多源數據監測礦區形變的時空特性及越界開采識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種時空特性及越界開采識別方法，尤其適用于礦山安全監測中使用 的多源數據監測礦區形變的時空特性及越界開采識別方法。
【背景技術】
[0002] 礦區地表沉降現象是每個礦區都面臨的現實問題。礦區的地表沉降在一定程度上 影響正常的采礦秩序，當沉降十分嚴重時，會影響采礦活動的安全進行。現有監測礦區沉降 的技術手段主要包含常規水準測量、GPS測量，運些變形監測技術都是對點而言，且嚴重依 賴參考點的穩定性，無法獲取大范圍的整體變形量。新型的合成孔徑雷達干設測量技術 (InSAR)和Ξ維激光掃描技術能克服傳統點監測的局限性，能快速獲取整個監測區域的整 體變形量。但現有的技術方法有一定的局限性，InSAR技術在礦區局部區域受時間分辨率和 失相干的影響，并不能獲取完整區域的地表形變。不同數據源的InSAR監測結果不能得到有 效融合。而Ξ維激光掃描技術在獲取大范圍的地表形變時性價比不高，但在獲取局部區域 的地表形變上有獨特的優勢。如何將不同數據源、不同監測技術有效融合來監測整個礦區 的地表形變是本發明專利的主要內容。
[0003] 非法越界開采是許多礦山存在的頑疾。有關部口為制止此類行為，采取了多種措 施。但由于一些越界開采識別、發現困難，且采取了防范措施，導致屢禁不止，嚴重影響礦山 正常開采秩序，形成安全事故隱患，造成重大傷亡事故，給人民的生命財產及生態環境帶來 重大損失。國務院2013年8月通報的山東省濟南市章丘市璋東粘±礦采取打密閉逃避檢查 的方式，在批復的采礦許可范圍W外長期、非法盜采已經關閉的煤礦殘留煤柱，導致老采空 區積水潰入工作面，造成9人死亡，1人失蹤。
[0004] 現有的礦山非法開采監督大多采用"逐級統計上報、群眾舉報、現場巡查"的方法 進行，周期長、時效性差、人為因素影響大、準確度低。近年來，有關單位研究過全球定位系 統化PS)，遙感(RS)，地理信息系統(GIS)技術在非法開采監督管理中的應用，其技術路線為 選擇不同分辨率的遙感數據，從礦山鋪助設施、道路、礦堆、桿石的特征出發，進行礦山開采 狀況遙感解譯;利用衛星定位；WGIS為支撐實現采礦權數據、規劃數據圖層與遙感專題數 據的疊加分析和相關分析，判斷是否存在非法采礦現象;開發了礦產資源開發遠程監控系 統，通過在人員、設備等井下關鍵移動目標上安裝射頻識別(RFID)定位卡，獲取實時位置信 息、路由信息、歷史軌跡信息，并將其傳輸到監控中屯、，一旦越界采礦，系統便自動報警。但 由于非法開采者常常采取措施規避監管，或由于非法開采識別問題的復雜性，常常導致W 上方法或系統失效。國內外在運用物探法、化探法和鉆探法等方法探測地下開采區域的研 究成果較為突出，但運些方法費時費力，不太適合特定的非法開采快速確定等要求。
[0005]地下資源開采到一定程度時，會在地表或多或少留下地表沉陷現象，若能有效捕 捉、描述到運些現象，掲示出運些地表沉降的時空關系，理論上就可在某種程度上識別出地 下開采區域，進而識別出越界開采礦區。現有的測量手段主要是傳統的水準測量和GPS測 量，傳統的手段測量效率低下，且得到的測量結果是局部的、點狀的。傳統識別非法開采的 手段主要是實地調研，運往往受到礦區相關人員的阻曉，且花費大。高效、快速、自動識別越 界開采區是遏制非法開采問題的關鍵。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于針對上述問題，提供一種采用航空遙感技術，精度高，方法簡 單，節省勞動力，識別效率高，誤差率低的多源數據監測礦區形變的時空特性及非法開采識 別的方法。
[0007] 為實現上述技術目的，本發明的一種多源數據監測礦區形變的時空特性及越界開 采識別的方法，其特征在于包括步驟如下： a. 利用合成孔徑雷達(SAR)獲取并優化處理數據： 利用衛星平臺上搭載的SAR傳感器獲取覆蓋整個被監測礦區的SAR影像數據，所述衛星 為:ENVISAT衛星、AL0S衛星和TerraSAR-X衛星;將通過衛星獲取的SAR數據，先通過選擇合 適的主、輔影像構成干設對，從而縮短差分干設對的空間基線和時間基線長度，提高監測結 果的精度和可靠性； 其中ENVISAT衛星優選選取時間基線小于500天，垂直空間基線小于900m的影像對，TerraSAR-X衛星優選選取時間基線小于500天，垂直空間基線小于400m的影像對，AL0S衛星 優選選取時間基線小于500天，垂直空間基線小于1200m的SAR影像對來做差分干設處理，差 分干設處理完優選SAR數據影像對后，對其余所有的SAR影像對做差分干設處理，分別得到 對應Ξ種衛星的Ξ幅被測礦區的沉降結果圖； b. 將多衛星平臺的SAR數據監測數據融合： 時間上的融合(累積沉降量的融合）：將ENVISAT衛星采集到的C波段差分干設處理后得 至IJ的ASRA數據，TerraSAR-X采集到的X波段差分干設處理后得到的TerraSAR數據和AL0S衛 星采集到的L波段差分干設處理后得到的PALSAR數據分別進行時序分析處理，然后選取Ξ 種SAR數據中成像時間最早的數據源作為基準，將其它兩種數據源的時序結果插值到作為 基準的SAR數據中的時序監測結果上，然后按照成像時間的先后順序連接其余兩種數據的 沉降結果得到兩種平臺聯合監測的時序沉降結果，有效地增加測量結果在時間上的采樣 率，從而提高被監測礦區地表形變的反演效果； 空間上的融合(平均沉降速率的融合）：將Ξ幅被測礦區的沉降結果圖進行分塊，選取 沉降量值相對周圍區域變化小或是基本上沒有沉降的區域作為測量區域，然后根據測量區 域的經締度信息，在Ξ幅被測礦區的沉降結果圖的沉降結果中篩選出同名測量區域，對Ξ 幅沉降結果圖的同名測量區域的沉降結果進行加權平均處理，W標準差作為權重，對于非 同名測量區域，直接W單一數據源的結果為最終測量結果，有效提高地表形變反演過程中 的空間采樣率，最終獲得一幅融合后的沉降結果圖。
[0008] C.針對被測礦區中"大形變區域"或"失相干區域"進行補充監測： 根據被測礦區的沉降結果圖，判斷識別被監測礦區的地表沉降梯度較大的區域，地表 沉降梯度較大的區域即當實地對應于衛星的原始SAR影像中相鄰的兩個像元距離內的沉降 梯度，超過了該衛星平臺搭載的SAR傳感器發射的微波波長λ的一半時，或者識別區域植被 覆蓋較多，即差分干設處理時受到失相干的影響嚴重的區域，此時衛星平臺獲取的SAR數據 就失去了有效監測運部分區域的地表形變的能力； 此時，首先對上述區域利用InSAR技術得到的監測結果來判斷得到發生大沉降或嚴重 失相干區域大致的地理位置;然后采用Ξ維激光掃描儀對發生大沉降或嚴重失相干區域進 行補充測量，獲取外業掃描數據;最后，對外業掃描數據進行內業數據處理來得到礦區地表 的形變信息； d.統一多衛星平臺數據監測結果坐標系統： 利用地理編碼的技術，即屯參數坐標轉換方法，將雷達坐標系下的InSAR技術監測結果 和由Ξ維激光掃描儀得到的沉降監測結果統一到相同的坐標系下； e. 反演礦區地表形變的時空特性： 反演礦區地表沉降的時間特性:采用步驟b中最終獲得的融合后的沉降結果圖進行時 序分析，分析被監測礦區地表沉降的整體情況，利用的時序分析方法主要包括永久散射體 干設測量方法(PSInSAR)和小基線集方法(SBAS);首先通過時序分析技術的到的結果提取 被測礦區開采沉陷盆地中屯、和邊緣特征點的形變時間序列曲線，對于部分InSAR技術無法 監測的"大形變區域"和"失相干區域"利用Ξ維激光掃描監測的結果提取特征點的時序形 變曲線，然后將兩種技術得到的礦區的沉降特征點上的時序沉降曲線合并到一起，歸納反 演得到整個被監測礦區地表沉降的時間特性. 反演礦區地表沉降的空間特性:首先對融合后的差分干設圖進行分析來鎖定有開采