基于时序InSAR的矿区地表沉陷监测和参数反演

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中国是煤炭资源生产和消费大国,高强度煤炭资源开采对我国经济发展贡献巨大动能,同时引起一系列的矿区地质灾害和矿区生态环境问题。因此,监测矿区煤炭资源开采引起的地表沉陷,对于煤矿安全生产和地质灾害预防具有重要的社会价值和科研价值。InSAR技术提供了一种高效的广域形变监测手段,并且可实现全天时、全天候对地观测。多时相InSAR技术已广泛应用于矿区形变监测。但是,InSAR在矿区形变监测中仍存在部分问题有待解决。如时、空失相干问题、大气延迟相位校正、LOS(Line ofSight)向形变分解、空地观测不同步等问题。本文基于Sentinel-1A卫星获取的SAR影像,利用多时相DInSAR、SBAS InSAR算法对泊江海子煤矿113101首采工作面进行地表沉陷监测,并结合实测水准、RTK数据反演地表沉陷参数。主要研究成果如下:(1)基于GACOS大气数据的大气延迟相位校正。本文对31期Sentinel-1ASAR影像进行相邻式干涉处理,以得到的干涉相位图为基础,采用GACOS外部大气数据产品,对干涉像对图进行大气延迟相位校正,并对GACOS数据的大气校正能力进行评价,最大校正48.13%的大气延迟相位,最小校正7.73%的大气延迟相位。(2)基于实测RTK数据约束的LOS向形变值分解。基于多时相DInSAR算法监测的矿区地表视线向形变,考虑SAR影像入射角和卫星轨道倾角,结合地面观测站点的RTK数据,约束InSAR LOS向形变量的分解。由于地面观测站点数量有限,地面观测的时间与SAR卫星观测时间不同步,对于无实测数据约束的LOS向形变本文采用直接分解法,基于SAR影像入射角将其投影至其垂直方向,得到矿区地表的垂直形变分量。(3)沉陷参数反演。利用DInSAR方法获取了-5mm、-10mm下沉等值线。基于沉陷盆地边界等值线和工作面回采速度,计算了-5mm、-10mm下沉边界的超前影响距和超前影响角。基于实测RTK、水准数据和InSAR观测值,得到113101工作面的动态参数和静态参数(下沉系数0.16、主要影响半径290m、主要影响角正切1.88、最大下沉角88.47°~89.49°、边界角57.7°、50.0°)(4)SBAS InSAR形变监测。基于SBAS InSAR算法和31幅Sentinel-1ASAR数据,得到113101工作面开采引起的地表累计形变,并分析单个站点的时序形变变化,深入理解地下煤炭开采对地表的影响。最后,将水准测量结果和D InSAR累计沉降值、SBAS InSAR监测结果进行对比,评估了走向观测站点、倾向观测站点的形变监测精度。在形变梯度较小时,走向观测站点8期DInSAR和水准监测结果的均方根误差最大为±11.21mm,SBAS InSAR和水准监测结果的均方根误差最大为±15.37mm;倾向观测站点6期水准监测结果和DInSAR监测结果的均方根误差最小值为±5.61mm,水准监测结果和SBAS InSAR监测结果的最小均方根误差为±7.41mm。结合时序形变结果和主断面沉降监测结果,矿区地表形变梯度较小时,DInSAR算法监测结果精度优于SBAS InSAR算法。本文共有图35幅,表7个,参考文献70篇。
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