一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法、装置及存储介质，获得待监测矿区地表沿雷达视线向的多时相形变监测值；将多时相一维雷达视线向形变转换为垂直沉降；利用一种新型矿区地表动态沉降模型和与其对应的参数估计智能算法对多时相垂直沉降进行拟合解算，得到矿区地表各点对应的动态沉降模型参数值，既而得到矿区地表动态沉降；基于矿区地表水平移动与对应方向的沉降梯度之间的线性比例关系函数模型和解算得到的矿区地表动态沉降，对矿区地表动态二维水平位移建模并求解。所提出的矿区地表动态三维形变模型，不仅能够对矿区地下单工作面开采导致的地表形变进行准确预计，而且对于多工作面重复采动导致的地表形变同样具有良好的拟合效果。

【技术实现步骤摘要】
一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法、装置及存储介质
本专利技术属于InSAR领域，特别涉及一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法、装置及存储介质。
技术介绍
对矿区地表动态三维形变进行监测和预计，对于掌握矿区形变机理和进行地质灾害防治与评估具有重要意义。合成孔径雷达干涉测量(InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR)技术以其无接触、高精度、高空间分辨率以及不受云雨天气影响等独特优势在矿区地表形变监测中发挥着越来越重要的作用。但是，由于目前星载SAR传感器数量、监测目标优先级等的限制，对于特定矿区而言，在一定时间段内覆盖其地表的SAR数据往往是有限的。这导致InSAR技术得到的矿区地表形变监测数据仅仅是某些特定时刻的稀疏结果，其时间分辨率往往受到较大限制，从而不足以对矿区地表真实动态形变进行有效反应。而且SAR传感器侧视成像的几何机制，也使得其得到的监测数据仅是地表真实三维形变在雷达视线向的一维投影。这同样大大限制了其在矿区地表形变监测中的作用和监测精度。因此，发展一种基于InSAR的矿区地表三维动态形变监测技术迫在眉睫。然而，目前为止，该方面的研究很少有人涉足。鉴于矿区地表水平移动与对应方向的垂直沉降梯度之间存在线性比例关系，之前提出“一种利用单个InSAR干涉对获取矿区地表三维形变场的方法”(专利号：CN201210440875)。但该方法只能对组成单个干涉对的两景SAR影像期间的地表形变进行反演，而无法用于矿区地表动态三维形变反演。此外，矿区地表形变遵循线性叠加原理。该理论已经广泛应用于概率积分法(一种矿区地表形变拟合预计通用方法)等矿区形变预计理论中。对于单/多工作面开采，其本质上都是地下物质损失后使得周边岩层原始应力平衡状态破坏，从而导致开采工作面上覆岩层及其地表发生移动变形。上述理论在单工作面开采导致的地表单时段或时序形变中虽已有应用，但是在矿区动态三维形变研究以及多工作面重复采动形变研究中的应用仍然很少。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法、装置及存储介质，该方法基于矿区开采岩层移动变形机理，利用监测得到的沿SAR传感器雷达视线向的一维多时相形变监测数据，建立其与矿区地表多时相垂直沉降之间的投影转换关系函数模型，并利用一种新型矿区地表动态沉降模型以及与其配套的参数估计智能算法对矿区地表各点进行动态沉降拟合预计，得到矿区地表动态沉降后，利用矿区地表水平移动与对应方向的沉降梯度之间的线性比例关系函数模型，构建矿区地表二维水平移动估计方程。本专利技术不仅能够对矿区地下单工作面开采导致的地表变形进行准确预计，而且对于多工作面重复采动导致的地表变形同样具有良好的拟合效果。基于所提出的参数估计智能算法，本专利技术可以对复杂地质采矿条件下的矿区地表动态三维形变进行准确估计；突破已有方法在多工作面重复采动沉陷预计中的不适用性以及无法解算动态三维形变的限制；拓展了InSAR技术在矿区形变监测中应用前景的同时，为矿区形变监测与解译、地质灾害预计、评估和治理等提供了一种有效的手段。本专利技术的提供的技术方案如下：一方面，一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法，包括如下步骤：S1：获取待监测矿区的多时相InSAR干涉对，并基于多时相InSAR干涉对得到待监测矿区地表沿雷达视线(Line-of-Sight，LOS)向的多时相DInSAR形变监测结果；S2：基于DInSAR中所用的DEM坐标系统为参考，将S1得到的所有多时相DInSAR形变监测结果进行地理编码，得到空间坐标系统一致的多时相LOS向形变dLOS；S3：基于单个DInSAR干涉对LOS向形变dlos与地表沿垂直、东西和南北方向的三维形变U、E、N之间的投影转换关系和矿区地表水平移动与对应方向的沉降梯度之间的线性比例关系函数模型，构建多时相LOS向形变dLOS与多时相垂直形变UM之间的几何映射模型，并将多时相LOS向形变dLOS转换得到矿区地表多时相垂直沉降UM；S4：根据矿区地下开采导致的地表形变的线性叠加原理以及单工作面开采地表动态沉降拟合函数，构建矿区多工作面重复采动情况下的地表动态沉降模型；S5：将S3得到的矿区地表多时相垂直沉降UM及其对应的干涉对影像获取时间TM组成拟合数据集，基于S4构建的地表动态沉降模型，利用参数估计智能算法对地表各待监测点进行地表动态沉降模型参数拟合，得到矿区地表各待监测点对应的动态沉降模型参数值，进而获得矿区地表动态沉降；S6：根据矿区地表水平移动与对应方向的沉降梯度之间的线性比例关系函数模型和S5计算得到的矿区地表动态沉降，构建矿区地表沿东西和南北方向的动态二维水平位移求解模型，得到矿区地表动态二维水平位移。进一步地，所述S4中的矿区多工作面重复采动情况下的地表动态沉降模型为：其中，U(i,j,t)表示矿区地表待监测点(i,j)位置处在t时刻的地表动态沉降；fl(i,j,t)表示在矿区地表待监测点(i,j)位置处采用的第l个已有的单工作面开采地表动态沉降拟合函数，为Knothe、Weibull、Logistic和Richards函数中的一种；K为对待监测点进行模型拟合所需函数个数，K的最大值为Kmax，Kmax≤5。进一步地，所述S5中的利用参数估计智能算法对地表各待监测点进行地表动态沉降模型参数拟合具体步骤如下：S51：根据矿区开采具体情况，选取Knothe、Weibull、Logistic和Richards中的一种或几种函数，作为矿区地表待监测点处动态沉降模型的拟合函数库；比如，选取Logistic函数为模型拟合输入函数，即S52：令K的初值为1，即K＝1，并设置拟合误差阈值Δ；此处设置(i,j)点处拟合得到的沉降最大值的0.1倍作为阈值Δ；S53：根据K值和矿区地表多时相垂直沉降UM及其对应的干涉对影像获取时间TM，利用遗传算法对地表动态沉降模型的待估参数值进行求解，得到矿区地表待监测点处在K下对应的动态沉降输出值；在利用遗传算法对动态沉降模型参数进行求解的过程中，设置遗传算法的解空间搜索范围、种群大小、迭代次数、停滞代数、交叉变异因子参数，并设置遗传算法的目标函数为：其中，Upara为地表动态沉降模型的待估参数值；之后，基于上述设置的遗传算法参数在解空间中对模型参数进行搜索，获得待估模型参数值的全局最优解；S54：计算地表动态沉降模型输出值和观测值之间的拟合误差δ并判断拟合误差是否满足阈值，即δ≤Δ是否成立；S55：若δ≤Δ不成立，则令K＝K+1并重复S53～S55，直到δ≤Δ成立或K达到阈值Kmax，进入S56；S56：将当前得到的待监测点的地表动态沉降模型的参数值输出，得到该点动态沉降模型；利用上述方法对矿区地表所有监测点依次进行模型拟合，即可得到各监测点的最优拟合模型参数值；之后，输入起始采动后的任意时刻的时间t，即可得到该时刻对应的地表动态沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法，其特征在于：包括如下步骤：/nS1：获取待监测矿区的多时相InSAR干涉对，并基于多时相InSAR干涉对得到待监测矿区地表沿雷达视线向的多时相DInSAR形变监测结果；/nS2：基于DInSAR中所用的DEM坐标系统为参考，将S1得到的所有多时相DInSAR形变监测结果进行地理编码，得到空间坐标系统一致的多时相LOS向形变d

【技术特征摘要】
1.一种顾及移动规律的矿区地表三维动态形变估计方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：获取待监测矿区的多时相InSAR干涉对，并基于多时相InSAR干涉对得到待监测矿区地表沿雷达视线向的多时相DInSAR形变监测结果；
S2：基于DInSAR中所用的DEM坐标系统为参考，将S1得到的所有多时相DInSAR形变监测结果进行地理编码，得到空间坐标系统一致的多时相LOS向形变dLOS；
S3：基于单个DInSAR干涉对LOS向形变dlos与地表沿垂直、东西和南北方向的三维形变U、E、N之间的投影转换关系和矿区地表水平移动与对应方向的沉降梯度之间的线性比例关系函数模型，构建多时相LOS向形变dLOS与多时相垂直形变UM之间的几何映射模型，并将多时相LOS向形变dLOS转换得到矿区地表多时相垂直沉降UM；
S4：根据矿区地下开采导致的地表形变的线性叠加原理以及单工作面开采地表动态沉降拟合函数，构建矿区多工作面重复采动情况下的地表动态沉降模型；
S5：将S3得到的矿区地表多时相垂直沉降UM及其对应的干涉对影像获取时间TM组成拟合数据集，基于S4构建的地表动态沉降模型，利用参数估计智能算法对地表各待监测点进行地表动态沉降模型参数拟合，得到矿区地表各待监测点对应的动态沉降模型参数值，进而获得矿区地表动态沉降；
S6：根据矿区地表水平移动与对应方向的沉降梯度之间的线性比例关系函数模型和S5计算得到的矿区地表动态沉降，构建矿区地表沿东西和南北方向的动态二维水平位移求解模型，得到矿区地表动态二维水平位移。


2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述S4中的矿区多工作面重复采动情况下的地表动态沉降模型为：
其中，U(i,j,t)表示矿区地表待监测点(i,j)位置处在t时刻的地表动态沉降；fl(i,j,t)表示在矿区地表待监测点(i,j)位置处采用的第l个已有的单工作面开采地表动态沉降拟合函数，为Knothe、Weibull、Logistic和Richards函数中的一种；K为对待监测点进行模型拟合所需函数个数，K的最大值为Kmax，Kmax≤5。


3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述S5中的利用参数估计智能算法对地表各待监测点进行地表动态沉降模型参数拟合具体步骤如下：
S51：根据矿区开采具体情况，选取Knothe、Weibull、Logistic和Richards中的一种或几种函数，作为矿区地表待监测点处动态沉降模型的拟合函数库；
S52：令K的初值为1，即K＝1，并设置拟合误差阈值Δ；
S53：根据K值和矿区地表多时相垂直沉降UM及其对应的干涉对影像获取时间TM，利用遗传算法对地表动态沉降模型的待估参数值进行求解，得到矿区地表待监测点处在K下对应的动态沉降输出值；
S54：计算地表动态沉降模型输出值和观测值之间的拟合误差δ并判断拟合误差是否满足阈值，即δ≤Δ是否成立；
S55：若δ≤Δ不成立，则令K＝K+1并重复S53～S55，直到δ≤Δ成立或K达到阈值Kmax，进入S56；
S56：将当前得到的待监测点的地表动态沉降模型的参数值输出，得到该点动态沉降模型。


4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述S6中的矿区地表沿东西和南北方向的二维水平位移求解模型表达式为：






其中，U(i,j,t)表示矿区地表待监测点(i,j)位置处在t时刻的动态沉降，E(i,j,t)和N(i,j,t)分别表示矿区地表待监测点(i,j)位置处在t时刻的东西向和南北向的位移，i＝1,2,…,Rmax-1，j＝1,2,…,Cmax-1，Rmax和Cmax表示影像的最大行和列数，ΔE和ΔN表示地理编码后的矿区地表形变监测数据中像元沿东西和南北方向的空间分辨率。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单个DInSAR干...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽发，王跃东，李志伟，吴立新，朱建军，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43