CN111076704A - 一种利用insar精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，属于卫星雷达测量领域。该方法包括以下步骤：首先根据采空区地质采矿条件的信息计算得到采空区采动影响范围内地表下沉量、地表水平移动量，进而根据X、Y两个方向的水平移动量计算水平移动的矢量朝向，并确定与X轴的夹角，然后结合卫星雷达施测点与监测目标的相对位置关系将卫星雷达视方向变形量解算得到监测目标的下沉量。本发明针对现有技术缺陷发明了利用单颗卫星监测得到的目标点视方向位移量解算该点下沉量的方法，可以将InSAR监测结果与现有开采沉陷理论形成链接，以便更好的将InSAR技术与开采沉陷理论进行融合与相互促进。

Description

一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法
技术领域
本发明涉及雷达测量领域，具体地说是涉及一种利用卫星雷达精确测量采煤沉陷区地表变形的方法。
背景技术
合成孔径雷达干涉测量技术(简称InSAR)开辟了空间对地观测技术用于监测地表形变的先河。雷达通过发射并回收雷达波对地球表面主动成像，通过对覆盖同一地区的两幅图像的联合处理提取相位干涉图，可建立数字高程模型。利用合成孔径雷达差分干涉技术可从中提取厘米甚至毫米级精度的地表形变信息，以揭示许多地球物理现象，如地震形变、火山运动、冰川漂移、地面下沉以及山体滑坡等。
基于相位信息处理的卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术通过向地面目标发射电磁波并记录地面目标散射的回波信号获取具有相位信息的合成孔径雷达图像，并通过差分干涉技术进行大范围区域地表形变探测，以其高形变敏感度、高空间分辨率和基于面观测的技术特点极大地弥补传统测量方法如三角边测量、水准仪测量、RTK的低空间分辨率局限性。
卫星雷达测地技术具备大范围区域性实测、全天候、可回溯、人工投入量低等技术优势，采煤沉陷区在全球广泛存在，不同地质采矿条件下煤层开采造成的覆岩(覆岩所指为煤层顶板直至地表的所有地质体)变形特征不尽相同，建(构)筑物、水体、铁(公)路及主要井巷煤柱的留设需要准确的岩层移动参数进行计算，沉陷区土地稳定性及重复利用等问题对于节约土地资源有着重大意义，因此利用卫星雷达测地技术开展采煤沉陷区地表变形监测已逐步成为热门研究领域。
卫星雷达测地原理包括施测点与监测目标之间的距离非常大以致认为卫星两次监测的目标如果变形量未达到失相干的程度则认为两次监测的视方向相同，即认为两次雷达波差值就是监测目标发生的变形量。
单颗卫星雷达数据差分仅能够解算两次施测周期内监测目标的视方向变形量，目前利用InSAR开展变形监测的领域普遍认为监测目标的竖向位移远大于水平移动量，可以认为卫星雷达监测到的视方向位移近似等于下沉量在卫星视方向上的投影。
但是，开采沉陷理论体系经过数十年的发展已经趋于完善，开采沉陷理论体系中大量理论模型、技术方法都是基于下沉量建立的。因此下沉量对于开采沉陷理论至关重要。
另外，大量实测数据表明采空区的采动影响造成的地表变形中水平移动量基本为下沉量的0.3倍，所以对于开采沉陷研究的采空区地表变形而言，“监测目标的竖向位移远大于水平移动量”的基本假设是不成立的。
再次，由于采煤沉陷区地表水平移动量并非小到可以忽略且采动影响下地表所有位置的水平移动方向都指向所有整个地表下沉盆地的“盆底”区域，即水平移动方向属于各个方向均存在，有的地表位置则会向远离卫星施测点方向移动，此类地表区域发生的水平移动量会与下沉量产生叠加，造成卫星视方向位移量的增大；有的地表位置会向靠近卫星施测点方向移动，此类地表区域发生的水平移动量会与下沉量产生一定抵消，造成卫星视方向位移量的减小。具体水平移动量与下沉量叠加和抵消原理示意图见图1和图2，其中图1为采空区地表不同区域水平移动方式不同的原理示意图，图2为采空区地表一点卫星视方向位移量、水平移动量、下沉量之间的关系示意图。
所以对于开采沉陷研究的采空区地表变形而言不能像其他研究领域一样简单的认为卫星雷达监测到的视方向位移近似等于下沉量在卫星视方向上的投影。
以上现有技术的缺陷并不容易解决。首先，卫星雷达波是以多束电磁波的形式向地面发射与回收，监测形式为面状监测而非传统测量意义上的点状监测。因此，首先需要解决点信息识别的问题，目前可行的技术措施有预设人工角反射器。
如果能够将InSAR解算成果与现有开采沉陷更好的融合则会更大程度的发挥InSAR技术的优势，同时也能够大幅促进开采沉陷理论与沉陷防护技术的进步。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，该方法能够实现利用卫星雷达监测到的监测点视方向移动量精确解算下沉量，利用解算得到的下沉量进行相关的开采沉陷理论分析与防护设计，以便更好的将InSAR技术与开采沉陷理论进行融合与相互促进。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，包括以下步骤：
S1：根据地下煤层开采的地质采矿条件对采空区采动影响范围内地表下沉量Wcm、水平移动量进行计算，其中水平移动量的计算包括沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy；
S2：利用步骤S1中得到的坐标为(x,y)的点沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy计算该点的总的水平移动量U总并确定水平移动矢量的朝向与X轴的夹角
Figure BDA0002331499120000021
S3：提取卫星雷达数据参数，获得雷达卫星施测点Q、监测目标点P以及雷达卫星施测点Q在P点所在水平面上的垂直投影点C三点所在的平面QPC与X轴的夹角δ，同时获得卫星雷达视方向线与P点所在水平面的夹角ε；
S4：卫星雷达监测到的P点视方向变形为由P点实际发生的水平移动量和下沉量在PQ方向的投影矢量之和，所以根据卫星雷达监测到的P点视方向变形Δ能够解算P点实际发生的下沉量w。
上述步骤S1中：根据地下煤层开采的地质采矿条件对采空区采动影响范围内地表下沉量Wcm、水平移动量进行计算，其中水平移动量的计算包括沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy；
Wcm、Ux、Uy的计算模型是将煤层覆岩体抽象为均匀连续的颗粒介质体，在煤层采出后覆岩体中颗粒介质的运动符合随机概率，计算地表任意点变形量的过程是将整个采空区对该点的影响概率进行积分，计算公式为：
Figure BDA0002331499120000031
Wcm＝qMcosα
Figure BDA0002331499120000032
Figure BDA0002331499120000033
Ucm＝bWcm
Figure BDA0002331499120000034
公式中W(x,y)为地表坐标为(x,y)的点的概率积分计算下沉量，单位为mm；Ux(x,y)、Uy(x,y)分别为地表坐标为(x,y)的点沿X方向和Y方向的概率积分计算水平移动量，单位为mm；q为下沉系数，无量纲参数；M为煤层法向开采厚度，单位为mm；α为煤层倾角，单位为°；θ0为开采影响传播角，单位为°；Wcm为充分采动条件下地表最大下沉量，单位为mm；b为水平移动系数，无量纲参数；Ucm为充分采动条件下最大水平移动量，单位为mm；r为主要影响半径，单位为m；H为开采深度，单位为m；tanβ为主要影响角正切；D为煤层开采区域；η、ξ为积分变量，其中q、b、θ0、β为岩层移动参数，可以通过开展采煤工作面地表岩移监测站计算获得；α、H为采煤工作面地质采矿基本参数。
上述步骤S2中：利用步骤S1中的计算公式计算得到的坐标为(x,y)的点沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy计算该点的总的水平移动量U总并确定水平移动矢量的朝向与X轴的夹角
Figure BDA0002331499120000041
计算公式为：
Figure BDA0002331499120000042
Figure BDA0002331499120000043
上述步骤S4中：根据卫星雷达监测到的P点视方向变形Δ并利用如下方程解算P点实际发生的下沉量w：
W(x,y)·sinε-|U总(x,y)|·cos(180°-φ+δ)·cosε＝Δ。
本发明的有益技术效果是：
本发明首次提出了单颗卫星解算出来的视方向变形在采煤沉陷区地表变形监测中不能直接当作地表下沉量的观点并给出了相应的论证，针对现有技术缺陷发明了利用单颗卫星监测得到的目标点视方向位移量解算该点下沉量的方法，可以将InSAR监测结果与现有开采沉陷理论形成链接，以便更好的将InSAR技术与开采沉陷理论进行融合与相互促进。
附图说明
图1为采空区地表不同区域水平移动方式不同的原理示意图；
图2为采空区地表一点各位移量关系示意图；
图3为利用InSAR视方向位移量解算下沉量原理示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，包括以下步骤：首先根据采空区地质采矿条件的信息计算得到采空区采动影响范围内地表下沉量、地表水平移动量，进而根据X、Y两个方向的水平移动量计算水平移动的矢量朝向，然后结合卫星雷达施测点与监测目标的相对位置关系将卫星雷达视方向变形量解算得到监测目标的下沉量，更好的将InSAR技术与开采沉陷理论进行融合与相互促进。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参考图1理解采空区下沉盆地不同区域的变形特征，尤其在于水平移动的矢量方向都朝向下沉盆地的盆底区域，这一沉陷特征说明在整个下沉盆地中靠近卫星施测点一侧的地表发生的水平移动是远离卫星施测点的，而远离卫星施测点一侧的地表发生的水平移动则是向卫星施测点靠近的。再者对于煤炭采空区造成的地表变形而言，水平移动量并非小到可以忽略不记，反而会与地表下沉量形成叠加或者抵消的增减效果，因此必须予以关注。
请参考图2理解角反射器变形前的状态A点与变形后的状态A'之间的各类变形量之间的关系，其中S为变形前后发生的实际位移，Δ为卫星捕获的视方向位移量，由于卫星距离检测目标的距离非常远所以两次反射波与回收波之间的夹角可以忽略不记。故认为S＝Δ，图2中涉及的其他字母代表的含义请参照后文。
在本发明的具体实施方式中提供了一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，请参考图3理解。该方法能够实现利用卫星雷达监测到的监测点视方向移动量精确解算下沉量，利用解算得到的下沉量进行相关的开采沉陷理论分析与防护设计，更好的将InSAR技术与开采沉陷理论进行融合、相互促进。
具体的，一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，包括以下步骤：
S1：根据地下煤层开采的地质采矿条件对采空区采动影响范围内地表下沉量Wcm、水平移动量进行计算，其中水平移动量的计算包括沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy。Wcm、Ux、Uy的计算模型是将煤层覆岩体抽象为均匀连续的颗粒介质体，在煤层采出后覆岩体中颗粒介质的运动符合随机概率，计算地表任意点变形量的过程是将整个采空区对该点的影响概率进行积分，计算公式为：
Figure BDA0002331499120000051
Wcm＝qM cosα
Figure BDA0002331499120000052
Figure BDA0002331499120000053
Ucm＝bWcm
Figure BDA0002331499120000054
公式中W(x,y)为地表坐标为(x,y)的点的概率积分计算下沉量，单位为mm；Ux(x,y)、Uy(x,y)分别为地表坐标为(x,y)的点沿X方向和Y方向的概率积分计算水平移动量，单位为mm；q为下沉系数，无量纲参数；M为煤层法向开采厚度，单位为mm；α为煤层倾角，单位为°；θ0为开采影响传播角，单位为°；Wcm为充分采动条件下地表最大下沉量，单位为mm；b为水平移动系数，无量纲参数；Ucm为充分采动条件下最大水平移动量，单位为mm；r为主要影响半径，单位为m；H为开采深度，单位为m；tanβ为主要影响角正切；D为煤层开采区域；η、ξ为积分变量。其中q、b、θ0、β为岩层移动参数，可以通过开展采煤工作面地表岩移监测站计算获得；α、H为采煤工作面地质采矿基本参数。
S2：利用步骤S1中的计算公式计算得到的坐标为(x,y)的点沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy计算该点的总的水平移动量U总并确定水平移动矢量的朝向与X轴的夹角
Figure BDA0002331499120000061
计算公式为：
Figure BDA0002331499120000062
Figure BDA0002331499120000063
S3：提取卫星雷达数据参数，获得雷达卫星施测点Q、监测目标点P以及施测点Q在P点所在水平面上的垂直投影点C三点所在的平面QPC与X轴的夹角δ，同时获得卫星雷达视方向线与P点所在水平面的夹角ε。
S4：卫星雷达监测到的P点视方向变形为由P点实际发生的水平移动量和下沉量在PQ方向的投影矢量之和，所以根据卫星雷达监测到的P点视方向变形Δ并利用如下方程解算P点实际发生的下沉量w：
W(x,y)·sinε-|U总(x,y)|·cos(180°-φ+δ)·cosε＝Δ
特别说明的是本发明中涉及的采空区地表岩移参数、地质采矿条件参数均为本领域技术人员的公知常识，因此不再对此类基本知识进行展开介绍。
本发明首次提出了单颗卫星解算出来的视方向变形在采煤沉陷区地表变形监测中不能直接当作地表下沉量的观点并给出了相应的论证，针对现有技术缺陷发明了利用单颗卫星监测得到的目标点视方向位移量解算该点下沉量的方法，可以将InSAR监测结果与现有开采沉陷理论形成链接，以便更好的将InSAR技术与开采沉陷理论进行融合与相互促进。

Claims (4)

1.一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据地下煤层开采的地质采矿条件对采空区采动影响范围内地表下沉量Wcm、水平移动量进行计算，其中水平移动量的计算包括沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy；
S2：利用步骤S1中得到的坐标为(x,y)的点沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy计算该点的总的水平移动量U总并确定水平移动矢量的朝向与X轴的夹角
Figure FDA0002331499110000011
S3：提取卫星雷达数据参数，获得雷达卫星施测点Q、监测目标点P以及雷达卫星施测点Q在P点所在水平面上的垂直投影点C三点所在的平面QPC与X轴的夹角δ，同时获得卫星雷达视方向线与P点所在水平面的夹角ε；
S4：卫星雷达监测到的P点视方向变形为由P点实际发生的水平移动量和下沉量在PQ方向的投影矢量之和，所以根据卫星雷达监测到的P点视方向变形Δ能够解算P点实际发生的下沉量w。
2.根据权利要求1所述的一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，其特征在于，步骤S1中：根据地下煤层开采的地质采矿条件对采空区采动影响范围内地表下沉量Wcm、水平移动量进行计算，其中水平移动量的计算包括沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy；
Wcm、Ux、Uy的计算模型是将煤层覆岩体抽象为均匀连续的颗粒介质体，在煤层采出后覆岩体中颗粒介质的运动符合随机概率，计算地表任意点变形量的过程是将整个采空区对该点的影响概率进行积分，计算公式为：
Figure FDA0002331499110000012
Wcm＝qM cosα
Figure FDA0002331499110000013
Figure FDA0002331499110000014
Ucm＝bWcm
Figure FDA0002331499110000015
公式中W(x,y)为地表坐标为(x,y)的点的概率积分计算下沉量，单位为mm；Ux(x,y)、Uy(x,y)分别为地表坐标为(x,y)的点沿X方向和Y方向的概率积分计算水平移动量，单位为mm；q为下沉系数，无量纲参数；M为煤层法向开采厚度，单位为mm；α为煤层倾角，单位为°；θ0为开采影响传播角，单位为°；Wcm为充分采动条件下地表最大下沉量，单位为mm；b为水平移动系数，无量纲参数；Ucm为充分采动条件下最大水平移动量，单位为mm；r为主要影响半径，单位为m；H为开采深度，单位为m；tanβ为主要影响角正切；D为煤层开采区域；η、ξ为积分变量，其中q、b、θ0、β为岩层移动参数，可以通过开展采煤工作面地表岩移监测站计算获得；α、H为采煤工作面地质采矿基本参数。
3.根据权利要求1所述的一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，其特征在于，步骤S2中：利用步骤S1中的计算公式计算得到的坐标为(x,y)的点沿东西方向的X轴方向的水平变形量Ux和沿南北方向的Y轴方向的水平变形量Uy计算该点的总的水平移动量U总并确定水平移动矢量的朝向与X轴的夹角
Figure FDA0002331499110000021
计算公式为：
Figure FDA0002331499110000022
Figure FDA0002331499110000023
4.根据权利要求1所述的一种利用INSAR精确解算采煤沉陷区地表下沉量的方法，其特征在于，步骤S4中：根据卫星雷达监测到的P点视方向变形Δ并利用如下方程解算P点实际发生的下沉量w：
W(x,y)·sinε-|U总(x,y)|·cos(180°-φ+δ)·cosε＝Δ。
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