CN116222411B - 一种地表形变监测系统、监测方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地表形变监测系统、监测方法及应用，属于地表形变监测技术，本发明通过结合InSAR测量技术、数字近景摄影测量技术以及常规大地测量方法，充分利用了三者的优点，实现了对监控区域大范围、具有时效性的精准监控，其在InSAR测量技术作为基础，通过数字近景摄影测量技术以及常规大地测量方法进行补充，消除了InSAR测量技术在测量中易受到环境等因素影响的问题，保证监控结果的精度需求；另外本发明能够充分的利用无人机巡检单元的资源，在不影响对监控区域的监控效果的同时，提升对风险区域的监控强度，在资源有限的条件下，降低InSAR测量单元受气象等因素的影响造成测量精度较差对检测结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于地表形变监测技术，具体的，涉及一种地表形变监测系统、监测方法及应用。
背景技术
传统矿井地面塌陷区监测通常采用走向、倾向观测线的方式反演沉陷预计参数，指导矿产资源开采活动，减少其对地表与地表建筑物的损害。常规监测技术方法包括三角测量、水准测量以及GPS测量，但是受地形、地表建筑物等因素限制，实地观测线布设无法满足设计要求，且获取数据多为离散型，难以准确反映整个塌陷区移动变形的过程与规律；
InSAR是一种利用遥感技术进行的监测技术，其具有范围广、响应快、精度高的优点，但是其检测结果易受到气象、地形等因素的影响，导致检测结果失真，不利于工作人员做出正确的判断，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地表形变监测系统、监测方法及应用，解决现有技术中InSAR技术易受到气象、地形等因素的影响，导致检测结果失真，不利于工作人员做出正确的判断的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种地表形变监测系统，包括：
InSAR测量单元，用于对监控区域的地面进行主动遥感成像，并对得到的图像进行处理以得到将监控区域的地面的形变信息；
无人机巡检单元，用于携带高精度数码相机对监控区域的地面影像信息进行采集，并将采集获得的影像信息传输至控制中心，控制中心对输入的影像信息进行处理后得到三维模型；
地表形变监测单元，用于对地表形变信息进行采集，并将采集的地表形变信息存储和/或传输至控制中心。
所述地表形变监测单元包括微动裂缝仪、物位计、边坡位移计等；
控制中心，用于调整无人机巡检单元对监控区域不同位置的巡检频率，还用于确定地表形变监测单元的安装位置。
一种地表形变监测方法，包括如下步骤：
S1、通过InSAR测量单元进行主动遥感成像，经过数据处理获取监控区域的地面的形变信息；
S2、计算获取各个子监控区域的形变系数F；
S3、按照形变系数F从小到大划分若干个系数取值范围区间；
相邻两个系数取值范围区间之间不相交；
为每一个系数取值范围区间设置一个对应的巡检频率u，且形变系数F取值越大，其对应的巡检频率u越大；
S4、所述无人机巡检单元按照各子监控区域对应的巡检频率u对各子监控区域的影像信息进行采集，并将采集得到影像信息传输至控制中心，控制中心对输入的影像信息进行处理后得到各对应的子监控区域的三维模型；
S5、对于一个子监控区域，根据步骤S4中建立的三维模型获取对应的各位移信息采集点在对应的时间周期内的位移量β；
对于一个位移信息采集点，获取在同一个时间周期内，其对应的由InSAR测量单元采集的位移量θj1以及由三维模型获得的位移量βj1；
当|θj1-βj1|≥y1时，则将对应的位移信息采集点标记为漂移采集点；所述y1为预设参数；
获取在最近的连续的若干个时间周期内，对应的一个子监控区域内的漂移采集点的分布；
在子监控区域内随机划定一个半径为预设值r2的圆形区域，将该圆形区域标记为漂移检测区域；
当漂移检测区域内的漂移采集点的密度大于等于预设值λ时，则将对应的漂移检测区域标记为漂移区域；
在漂移区域内布设对应的地表形变监测单元。
作为本发明的进一步方案，所述形变系数F的计算方法为：
将监控区域划分为n个子监控区域，将这n个子监控区域依次标记为G1、G2、…、Gn；
在监控子区域Gi内随机获取k个位移信息采集点，将这k个位移信息采集点依次标记为w1、w2、…、wk；
在一个预设长度为T1的时间周期内，通过InSAR测量模块检测得到位移信息采集点wj的位移量θj；
其中1≤i≤n，1≤j≤k；
对于一个监控子区域Gi，获取其包含的k个位移信息采集点在过去的最近一个时间周期内的位移量；
根据公式计算得到对应的子监控区域在过去的最近一个时间周期内的形变系数F；
其中θmax为对应的监控子区域Gi在过去的最近一个时间周期内对应的位移量的最大值；
θp=(θ1+θ2+、…、θk)/k，σ为θ1至θk中θ值大于预设值θy的位移信息采集点的数量与k的比值。
作为本发明的进一步方案，当在连续的v个时间周期内，对应的一个所述位移信息采集点的综合位移量小于等于预设值θ1时，则将对应的位移信息采集点标记为稳定点，并在对应的监控子区域内随机选择另外的一个点作为新的位移信息采集点以替换该稳定点；
且该新的位移信息采集点的覆盖范围不与当前存在的任何一个位移信息采集点以及该稳定点的覆盖范围相交；
所述覆盖范围为以对应位移信息采集点为中心，半径为预设值r1的范围。
作为本发明的进一步方案，所述控制中心能够根据漂移区域内的漂移采集点的密度来对布设的地表形变监测仪器的布设密度与种类进行调整。
本发明还公开有上述的一种地表形变监测方法在矿区的地表形变监控中的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明通过结合InSAR测量技术、数字近景摄影测量技术以及常规大地测量方法，充分利用了三者的优点，实现了对监控区域大范围、具有时效性的精准监控，其以InSAR测量技术作为基础获取监控区域的地表形变信息，并在此基础上，通过数字近景摄影测量技术以及常规大地测量方法进行补充，消除了InSAR测量技术在测量中易受到环境等因素影响的问题，保证监控结果的精度需求；
2、本发明能够通过对监控区域内不同位置的无人机巡检频率进行调整，对于形变系数F较大的区域，则在对应的时间周期内提升其巡检频率，而对于形变系数F较小的区域，则降低对其的巡检频率，充分的利用无人机巡检单元的资源，在不影响对监控区域的监控效果的同时，提升对风险区域的监控强度，在资源有限的条件下，降低InSAR测量单元受气象等因素的影响造成测量精度较差对检测结果的影响。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种地表形变监测系统，包括：
InSAR测量单元，用于对监控区域的地面进行主动遥感成像，并对得到的图像进行处理以得到将监控区域的地面的形变信息；
无人机巡检单元，用于携带高精度数码相机对监控区域的地面影像信息进行采集，并将采集获得的影像信息传输至控制中心，控制中心对输入的影像信息进行处理后得到三维模型；
在本发明的一个实施例中，所述无人机巡检单元在飞行时，采用仿地飞行方式进行作业，即根据地面起伏自主调节飞行高度，与被摄地物始终保持固定航高，能够最大程度保证整个边坡各高程模型精度的统一，提高成果质量；
地表形变监测单元，用于对地表形变信息进行采集，并将采集的地表形变信息存储和/或传输至控制中心。
所述地表形变监测单元包括微动裂缝仪、物位计、边坡位移计等；
控制中心，用于调整无人机巡检单元对监控区域不同位置的巡检频率，还用于确定地表形变监测单元的安装位置；
基于上述的一种地表形变监测系统进行地表形变监测的监测方法包括如下步骤：
S1、通过合成孔径雷达干涉测量（InSAR)技术，使用微波雷达成像传感器对监控区域的地面进行主动遥感成像，经过对应的数据处理后，从雷达影像的相位信号中提取监控区域的地面的形变信息；
S2、通过控制中心计算获取各个子监控区域的复杂程度；
具体的：
将监控区域划分为n个子监控区域，将这n个子监控区域依次标记为G1、G2、…、Gn；
在监控子区域Gi内随机获取k个位移信息采集点，将这k个位移信息采集点依次标记为w1、w2、…、wk；
在一个预设长度为T1的时间周期内，通过InSAR测量模块检测得到位移信息采集点wj的位移量θj；
其中1≤i≤n，1≤j≤k；
对于一个监控子区域Gi，获取其包含的k个位移信息采集点在过去的最近一个时间周期内的位移量；
根据公式计算得到对应的子监控区域在过去的最近一个时间周期内的形变系数F；
其中θmax为对应的监控子区域Gi在过去的最近一个时间周期内对应的位移量的最大值；
θp=(θ1+θ2+、…、θk)/k，σ为θ1至θk中θ值大于预设值θy的位移信息采集点的数量与k的比值；
在本发明的一个实施例中，当在连续的v个时间周期内，对应的一个位移信息采集点的综合位移量小于等于预设值θ1时，则将对应的位移信息采集点标记为稳定点，并在对应的监控子区域内随机选择另外的一个点作为新的位移信息采集点以替换该稳定点；
且该新的位移信息采集点的覆盖范围不与当前存在的任何一个位移信息采集点以及该稳定点的覆盖范围相交；
所述覆盖范围为以对应位移信息采集点为中心，半径为预设值r1的范围。
S3、通过控制中心计算获取各子监控区域在过去的最近一个时间周期内的形变系数F；
按照形变系数F从小到大划分若干个系数取值范围区间；
相邻两个系数取值范围区间之间不相交；
为每一个系数取值范围区间设置一个对应的巡检频率u，且形变系数F取值越大，其对应的巡检频率u越大；
S4、所述无人机巡检单元按照各子监控区域对应的巡检频率u对各子监控区域的影像信息进行采集，并将采集得到影像信息传输至控制中心，控制中心对输入的影像信息进行处理后得到各对应的子监控区域的三维模型；
所述巡检频率u是指无人机巡检单元在规定的预设时间内对对应的子监控区域进行影像信息采集的频率；
上述方法能够通过对监控区域内不同位置的无人机巡检频率进行调整，对于形变系数F较大的区域，则在对应的时间周期内提升其巡检频率，而对于形变系数F较小的区域，则降低对其的巡检频率，充分的利用无人机巡检单元的资源，在不影响对监控区域的监控效果的同时，提升对风险区域的监控强度，降低InSAR测量单元受气象等因素的影响造成测量精度较差对检测结果的影响。
S5、对于一个子监控区域，根据步骤S4中建立的三维模型获取对应的各位移信息采集点在对应的时间周期内的位移量β；
对于一个位移信息采集点，获取在同一个时间周期内，其对应的由InSAR测量单元采集的位移量θj1以及由三维模型获得的位移量βj1；
当|θj1-βj1|≥y1时，则将对应的位移信息采集点标记为漂移采集点；
所述y1为预设参数；
获取在最近的连续的若干个时间周期内，对应的一个子监控区域内的漂移采集点的分布；
在子监控区域内随机划定一个半径为预设值r2的圆形区域，将该圆形区域标记为漂移检测区域；
当漂移检测区域内的漂移采集点的密度大于等于预设值λ时，则将对应的漂移检测区域标记为漂移区域；
在漂移区域内布设对应的地表形变监测单元；
该步骤通过对异常的位置进行采集，并根据异常位置的分布来设置地表形变监测单元，以地表形变监测单元的检测结果作为补充，避免异常的检测结果对工作人员做出正确判断结果的影响；
具体的，在本发明的一个实施例中，还能够根据漂移区域内的漂移采集点的密度来对布设的地表形变监测仪器的布设密度与种类进行调整。
本发明通过结合InSAR测量技术、数字近景摄影测量技术以及常规大地测量方法，充分利用了三者的优点，实现了对监控区域大范围、具有时效性的精准监控，其以InSAR测量技术作为基础获取监控区域的地表形变信息，并在此基础上，通过数字近景摄影测量技术以及常规大地测量方法进行补充，消除了InSAR测量技术在测量中易受到环境等因素影响的问题，保证监控结果的精度需求。
本发明所述的一种地表形变监测系统适用于对大面积矿区的地表形变进行监控。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种地表形变监测系统，其特征在于，包括：
InSAR测量单元，用于对监控区域的地面进行主动遥感成像，并对得到的图像进行处理以得到将监控区域的地面的形变信息；
无人机巡检单元，用于携带高精度数码相机对监控区域的地面影像信息进行采集，并将采集获得的影像信息传输至控制中心，控制中心对输入的影像信息进行处理后得到三维模型；
地表形变监测单元，用于对地表形变信息进行采集，并将采集的地表形变信息存储和/或传输至控制中心；
所述地表形变监测单元包括微动裂缝仪、物位计、边坡位移计；
控制中心，用于调整无人机巡检单元对监控区域不同位置的巡检频率，还用于确定地表形变监测单元的安装位置；
通过上述的一种地表形变监测系统进行地表形变监测的方法包括如下步骤：
S1、通过InSAR测量单元进行主动遥感成像，经过数据处理获取监控区域的地面的形变信息；
S2、计算获取各个子监控区域的形变系数F；
S3、按照形变系数F从小到大划分若干个系数取值范围区间；
相邻两个系数取值范围区间之间不相交；
为每一个系数取值范围区间设置一个对应的巡检频率u，且形变系数F取值越大，其对应的巡检频率u越大；
S4、所述无人机巡检单元按照各子监控区域对应的巡检频率u对各子监控区域的影像信息进行采集，并将采集得到影像信息传输至控制中心，控制中心对输入的影像信息进行处理后得到各对应的子监控区域的三维模型；
S5、对于一个子监控区域，根据步骤S4中建立的三维模型获取对应的各位移信息采集点在对应的时间周期内的位移量β；
对于一个位移信息采集点，获取在同一个时间周期内，其对应的由InSAR测量单元采集的位移量θj1以及由三维模型获得的位移量βj1；
当|θj1-βj1|≥y1时，则将对应的位移信息采集点标记为漂移采集点；所述y1为预设参数；
获取在最近的连续的若干个时间周期内，对应的一个子监控区域内的漂移采集点的分布；
在子监控区域内随机划定一个半径为预设值r2的圆形区域，将该圆形区域标记为漂移检测区域；
当漂移检测区域内的漂移采集点的密度大于等于预设值λ时，则将对应的漂移检测区域标记为漂移区域；
在漂移区域内布设对应的地表形变监测单元。
2.根据权利要求1所述的一种地表形变监测系统，其特征在于，所述形变系数F的计算方法为：
将监控区域划分为n个子监控区域，将这n个子监控区域依次标记为G1、G2、…、Gn；
在监控子区域Gi内随机获取k个位移信息采集点，将这k个位移信息采集点依次标记为w1、w2、…、wk；
在一个预设长度为T1的时间周期内，通过InSAR测量模块检测得到位移信息采集点wj的位移量θj；
其中1≤i≤n，1≤j≤k；
对于一个监控子区域Gi，获取其包含的k个位移信息采集点在过去的最近一个时间周期内的位移量；
根据公式计算得到对应的子监控区域在过去的最近一个时间周期内的形变系数F；
其中θmax为对应的监控子区域Gi在过去的最近一个时间周期内对应的位移量的最大值；
θp=(θ1+θ2+、…、θk)/k，σ为θ1至θk中θ值大于预设值θy的位移信息采集点的数量与k的比值。
3.根据权利要求2所述的一种地表形变监测系统，其特征在于，当在连续的v个时间周期内，对应的一个所述位移信息采集点的综合位移量小于等于预设值θ1时，则将对应的位移信息采集点标记为稳定点，并在对应的监控子区域内随机选择另外的一个点作为新的位移信息采集点以替换该稳定点；
且该新的位移信息采集点的覆盖范围不与当前存在的任何一个位移信息采集点以及该稳定点的覆盖范围相交；
所述覆盖范围为以对应位移信息采集点为中心，半径为预设值r1的范围。
4.根据权利要求1所述的一种地表形变监测系统，其特征在于，所述控制中心能够根据漂移区域内的漂移采集点的密度来对布设的地表形变监测仪器的布设密度与种类进行调整。
5.一种根据权利要求1-4任一所述的地表形变监测系统在矿区的地表形变监控中的应用。
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