一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D-InSAR三维预测方法技术

本发明专利技术涉及一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D‑InSAR三维预测方法。该方法首先对概率积分法进行修正，解决了概率积分法边缘收敛速度快的问题，其次依据采动区D‑InSAR LOS向形变与地表三维形变之间的几何投影关系，构建了基于改进动态预计模型的开采沉陷D‑InSAR观测条件方程，随后根据遗传算法，构建了基于遗传算法的改进动态预计模型预计参数求解模型。最后基于D‑InSAR技术获取的地表LOS向形变值，利用基于改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D‑InSAR三维预测方法，得到开采沉陷地表三维移动地表变形值。该方法能够快速、精准、可靠的估计出全尺度梯度开采沉陷地表三维形变。

【技术实现步骤摘要】
一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D-InSAR三维预测方法
本专利技术涉及一种InSAR技术监测矿山开采沉陷地表三维形变领域，尤其涉及一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D-InSAR三维预测方法。
技术介绍
当地下煤炭资源被采出以后，采区周围岩体内部原有的力学平衡状态受到了破坏，使岩层发生了移动、变形和破坏。当开采面积达到一定范围之后，移动和破坏将波及到地表。位于开采影响范围内的建(构)筑物、铁路、河流和井巷等就要产生变形或损坏。开展矿山变形监测理论与方法研究，对于揭示开采沉陷规律与采动损害机理，矿山环境地质灾害预警与防控，以及矿区生态环境修复具有重要科学意义。合成孔径雷达差分干涉测量技术(简称D-InSAR)是一种新型的对地观测技术，目前已经广泛被用于地震、火山运动、山体滑坡、冰川漂移、公路变形和城市沉降等监测。由于其具有全天候、全天时、覆盖范围大、可连续监测空间变形信息、监测精度高(毫米级)、以及具有高分辨率等特点，也成为当前矿山变形监测领域的研究热点。受雷达回访周期及波长的限制，当前D-InSAR技术可以较好的用于地表移动盆地边缘变形、充填开采地表沉陷、老采空区地表残余变形等变形较缓慢和梯度小的开采沉陷监测。但对于处于活跃期的移动盆地中部，由于地表变形剧烈，容易超出雷达卫星的探测能力，导致大变形梯度失相干，常规D-InSAR监测方法将失效。文献研究表明，当前解决InSAR三维监测问题主要有两类方法，第一类为基于多轨道InSAR观测值方法，该类方法主要利用多视线向InSAR技术建立3个及以上观测方程，基于平差原理估计开采沉陷三维变形量。第二类为先验模型+单轨InSAR观测法，该类方法利用先验模型下沉与水平移动的约束条件，将D-InSAR观测方程的参数由3个降为1个，然后通过求解方程和约束条件回带，达到开采沉陷监测目的。对于第一类方法，存在以下不足：至少需要两个或以上具有显著几何差异的InSAR干涉对、监测成本高、数据难以满足方法要求。第二类方法也存在如下不足：模型预计存在边界不收敛问题(对于厚松散层矿区该现象尤为突出)、大梯度形变监测失效。显然，上述两种方法存在费用昂贵、数据获取困难、预计模型边缘不收敛、受大梯度形变限制、不宜推广等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于，提出了一种一种InSAR技术监测矿山开采沉陷地表三维形变监测方法，确保能够快速、精准、可靠的全尺度梯度地表三维形变。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D-InSAR三维预测方法，包括以下步骤：1)在传统的概率积分模型中，开采沉陷盆地被认为由一个主要影响半径条件下形成的盆地。文章的改进概率积分法动态预计模型中，令开采沉陷盆地为两个不同主要影响半径的下沉盆地按照一定的权值组合，则开采后任意Ti时刻地表点A(x,y)的下沉值和水平移动值分别可表示为：根据开采沉陷概率积分法动态预计原理可知，开采后任意Ti时刻地表点A(x,y)的下沉值可表示为：W0＝M*q*cosα(5)开采后任意Ti时刻地表点A(x,y)的南北向和东西向水平移动值分别可表示为：上述公式中各参数的含义为：时刻工作面的开采沉陷修正模型预计参数：M—煤层厚度；α—煤层倾角；θ—最大下沉角；H—采深；时间内走向开采长度；D—工作面倾向长度；tanβ1—第一个沉降盆地主要影响角正切；tanβ2—第二个沉降盆地主要影响角正切；(x,y)—地表任意点A的平面坐标。—工作面走向方向逆时针旋转至正北方向的夹角；—工作面走向方向逆时针旋转至正东方向的夹角；根据开采沉陷学原理，我们假设当地下煤炭开采为充分采动时当非充分采动时认为其余概率积分参数认为不变。2)由开采沉陷学原理可知，在地下煤炭开采为充分采动条件下当非充分采动时且认为其余概率积分参数可认为不变。根据D-InSARLOS向形变与下沉、南北和东西方向水平移动之间的几何投影关系，开采后任意Ti时刻代表地表点A(x,y)的像元jLOS向形变值可表示为：公式(12)中各参数的含义为：θj—为地表点A对应的卫星视线入射角。αj—为地表点A对应的卫星飞行方向方位角。开采后代表地表点A(x,y)的像元j的任意Ti,Ti-1时间段内差分干涉LOS向形变值可表示为：根据地表实测LOS向形变值与IDPIM模型中的待估参数之间的关系，与对于任意第j个像元观测点的Ti,Ti-1时间段内差分干涉LOS向形变值，则可建立的误差方程为：式中：表示观测值：目标像元j任意Ti,Ti-1时间段内实测LOS向形变值；表示预计值，其中是待估参数，即方程(14)中具体的待估参数为：3)根据地表实测LOS向形变值与改进动态预计模型中的待估参数之间的关系，与对于任意第j个像元观测点，则可建立的误差方程(14)。针对公式(14)误差方程中待估参数的求解问题，构建了基于遗传算法的改进动态预计模型模型预计参数求解方法，其具体步骤如下：(1)构建遗传算法适应度函数。根据相邻工作面地质采矿条件选取动态概率积分参数初值，利用改进动态预计模型(1)～(11)及公式(12)、(13)计算目标区域任意像元j的Ti,Ti-1时间段内LOS向形变值令目标像元j任意Ti,Ti-1时间段内实测LOS向形变值为则任意Ti,Ti-1时间段内LOS向预计残差(误差方程)为：如果矿区开采沉陷LOS向形变场中有m×n个像元参与IDPIM模型预计参数求解，则根据公式(17)，可构造构筑遗传算法适应度函数F，式中：C—表示使适应度函数公式(18)始终大于零的一个常数。(2)种群编码和和种群生成。根据地质采矿条件和概率积分参数经验关系确定参数(待估参数)的范围，利用二进制编码随机生成各参数对应的二进制编码，建立初始种群；(3)将种群的二进制编码解码为各参数，利用各个解码参数和公式(18)，计算适应度函数值；(4)计算个体的适应度与所有个体适应度总和之比，该值为该个体相对于种群的相对适应度，即被选择到的概率；(5)进行轮盘赌选择、(单点)交叉、变异操作，产生新一代种群；(6)迭代计算。重复上述(2)～(6)过程，直至达到满足适应度要求，即参数达到足够高的精度。遗传算法的迭代终止条件为满足种群迭代次数或者适应度达到某个要求。本次参数设定为：最大迭代次数maxG＝100次，种群初始个体数p_num＝100，交叉率p＝0.95，变异率0.05。(7)最终解码得到最优改进动态预计模型参数。(8)根据得到的最优改进动态预计模型参数和改进动态预计模型，获取开采沉陷全尺度梯度地表三维形变。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D-InSAR三维预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)在传统的概率积分模型中，开采沉陷盆地被认为由一个主要影响半径条件下形成的盆地。文章的改进概率积分法动态预计模型中，令开采沉陷盆地为两个不同主要影响半径的下沉盆地按照一定的权值组合，则开采后任意T

【技术特征摘要】
1.一种改进动态预计模型约束的全尺度梯度开采沉陷D-InSAR三维预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在传统的概率积分模型中，开采沉陷盆地被认为由一个主要影响半径条件下形成的盆地。文章的改进概率积分法动态预计模型中，令开采沉陷盆地为两个不同主要影响半径的下沉盆地按照一定的权值组合，则开采后任意Ti时刻地表点A(x,y)的下沉值和水平移动值分别可表示为：









根据开采沉陷概率积分法动态预计原理可知，开采后任意Ti时刻地表点A(x,y)的下沉值可表示为：



W0＝M*q*cosα(5)



开采后任意Ti时刻地表点A(x,y)的南北向和东西向水平移动值分别可表示为：















上述公式中各参数的含义为：

时刻工作面的开采沉陷修正模型预计参数：



M—煤层厚度；
α—煤层倾角；
θ—最大下沉角；
H—采深；

时间内走向开采长度；
D—工作面倾向长度；
tanβ1—第一个沉降盆地主要影响角正切；
tanβ2—第二个沉降盆地主要影响角正切；
(x,y)—地表任意点A的平面坐标。

—工作面走向方向逆时针旋转至正北方向的夹角；

—工作面走向方向逆时针旋转至正东方向的夹角；
根据开采沉陷学原理，我们假设当地下煤炭开采为充分采动时当非充分采动时认为其余概率积分参数认为不变。
2)由开采沉陷学原理可知，在地下煤炭开采为充分采动条件下当非充分采动时且认为其余概率积分参数可认为不变。
根据D-InSARLOS向形变与下沉、南北和东西方向水平移动之间的几何投影关系，开采后任意Ti时刻代表地表点A(x,y)的像元jLOS向形变值可表示为：



公式(12)中各参数的含义为：
θj—为地表点A对应的卫星视线入射角。
αj—为地表点A对应的卫星飞行方向方位角。
开采后代表地表点A(x,y)的像元j的任意Ti,Ti-1时间段内差分干涉LOS向形变值可表示为：



根据地表实测LOS向...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋创，王磊，余学祥，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34