基于GNSS-IR技术的采煤沉陷监测方法技术

本发明专利技术公开了基于GNSS

【技术实现步骤摘要】
基于GNSS
‑
IR技术的采煤沉陷监测方法


[0001]本专利技术涉及一种GNSS
‑
IR技术监测地下采煤引起的地表沉陷的方法，属于地表变形监测领域。

技术介绍

[0002]地下煤层被采出后，采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲。岩层的形变传导至地表后，会造成地面的沉陷，进而形成地表的塌陷盆地。采煤沉陷不仅会导致一系列的生态环境问题，甚至可能引发重大的地质灾害事故，如建筑物的裂缝与崩塌，高速公路路基的沉陷，铁路钢轨的悬浮等。对采煤引起的地表沉陷进行监测可以对潜在的地质灾害进行预测、预警、预防，进而有效避免灾害事故的发生；通过监测获得的地表沉陷数据还可以为采煤塌陷地的治理、采煤塌陷规律的研究提供可靠、科学的依据。
[0003]全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统。GNSS接收机测量4颗及以上的GNSS卫星距离就可以解算得到用户接收机所在的空间位置(经纬度、大地高)。
[0004]GNSS
‑
IR是利用全球导航卫星所发射的L频段信号作为外辐射源，以地基平台为反射信号接收设备载体，通过接收并处理来自海洋、陆地或其他物体反射的GNSS信号与直射信号叠加形成的干涉信号，实现对被测媒质的特征要素提取的技术。通过接收、处理测站地表反射的GNSS信号，GNSS
‑
IR技术可以对测站周边数千平方米范围内的地表电磁物理参数进行监测。
[0005]现有的采煤塌陷监测技术可以分为三类：地基、空基和星基监测技术。地基采煤塌陷监测技术包括水准测量和GNSS定位技术；空基监测技术主要以无人机为载体平台，技术类型包括：倾斜摄影测量技术和机载激光扫描技术(LiDAR)；星基监测技术以卫星为载体平台，技术类型主要为合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)。
[0006]现有技术方法主要存在如下问题：
[0007]地基监测技术：现有的地基采煤塌陷监测技术只能获得离散的、少数监测站处的沉陷数据，因而该技术时空分辨率低、监测的空间尺度极低。尽管可以通过增加测站的方式提高监测的空间尺度，但是该方式会极大地增加经济成本，在现实中是不可行的。
[0008]空基监测技术：空基监测技术易受云、雨等天气因素影响，不能提供连续的地表沉陷数据，且该技术的实施费时耗力、经济成本高。
[0009]星基监测技术：星基监测技术受空间采样的先天限制，即相邻像素的形变不能超过1/4个波长(对于C波段是，1.4cm/25m；对于L波段是7cm/2m)；因此，实际中，该技术无法应用于厚煤层及特厚煤层采煤沉陷的监测(尤其是，处于活跃期的大幅度地表沉陷的监测)。
[0010]现有的GNSS定位技术仅可以对测站(或GNSS天线)处的地表沉陷进行监测，即“点监测”，而不能对测站周边区域地表的采煤沉陷进行监测；本专利技术利用GNSS
‑
IR技术，可以填
补现有技术在高时空分辨率采煤沉陷监测领域的空白，单测站即可实现7000m2范围内地表沉陷的高精度、连续实时监测。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提出基于GNSS
‑
IR技术的采煤沉陷监测方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]基于GNSS
‑
IR技术的采煤沉陷监测方法，获取地表点在空间中绝对沉陷量步骤为：
[0014]将GNSS接收机和天线安装在需要监测的采煤沉陷区地表面，地下煤层被采动前，GNSS天线与高程基准面之间的距离为H0，地下煤层被采动后，地表和GNSS天线在空间中的位置发生下沉，此时GNSS天线与高程基准面之间的距离为H1；利用GNSS载波相位差分定位，分别获得H0和H1的值，然后，将H0减去H1，获得GNSS天线处的沉陷量ΔHabs；
[0015]利用GNSS
‑
IR技术，获得地下煤层被采动前后，地表任意一点P相对于GNSS天线的沉陷量为ΔHrel，将沉陷量ΔHabs与沉陷量为ΔHrel相加，即可获得地表点P在空间中的绝对沉陷量。
[0016]作为本专利技术进一步的方案：利用GNSS
‑
IR技术获取地表点相对GNSS天线沉陷量的关键步骤有4个：S1提取GNSS干涉信号、S2确定干涉信号的特征点、S3计算基准特征点处的相位变化量、S4计算基准特征点处的地表沉陷量。
[0017]作为本专利技术进一步的方案：利用GNSS
‑
IR技术获取地表点相对GNSS天线沉陷量的关键步骤有4个：S1提取GNSS干涉信号、S2确定干涉信号的特征点、S3计算基准特征点处的相位变化量、S4计算基准特征点处的地表沉陷量。
[0018]作为本专利技术进一步的方案：GNSS干涉信号的提取流程：S11将GNSS卫星高度角作为自变量，SNR观测值作为因变量，构造GNSS SNR观测值序列；S12截取5
°‑
25
°
高度角范围内SNR观测值序列；S13使用高通滤波器，提取高频的GNSS干涉信号,滤波器的截止频率不高于10Hz；S14使用低通滤波器，去除GNSS干涉信号的观测噪声；滤波器的截止频率范围不低于80Hz；
[0019]确定干涉信号的特征点：S21寻找干涉信号序列值为零时对应的卫星高度角；S22提取两个相邻零点间的干涉信号子序列。S23根据子序列的观测值的大小，确定特征点的类型；如果子序列SNR观测值有2/3的数目都大于零，则该特征点的类型为波峰点对应的卫星高度角；如果子序列SNR观测值有2/3的数目都小于零，则该特征点的类型为波谷点对应的卫星高度角。S24以卫星高度角为自变量，子序列的SNR观测值为因变量，使用二阶多项式对子序列进行拟合；
[0020]计算基准特征点相位变化量：S31将地表发生沉陷前获取的GNSS干涉信号的特征点作为基准特征点，并将基准特征点处干涉信号的初始相位设定为零或其他常数；S32获取地表发生沉陷后，GNSS干涉信号基准特征点处的相位值，并将该相位值与初始相位值作差，即可获得基准特征点处的相位变化量；
[0021]地表沉陷后，干涉信号基准特征点处的相位值的计算使用线性插值方法，即：寻找基准特征点左侧和右侧最临近的特征点，如果左侧的特征点为波峰点且右侧的特征点为波谷点，则地表沉陷后基准特征点处的相位值使用公式(1)计算；如果左侧的特征点为波谷点
且右侧的特征点为波峰点，则地表沉陷后基准特征点处的相位值使用公式(2)计算；
[0022][0023][0024]计算基准特征点处的地表沉陷量：S41以GNSS干涉信号的观测日期为自变量，基准特征点处的相位变化量为因变量，构造基准特征点处相位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GNSS
‑
IR技术的采煤沉陷监测方法，其特征在于：获取地表点在空间中绝对沉陷量步骤为：将GNSS接收机和天线安装在需要监测的采煤沉陷区地表面，地下煤层被采动前，GNSS天线与高程基准面之间的距离为H0，地下煤层被采动后，地表和GNSS天线在空间中的位置发生下沉，此时GNSS天线与高程基准面之间的距离为H1；利用GNSS载波相位差分定位，分别获得H0和H1的值，然后，将H0减去H1，获得GNSS天线处的沉陷量ΔH
abs
；利用GNSS
‑
IR技术，获得地下煤层被采动前后，地表任意一点P相对于GNSS天线的沉陷量为ΔH
rel
，将沉陷量ΔH
abs
与沉陷量为ΔH
rel
相加，即可获得地表点P在空间中的绝对沉陷量。2.根据权利要求1所述的基于GNSS
‑
IR技术的采煤沉陷监测方法，其特征在于：利用GNSS
‑
IR技术获取地表点相对GNSS天线沉陷量的关键步骤有4个：S1提取GNSS干涉信号、S2确定干涉信号的特征点、S3计算基准特征点处的相位变化量、S4计算基准特征点处的地表沉陷量。3.根据权利要求2所述的基于GNSS
‑
IR技术的采煤沉陷监测方法，其特征在于：利用GNSS
‑
IR技术获取地表点相对GNSS天线沉陷量的具体步骤为：GNSS干涉信号的提取流程：S11将GNSS卫星高度角作为自变量，SNR观测值作为因变量，构造GNSS SNR观测值序列；S12截取5
°‑
25
°
高度角范围内SNR观测值序列；S13使用高通滤波器，提取高频的GNSS干涉信号，滤波器的截止频率不高于10Hz；S14使用低通滤波器，去除GNSS干涉信号的观测噪声；滤波器的截止频率范围不低于80Hz；确定干涉信号的特征点：S21寻找干涉信号序列值为零时对应的卫星高度角；S22提取两个相邻零点间的干涉信号子序列；S23根据子序列的观测值的大小，确定特征点的类型；如果子序列SNR观测值有2/3的数目都大于零，则该特征点的类型为波峰点对应的卫星高度角；如果子序列SNR观测值有2/3的数目都小于零，则该特征点的类型为波谷点对应的卫星高度角；S24以卫星高度角为自变量，子序列的SNR观测值为因变量，使用二阶多项式对子序列进行拟合；计算基准特征点相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天河，李云伟，高凡，王娜子，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：