一种集成D‑InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种集成D‑InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法及系统，综合集成D‑InSAR技术和GIS技术，以矢量、数字栅格、雷达影像、社会举报等为数据基础，以oracle 13g框架为底层平台，构建开采沉陷时空数据库；通过调用ArcGIS Engine10.3提供的属性获取、图形裁剪、要素转换、重分类、栅格技术、叠加分析、地图代数、等值线以及曲率和坡度生成等空间数据处理和分析算法，实现海量数据的管理和处理技术、形变信息的提取技术和地下非法采矿的识别，本发明专利技术实现了对地下非法采矿行为进行实时动态监测的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法及系统
本专利技术涉及非法采矿识别领域，具体涉及一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法及系统。
技术介绍
当前，煤矿开采作为发展中国家经济发展的重要手段之一，破坏了生态环境，扰动了地球表面和岩石圈的自然平衡，造成地面沉陷等自然灾害隐患，引发了一系列严重的矿难事件。一直以来，中国的煤炭产量居世界第一位，占国家矿产总量的90％以上，其中95％属于地下开采。据中国国家安全生产监督管理总局统计，2003年中国生产了占全球35％的煤矿产量，却占据了全球因煤矿开采导致死亡人数的80％，且大部分矿难都是由地下非法采矿造成。随着煤矿资源需求的增加和利益的驱动致使地下非法采矿频繁发生，尽管各地政府相继采取有关措施对其进行严打整治，它始终是采矿行业无法消除的一种顽疾，由于地下非法采矿点及其隐蔽且分布广特征，单一地依靠矿山执法部门对地下非法采矿区进行逐企、逐村、逐户的“地毯式”排查，很难及时、准确地找出非法采矿区的具体位置，且费时费力费财。目前对于地下非法开采的监测主要是以传统方法为主，也有一些利用微震和信息化网络技术来采集地下数据为手段来进行小范围的监测，但监测范围较小，定位精度也不理想。随着地下非法开采煤矿资源所引发灾难事故的不断加剧，寻求一种能够对地下非法开采进行大范围实时动态监测的高新技术变得越来越紧迫。由于地下非法采矿是未取得采矿许可证擅自在地下秘密开展的活动，具有极高的隐蔽性，故开采的具体位置和时间无法确定，但在地下资源被开采出来后，其上覆岩层应力平衡遭到破坏，在一定时间的延迟后，将波及到地表，导致采空区上方的地表产生规律的形变。因此，通过周期性地获取区域内地表形变信息和特征分布图，建立以沉陷特征为主的地表形变和地下采空区的时空关系模型，可及时地掌握地表形变规律及地下非法采空区的开采情况，从而推测出地下采矿活动开展的时间和位置，为识别地下非法采矿行为提供决策依据。地下开采引起的地表形变过程是十分复杂的动态力学过程，对其演变规律的掌握依赖于实地观测资料的积累。常规的大地水准、全站仪或GPS观测方法，获取的是监测区域地表上某个点的沉降信息，存在着观测成本高、周期长、离散点不足、空间分辨率低等问题，无法满足大范围的监测要求。尤其是对于地下非法采矿行为，它的具体位置是未知的，故很难利用常规的方法监测到由不确定地下采矿区引起的地表形变。合成孔径雷达干涉测量(InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR)是近年来快速发展起来的空间对地观测新技术，与常规方法相比，具有全天候、全天时、高分辨率和连续空间覆盖的优势，能实施大范围内连续地表监测，具有探测地表微小形变的能力，其差分干涉测量模式(D-InSAR)在国内外矿区地面沉降监测的应用中均取得了很多成功的案例，监测精度能达到毫米级。同时，随着以ALOS-PALSAR，TerraSAR-X为代表的第二代SAR卫星系统的相继发射成功，星载SAR数据日益丰富，这都为利用D-InSAR技术实时动态监测整个区域范围内地表形变提供了数据保障和技术支撑。利用D-InSAR能很好地运用到区域地表形变测量中，但也受到轨道数据误差、大气延迟误差、相位噪音等因素的影响。利用D-InSAR技术可以大范围地监测到地下开采引起的地表形变等信息，但这些形变信息可能源于非法开采，也可能源于合法开采，甚至可能为非开采因素所致。根据开采沉陷的形变特征，现有提出了一种基于D-InSAR的地下采矿监测系统，能从矿区范围内提取出由地下开采引起的地表形变区域，并通过掩模合法采矿区域的方式从矿区区分出非法采矿事件，具有较好的监测效果，但缺乏对开采沉陷时空分析的时序性，不能充分体现系统的空间分析和可视化表达优势，且要求工作人员具有较高的空间数据处理能力。地下煤层被采出后，上覆岩层和地表将产生移动和变形，利用InSAR技术来监测连续的地表移动与变形规律，可以掌握地下煤层的采动程度，从而识别出地下采矿行为，但需要时间序列的SAR数据支持及选取合适的干涉测量方法。以标准差分干涉测量为例，由地下开采引起的地表形变差分干涉测量的基本原理如图1所示。设S1、S2为非法采矿事件前雷达卫星的成像，Si(i＝3，4，…，n)为非法采矿事件后雷达卫星的依次成像，R1、R2分别为地面点到雷达卫星的路径，λ为雷达波长。第一次雷达卫星成像时观测目标P的相位值为第二次雷达卫星成像时观测目标P的相位值为第三次雷达卫星成像时观测目标P的相位值为前两次观测期间干涉测量的相位差为采前采后两次观测期间干涉测量的相位差为此时的相位差Φ′和Φ″包含了参考面相位、地形相位、大气相位和噪音等因素的综合贡献。最后，将两次干涉得到的相位图去除平地效应后并解缠，然后对两次的地形相位贡献进行差分，得到由地表位移而产生的形变相位Φd，即：根据差分干涉测量的基本原理，我们可以发现，在地下非法采矿事件发生之后，如何能够高效稳定地利用周期内重返的SAR数据，及时地提取开采沉陷的动态演化规律进而反演出地下采矿事件，差分干涉的处理以及干涉方案的设计就显得尤为必要。并且，由于地下非法采矿事件一般都属于浅部开采沉陷，具有地表影像范围小、地表下沉及移动速度较大的特征，因此，有必要在对监测到的最大沉降梯度和沉降量进行分析的基础上，选择可以满足相应监测能力的SAR数据。
技术实现思路
为了克服上述的不确定因素带来的应用问题，本专利技术结合地下采矿活动引起的地表形变具有下沉量集中、沉陷范围小、下沉速度快、持续时间长的特点，设计了一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法及系统，并对整个数据处理的流程、方法以及相关参数设置进行了精细化处理，从而达到对地下非法采矿行为进行实时动态监测的目的。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法，包括如下步骤：S1、资料收集与数据预处理以D-InSAR获取的形变栅格数据为主，并收集矿山井下数据、采矿权界限、被查处的非法采矿区、地理国情普查数据、社会举报等数据资料，同时利用GIS工具对多源数据进行坐标配准、投影变换、格式转换、信息录入和图形编辑等预处理；S2、构建时空数据库综合集成D-InSAR技术和GIS技术，以矢量、数字栅格、雷达影像、社会举报等为数据基础，以oracle13g框架为底层平台，构建开采沉陷时空数据库；S3、完成地下非法采矿的识别分析通过调用ArcGISEngine10.3提供的属性获取、图形裁剪、要素转换、重分类、栅格技术、叠加分析、地图代数、等值线以及曲率和坡度生成等空间数据处理和分析算法，实现海量数据的管理和处理技术、形变信息的提取技术和地下非法采矿的识别；S4、识别结果输出通过不同格式的空间数据输出识别的地下非法采矿结果，比如点、线、面的矢量格式，也可以通过制作统计图表或专题地图的形式。本专利技术还提供了一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别系统，包括数据采集模块，用于通过双轨D-InSAR技术获取矿区地面沉降信息，并对影像对的配准、滤波、相位解缠、基线参数计算、多视处理系数的选取等关键步骤和方法进行了精化，获取矿区更为精确的地面沉降信息；时空数据库，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成D‑InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、资料收集与数据预处理以D‑InSAR获取的形变栅格数据为主，并收集矿山井下数据、采矿权界限、被查处的非法采矿区、地理国情普查数据、社会举报等数据资料，同时利用GIS工具对多源数据进行坐标配准、投影变换、格式转换、信息录入和图形编辑等预处理；S2、构建时空数据库综合集成D‑InSAR技术和GIS技术，以矢量、数字栅格、雷达影像、社会举报等为数据基础，以oracle 13g框架为底层平台，构建开采沉陷时空数据库；S3、完成地下非法采矿的识别分析通过调用ArcGIS Engine10.3提供的属性获取、图形裁剪、要素转换、重分类、栅格技术、叠加分析、地图代数、等值线以及曲率和坡度生成等空间数据处理和分析算法，实现海量数据的管理和处理技术、形变信息的提取技术和地下非法采矿的识别；S4、识别结果输出通过不同格式的空间数据输出识别的地下非法采矿结果。

【技术特征摘要】
1.一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、资料收集与数据预处理以D-InSAR获取的形变栅格数据为主，并收集矿山井下数据、采矿权界限、被查处的非法采矿区、地理国情普查数据、社会举报等数据资料，同时利用GIS工具对多源数据进行坐标配准、投影变换、格式转换、信息录入和图形编辑等预处理；S2、构建时空数据库综合集成D-InSAR技术和GIS技术，以矢量、数字栅格、雷达影像、社会举报等为数据基础，以oracle13g框架为底层平台，构建开采沉陷时空数据库；S3、完成地下非法采矿的识别分析通过调用ArcGISEngine10.3提供的属性获取、图形裁剪、要素转换、重分类、栅格技术、叠加分析、地图代数、等值线以及曲率和坡度生成等空间数据处理和分析算法，实现海量数据的管理和处理技术、形变信息的提取技术和地下非法采矿的识别；S4、识别结果输出通过不同格式的空间数据输出识别的地下非法采矿结果。2.一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别系统，其特征在于，包括数据采集模块，用于通过双轨D-InSAR技术获取矿区地面沉降信息，并对影像对的配准、滤波、相位解缠、基线参数计算、多视处理系数的选取等关键步骤和方法进行了精化，获取矿区更为精确的地面沉降信息；时空数据库，包括概念、逻辑和物理三个层面，概念上对时空数据库所含信息进行完整描述，在逻辑上运用地理建模理论建立一种包含时空过程、几何、尺度、语义的开采沉陷时空数据模型，完整描述和表达沉降的时间、空间和属性信息；在物理存储中则采用空间数据引擎(SDE)与关系型数据库管理系统(RDBMS)相结合的方式地下非法采矿识别分析模块，用于根据开采沉陷的空间、几何、形变特征提取出各影像干涉对周期由地下开采而引起的地表沉降信息，再对相邻时序的监测数据进行空间叠加分析和统计运算来识别出地下非法开采状况；识别结果输出，用于通过不同格式的空间数据输出识别的地下非法采矿结果。3.如权利要求2所述的一种集成D-InSAR和GIS技术的地下非法采矿识别系统，其特征在于，所述地下非法采矿识别分析模块包括数据管理模块，用于对空间和属性数据进行检索、添加和编辑操作，由此可以查看和编辑数据的基本信息，经选择和整理后加载到分析平台中，从而完成相应的时空分析和非法采矿的自动识别；地表形变信息提取模块，包括形变区域查询、形变等值线绘制和形变分类统计三个模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏元平，汪云甲，闫世勇，聂运菊，李小龙，何海清，程朋根，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36