行时序分析处理，然后选取三种SAR数据中成像时间最早的数据源作为基准，将其它两种数据源的时序结果插值到作为基准的SAR数据中的时序监测结果上，然后按照成像时间的先后顺序连接其余两种数据的沉降结果得到两种平台联合监测的时序沉降结果，有效地增加测量结果在时间上的采样率，从而提高被监测矿区地表形变的反演效果；
空间上的融合（平均沉降速率的融合）：将三幅被测矿区的沉降结果图进行分块，选取沉降量值相对周围区域变化小或是基本上没有沉降的区域作为测量区域，然后根据测量区域的经纬度信息，在三幅被测矿区的沉降结果图的沉降结果中筛选出同名测量区域，对三幅沉降结果图的同名测量区域的沉降结果进行加权平均处理，以标准差作为权重，对于非同名测量区域，直接以单一数据源的结果为最终测量结果，有效提高地表形变反演过程中的空间采样率，最终获得一幅融合后的沉降结果图。
c.针对被测矿区中“大形变区域”或“失相干区域”进行补充监测：
根据被测矿区的沉降结果图，判断识别被监测矿区的地表沉降梯度较大的区域，地表沉降梯度较大的区域即当实地对应于卫星的原始SAR影像中相邻的两个像元距离内的沉降梯度，超过了该卫星平台搭载的SAR传感器发射的微波波长λ的一半时，或者识别区域植被覆盖较多，即差分干涉处理时受到失相干的影响严重的区域，此时卫星平台获取的SAR数据就失去了有效监测这部分区域的地表形变的能力；
此时，首先对上述区域利用InSAR技术得到的监测结果来判断得到发生大沉降或严重失相干区域大致的地理位置；然后采用三维激光扫描仪对发生大沉降或严重失相干区域进行补充测量，获取外业扫描数据；最后，对外业扫描数据进行内业数据处理来得到矿区地表的形变信息；
d.统一多卫星平台数据监测结果坐标系统：
利用地理编码的技术，即七参数坐标转换方法，将雷达坐标系下的InSAR技术监测结果和由三维激光扫描仪得到的沉降监测结果统一到相同的坐标系下；
e.反演矿区地表形变的时空特性：
反演矿区地表沉降的时间特性：采用步骤b中最终获得的融合后的沉降结果图进行时序分析，分析被监测矿区地表沉降的整体情况，利用的时序分析方法主要包括永久散射体干涉测量方法（PSInSAR）和小基线集方法（SBAS）；首先通过时序分析技术的到的结果提取被测矿区开采沉陷盆地中心和边缘特征点的形变时间序列曲线，对于部分InSAR技术无法监测的“大形变区域”和“失相干区域”利用三维激光扫描监测的结果提取特征点的时序形变曲线，然后将两种技术得到的矿区的沉降特征点上的时序沉降曲线合并到一起，归纳反演得到整个被监测矿区地表沉降的时间特性；
反演矿区地表沉降的空间特性：首先对融合后的差分干涉图进行分析来锁定有开采沉陷的区域，即差分干涉结果图中出现干涉条纹的区域，这些开采沉陷区域可被初步确定为存在地表沉降的区域；然后利用PSInSAR技术和SBAS技术处理的结果图来获取这些开采沉陷区域的沉降结果（平均沉降速率）；对于InSAR技术无法监测的“大形变区域”和“失相干区域”，则采用三维激光扫描仪补充测量的结果获取沉降结果；最后利用Arcgis软件，将矿区平均沉降速率图与行政区划矢量图叠加在一起，对监测到的平均沉降速率进行空间分析，利用Arcgis软件进行空间分析时，首先将沉降结果图矢量化，然后对矢量图进行标定，圈定出矿区发生沉降的边界，最后定量统计出沉降区的沉降面积及对应的沉降速率值，得到整个矿区地表沉降的空间特性。
f.识别越界开采区域：
利用ArcGIS平台，将得到的整个矿区地表沉降时空特性图中的沉降边界矢量图叠加到预先设置的合法开采权边界线专题地图上，再次采用GIS中的空间分析方法，将开采沉降盆地的边界和合法开采范围的边界进行对比，若开采沉降盆地的边界超过合法开采范围的超前影响范围边界时，可初步判断地下开采活动已经超出合法开采区域，即在该区域可能出现非法开采行为。
初步判断出疑似越界开采区域后，根据该矿合法开采范围的边界及该矿地质采矿条件，采用概率积分预计开采沉陷下沉盆地，对比计算出的开采沉陷盆地边界与利用多源数据反演的开采沉降边界，分如下两种情况判断是否出现违法开采行为：1）若该矿区范围外无其他煤矿的开采活动发生，则当前者边界大于后者时认为是正常开采，反之若小于一定阈值则认为该区域为越界开采区域；2）若该矿区范围外有其他煤矿正常开采活动发生时，则需采用实地调研、井下测量等方式判断导致该开采沉陷盆地的责任方。
有益效果：
利用卫星遥感技术，并基于多种遥感平台获得的影像数据进行地表沉降联合监测，有效的获得被监测矿区地表形变的时空特性。针对“特殊区域”，三维激光扫描技术进行补充测量来反演地表形变的时空特性。利用该方法监测与反演矿区地表沉降时空特性，具有较高的精度和较好的可靠性。
基于矿区地表沉降的空间特性反演结果和矿区采矿权边界图，利用Arcgis进行空间分析可以快速的初步识别被监测矿区疑似越界开采的区域。随后基于矿区地表沉降的时间特性反演结果进行进一步的确认与判断，确定越界开采区域。利用该方法来识别矿区越界开采区域，识别速度快，效率高，误判率较低，实用性较强。
附件说明
图1为本发明方法的技术流程图；
图2为整个矿区的地表沉降漏斗图及感兴趣区域的沉降细节图；
具体实施方法
下面结合附图，进一步描述本发明的具体实施步骤：
如图1所述，本发明的多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法，其特征在于包括步骤如下：
a.利用合成孔径雷达（SAR）获取并优化处理数据：
利用InSAR技术，即卫星平台上搭载的SAR传感器获取覆盖整个被监测矿区的SAR影像数据，所述卫星平台为：ENVISAT卫星、ALOS卫星和TerraSAR-X卫星；将通过卫星获取的SAR数据，先通过选择合适的主、辅影像构成干涉对，从而缩短差分干涉对的空间基线和时间基线长度，提高监测结果的精度和可靠性；
其中ENVISAT卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于900m的影像对，TerraSAR-X卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于400m的影像对，ALOS卫星优选选取时间基线小于500天，垂直空间基线小于1200m的SAR影像对来做差分干涉处理，差分干涉处理完优选SAR数据影像对后，对其余所有的SAR影像对做差分干涉处理，分别得到对应三种卫星的三幅被测矿区的沉降结果图；
b.将多卫星平台的SAR数据监测数据融合：
时间上的融合（累积沉降量的融合）：将ENVISAT卫星采集到的C波段差分干涉处理后得到的ASRA数据，TerraSAR-X采集到的X波段差分干涉处理后得到的TerraSAR数据和ALOS卫星采集到的L波段差分干涉处理后得到的PALSAR数据分别进行时序分析处理，然后选取三种SAR数据中成像时间最早的数据源作为基准，将其它两种数据源的时序结果插值到作为基准的SAR数据中的时序监测结果上，然后按照成像时间的先后顺序连接其余两种数据的沉降结果得到两种平台联合监测的时序沉降结果，有效地增加测量结果在时间上的采样率，从而提高被监测矿区地表形变的反演效果；
空间上的融合（平均沉降速率的融合）：将三幅被测矿区的沉降结果图进行分块，选取沉降量值相对周围区域变化小或是基本上没有沉降的区域作为测量区域，然后根据测量区域的经纬度信息，在三幅被测矿区的沉降结果图的沉降结果中筛选出同名测量区域，对三幅沉降结果图的同名测量区域的沉降结果进行加权平均处理，以标准差作为权重，对于非同名测量区域，直接以单一数据源的结果为最终测量结果，有效提高地表形变反演过程中的空间采样率，最终获得一幅融合后的沉降结果图。
c.针对被测矿区中“大形变区域”或“失相干区域”进行补充监测：
根据被测矿区的沉降结果图，判断识别被监测矿区的地表沉降梯度较大的区域，地表沉降梯度较大的区域即当实地对应于卫星的原始SAR影像中相邻的两个像元距离内的沉降梯度，超过了该卫星平台搭载的SAR传感器发射的微波波长λ的一半时，或者识别区域植被覆盖较多，即差分干涉处理时受到失相干的影响严重的区域，此时卫星平台获取的SAR数据就失去了有效监测这部分区域的地表形变的能力；
此时，首先对上述区域利用InSAR技术得到的监测结果来判断得到发生大沉降或严重失相干区域大致的地理位置；然后采用三维激光扫描仪对发生大沉降或严重失相干区域进行补充测量，获取外业扫描数据；最后，对外业扫描数据进行内业数据处理来得到矿区地表的形变信息；
d.统一多卫星平台数据监测结果坐标系统：
利用地理编码的技术，即七参数坐标转换方法，将雷达坐标系下的InSAR技术监测结果和由三维激光扫描仪得到的沉降监测结果统一到相同的坐标系下；
e.反演矿区地表形变的时空特性：
反演矿区地表沉降的时间特性：采用步骤b中最终获得的融合后的沉降结果图进行时序分析，分析被监测矿区地表沉降的整体情况，利用的时序分析方法主要包括永久散射体干涉测量方法（PSInSAR）和小基线集方法（SBAS）；首先通过时序分析技术的到的结果提取被测矿区开采沉陷盆地中心和边缘特征点的形变时间序列曲线，对于部分InSAR技术无法监测的“大形变区域”和“失相干区域”利用三维激光扫描监测的结果提取特征点的时序形变曲线，然后将两种技术得到的矿区的沉降特征点上的时序沉降曲线合并到一起，归纳反演得到整个被监测矿区地表沉降的时间特性；
反演矿区地表沉降的空间特性：首先对融合后的差分干涉图进行分析来锁定有开采沉陷的区域，即差分干涉结果图中出现干涉条纹的区域，这些开采沉陷区域可被初步确定为存在地表沉降的区域；然后利用PSInSAR技术和SBAS技术处理的结果图来获取这些开采沉陷区域的沉降结果（平均沉降速率）；对于InSAR技术无法监测的“大形变区域”和“失相干区域”，则采用三维激光扫描仪补充测量的结果获取沉降结果；最后利用Arcgis软件，将矿区平均沉降速率图与行政区划矢量图叠加在一起，对监测到的平均沉降速率进行空间分析，利用Arcgis软件进行空间分析时，首先将沉降结果图矢量化，然后对矢量图进行标定，圈定出矿区发生沉降的边界，最后定量统计出沉降区的沉降面积及对应的沉降速率值，得到整个矿区地表沉降的空间特性。
f.识别越界开采区域：
利用ArcGIS平台，将得到的整个矿区地表沉降时空特性图中的沉降边界矢量图叠加到预先设置的合法开采权边界线专题地图上，再次采用GIS中的空间分析方法，将开采沉降盆地的边界和合法开采范围的边界进行对比，若开采沉降盆地的边界超过合法开采范围的超前影响范围边界时，可初步判断地下开采活动已经超出合法开采区域，即在该区域可能出现非法开采行为。
初步判断出疑似越界开采区域后，根据该矿合法开采范围的边界及该矿地质采矿条件，采用概率积分预计开采沉陷下沉盆地，对比计算出的开采沉陷盆地边界与利用多源数据反演的开采沉降边界，分如下两种情况判断是否出现违法开采行为：1）若该矿区范围外无其他煤矿的开采活动发生，则当前者边界大于后者时认为是正常开采，反之若小于一定阈值则认为该区域为越界开采区域；2）若该矿区范围外有其他煤矿正常开采活动发生时，则需采用实地调研、井下测量等方式判断导致该开采沉陷盆地的责任方。
表1为监测矿区漏斗区域的地表沉降速率量值和沉降范围统计表，与图2中相应的区域对应。
机译： 基于多个帧速率设备的时空特性的多分辨率数字视频对象的指纹识别方法
机译： 地形变化过程中地形空间图像上支撑点的识别方法
机译： 形变材料边缘状态的识别方法
