基于D-InSAR技术的矿区沉陷监测(毕业答辩)

基于D-InSAR技术的矿区沉陷监测•指导教师：***•姓名：***•学号：***•班级：测绘工程论文大纲•1.研究目的、内容及课题来源•2.国内外研究现状•3.开采沉陷分析及常规监测方法•4.InSAR技术基本概念、原理•5.D-InSAR技术应用于彬长矿区分析•6.结论和建议1.研究目的、内容及课题来源本论文研究内容来源于2009年欧空局Category1计划资助研究课题“D-InSAR应用于中国西部煤矿区采动灾害监测研究”。因此本论文以陕西彬长矿区为例，利用D-INSAR技术，通过使用相关处理软件，监测出形变范围，得出结果。•1969年Rogers等首次将INSAR应用于观测金星表面；•1974年Graham利用机载合成孔径雷达数据获取高程数据。•1986年Zebker和Goldstein首次将INSAR技术应用于地形图测绘；•1980年，Perski选择了欧洲最大的煤田(USCB)50景ERS雷达图象进行研究，得到了观测期内地面沉降的速率和沉降区域的结构及其范围等信息。•1991年欧洲孔间距发射ERS-1卫星，INSAR技术受到人们极大关注；•2000年2月11日美国宇航局（NASA）和国家影像与测绘局联合进行为期11天的航天飞机雷达测绘（SRTM）；•2002年3月发射ENVISAT-1卫星，ASAR具有同极化和多差极化模式，可以多角度多模式成像；•2006年日本发射ALOS/PALSAR卫星；•2007年加拿大在RADARSAT-1基础上发射了RADARSAT-2，也具有干涉测量的功能。•国内对InSAR技术应用于地面沉降监测的研究始于近几年，且主要集中于城市地面沉降的监测。•刘国祥等(2001)利用ERS-2卫星获取的雷达影像作差分干涉处理，成功地获取了香港赤腊角机场沉降场。•2002年，路旭等采用欧空局ERS-1和ERS-2的天津地区复雷达图像数据(重复轨道SAR数据)进行了分析研究。2.INSAR技术发展现状3.INSAR与其他变形监测技术对比监测精度是否接触变形体是否需要布设监测网效率成本覆盖范围空间分辨率天气影响角度测量低是是低高局部低是精密水准测量高是是低高局部低是GPS技术毫米级是是较高高局部低否摄影测量方法低否否很高低区域高是INSAR技术毫米级否否很高低区域到全球高否4.INSAR基本原理•4.1SAR基本概念及原理•4.2INSAR测高原理•4.3D-INSAR基本概念4.1SAR基本概念及原理•SAR是合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar）的简写，是侧视结构的主动式成像雷达,它能够实现二维高分辨率成像（几何结构如右图所示）。satH斜距r近距幅宽距离向SAR图像起始成像成像结束W远距卫星高度视角波束脚印方位向国外机载SAR图像国内机载SAR图像星载SAR图像4.2INSAR测高原理1S2SBHhP1R2R参考椭球(Lookangle)假设轨道是平行的y方位向距离向轨道方向1S2SBHhP1R2R参考椭球(Lookangle)假设轨道是平行的y方位向距离向轨道方向4.3D-INSAR基本概念一般意义下的相位差（双天线工作方式下量测到的相位差）用表示，地面微小变化引起的相位差用表示，则相位差为：tsstD-INSAR的基本思想：如果想要从中得出地表的微小形变引起的相位差，就必须将两部分分离开，才能对地表的微小运动作出估计。因此，根据去除地形相位采用的数据和处理方法的不同，D-InSAR技术主要分为二轨法、三轨法和四轨法。5.D-INSAR技术在彬长矿区实际应用情况•实验处理流程（二轨法）：主影像从影像影像配准影像滤波干涉图相位解缠去平地效应复相干图差分干涉地表形变卫星成像参数外部DEMDEM地理坐标转换为影像坐标DEM反演干涉图干涉相位图从影像外部DEM转换为影像坐标、SAR强度模拟辅影像重采样配准主影像去平地效应DEM反演干涉图地形相位相减数据处理流程干涉相位图差分干涉图干涉轨道文件•用于InSAR处理的SAR数据又被称为单视复影像SLC(SingleLookComPlex)，它是对原始数据进行距离向处理(脉冲压缩)和方位向处理(SAR合成)之后得到的一个复数据的二维表。复影像数据包括雷达波振幅和相位两部分，被称为复数的实部和虚部。•实验区为彬长矿区，中心经纬度为108°5′25.31″E，35°0′9.79″N。影像裁切大小为18000pixel×3000pixel。5.1主从影像选择影像参数设置裁剪后的主影像裁剪后的从影像利用轨道配准的信息，计算主辅影像的重叠区域主图像上选取匹配窗口，辅图像上选取搜索窗口，匹配得到一定数量的同名点对后，计算出各自偏移，根据聚集程度拟合出主辅图像之间的偏移此时要求配准的精度达到一个像素在主影像上面选择待匹配点，在辅图像中选择搜索窗口，并且可以在空间域与频率域中进行相关计算。选择大量的点来计算偏移量;同时利用大量的同名点建立其主辅影像之间的坐标变换关系式。5.2配准过程一级轨道级配准二级像素级粗配准子像素级精配准生成同名点估算出600个同名点的位置，偏移量及相关系数。这些同名点继续后续图像处理中。同名点相关系数图干涉相位实质就是两回波信号相位之差，即干涉相位：干涉相位是两雷达天线的目标点的斜距之差的函数。干涉相位以影像形式表现出来就是干涉图或干涉相位图。)(4)(2121RRRR）（5.3干涉处理生成合成图干涉相位图干涉强度图此时合成图中包含的相位信息有地形相位、形变相位、平地相位，所以需要去掉平地相位•干涉图生成以后其质量的好坏可以用相干系数来衡量。SAR载体获取的同一地面场景的两幅图像数据之间需要具有足够的相关性，否则将直接影响到形成干涉条纹的清晰度。•相干系数的值在[0,1]之间，相应的影像就是相干图。相干图的亮暗反映了两幅图像的相关程度，相干图越亮说明干涉相位的相干性越好，反之越差。相干系数图1S2SBHhP1R2R001R02R0Pd如上图所示，干涉相位中既包含了地形产生的相位，又包含了参考椭球体产生的相位。从上图看出，，则和位于同一像元内。这里定义位于参考椭球面上的引起的相位为参考椭球引起的相位（参考相位，又称作平地效应）。011SPSP0PP0Pflat5.4平地效应＋＋﹦﹦去平地效应前去平地效应后•相位解缠是InSAR数据处理生成DEM的关键步骤之一。由于利用SAR数据计算出的相位差值，只是相位值的小数部分，而要建立地面DEM，必须通过相位解缠来恢复丢失的相位整数部分。5.5相位解缠差分干涉相位图形变监测结果5.6差分干涉处理结果•SAR图象在做干涉处理时主要是在雷达坐标系下进行的，但当获得最终的DEM或形变图后，我们需要将雷达坐标系的图形转到椭球坐标系或者平面坐标系下，以便进行相应的分析处理。5.7生成UTM下地表形变图形变监测结果与实际对比6.结论和展望6.1、结论论文选取覆盖陕西省彬长矿区的ENVISAT雷达图像作为实验数据，采用二轨差分法获得陕西彬长矿区地面沉陷信息。通过实验可知，InSAR技术可以实现具有全天候监测的能力，可以应用于大范围的煤矿沉陷区域的监测；不仅可以提供用大多数方法难以监测到的地区的数据，而且测算精度可达到厘米级，为灾害预警提供更为全面的形变信息。6.2、展望•实现InSAR技术与其它技术的集成应用是D-InSAR技术发展的潜力所在。结合GIS真正实现D-InSAR技术在矿山地面沉降监测中的应用，对沉陷情况进行系统的分析入库存档等，便于监测分析、处理和预警。•我们坚信随着星载SAR系统的不断发射,InSAR数据处理实用化算法及软件的不断完善、关键技术的成熟，雷达差分干涉测量技术结合“3S”技术将会在未来的数字矿山、安全矿山建设起到越来越重要的作用。