CN117213443A - 一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，根据SAR卫星的存档数据获得卫星维度的目标区域地面沉降信息，构建地面监测网获得地面维度的目标区域地面沉降信息，构建地下监测网获得地下维度的目标区域地面沉降信息，根据各维度的目标区域地面沉降信息，圈定重点新增区域和减缓区域完成天地深一体化地面沉降监测网的更新，实现地面沉降动态的全面掌握，为全省地面沉降灾害防控提供了大量的数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及地面沉降监测领域，具体涉及一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法。
背景技术
现阶段，地面沉降监测技术按照垂向上距离地表的相对位置可以划分为以InSAR为代表的天基部分、以水准为代表的地基部分以及以分层标组、分布式光纤为代表的深基部分。其中，天基部分侧重于空间上的覆盖，具有显著的“面”特征；地基部分侧重于区域性沉降信息的精确获取，表现出明显的“线”特征；而深基部分侧重于单点位自地表以下不同深度的土体变化监测，突出“点”特征。虽然各观测技术凭借自身优势在以往地面沉降的监测过程中已经发挥了显著作用，但在当前地面沉降时空发育特征快速演变的新形势下，存在以下三点问题：一是应用过程中基本上以一种或者两种为主，没能在空间维形成自上而下完整的贯穿式监测体系，统筹能力不足；二是未能将不同技术作为一个有机的观测整体来看待，相互配合、相互补充的系统性、协调性能力不足；三是只以静态方式管理各监测部分，缺乏以发展的角度看待监测网的动态更新和迭代优化问题。
发明内容
本发明目的：在于提供一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，以满足全面、准确、及时获取地面沉降信息的监测需求，针对天地深观测技术之间尚未充分形成监测合力的现实性问题，旨在构建天地深一体的地面沉降监测网络系统，实现地面沉降发生平面空间与垂向地层深度立体感知的协同观测,并以监测网络获取地面沉降信息、以沉降信息牵引监测网络进行动态更新和迭代优化。
为实现以上功能，本发明设计一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，执行如下步骤S1-步骤S3，完成天地深一体化地面沉降监测网建设，执行如下步骤S4，完成天地深一体化地面沉降监测网的更新：
步骤S1：获取目标区域监测时段内SAR卫星的存档数据，对比各SAR卫星的空间覆盖和影像数量情况，根据监测波段、影像分辨率、幅宽，选择InSAR数据源，针对所选择的InSAR数据源进行解译、处理，获得天基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S2：在目标区域地面上布设多组分层标，每组的各分层标距离在预设范围之内，构建地面监测网，每组分层标以主标志为参考，观测点包括各分层标主标志和地面标，进行一点通视观测，获得地面维度的目标区域地基沉降信息；
步骤S3：在目标区域沉降区各预设点位通过钻孔布设安装分布式感测光缆，构建地下监测网，利用调制解调仪获取监测数据，经过信号传输与数据分析，获得深基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S4：根据步骤S1-步骤S3所获得的各维度的目标区域地面沉降信息，圈定重点新增区域和减缓区域，其中重点新增区域指平均沉降速率、中心沉降速率均超过其各自预设阈值的区域，减缓区域指沉降速率相比于上一年度减少预设阈值的区域，对于重点新增区域，若无地面和地下监测网覆盖，结合当前网形进行扩充；对于减缓区域，依据天地深一体化地面沉降监测网提供的发育趋势信息，按照减缓的程度降低观测频次。
作为本发明的一种优选技术方案：步骤S1中根据监测波段、影像分辨率、幅宽，选择InSAR数据源的方法如下：
分别针对监测波段、影像分辨率、幅宽三项指标设置阈值并赋权重，将监测波段小于其阈值的赋权重值0.1，否则赋权重值0，将影像分辨率大于其阈值的赋权重值0.6，否则赋权重值0，将幅宽大于其阈值的赋权重值0.3，否则赋权重值0，三项指标分别与各自权重值相乘后相加得到一个综合的选择值，选择最大值所对应的SAR卫星的存档数据作为InSAR数据源。
作为本发明的一种优选技术方案：步骤S2中通过多次变换观测仪器高取平均数作为即时数据成果，以减小观测中的误差，把即时数据成果与上期成果进行校对，发现有异常情况，予以重复测量；对于预设范围内有GPS观测墩的，联测到观测墩副标志上，以进行GPS观测成果和水准观测成果的互相验证。
作为本发明的一种优选技术方案：步骤S3中采用竖向铺设分布式感测光缆的方式，监测土体全断面各个土层的变形，以光纤监测解调设备获取分布式感测光缆微应变数据，根据地面沉降地层变形计算公式，将处理后的微应变数据变换为变形量数据，地面沉降地层变形计算公式如下：
；
；
式中，D(z 1-z 2)表示z 1位置到z 2位置间光纤测得的土体变形，ε(z)为中间变量，表示z位置处光纤的初始布里渊散射光频移量，f(z)表示z位置处光纤的布里渊散射光频移量，C s 表示光纤背向布里渊散射光的频移量与光缆应变的比例系数，C T 光纤背向布里渊散射光的频移量与光缆温度的比例系数，ΔT(z)表示z位置处光纤的温度变化。
作为本发明的一种优选技术方案：步骤S4中重点新增区域指平均沉降速率超过5mm/a、中心沉降速率超过15mm/a的区域，减缓区域指沉降速率相比于上一年度减少10mm/a的区域。
有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：
本发明设计了一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，根据地质条件与地面沉降的演化特征，建立天地深一体化地面沉降综合监测网络体系并持续完善，实现地面沉降动态的全面掌握，为全省地面沉降灾害防控提供了大量的数据支撑。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法的框架图；
图2是根据本发明实施例提供的天地深一体化地面沉降综合监测网络体系示意图；
图3是根据本发明实施例提供的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，参照图1，执行如下步骤S1-步骤S3，完成天地深一体化地面沉降监测网建设，执行如下步骤S4，完成天地深一体化地面沉降监测网的更新：
步骤S1：获取目标区域监测时段内SAR卫星的存档数据，在一个实施例中，参照图2，针对覆盖全江苏省的SAR卫星和294个GPS标石（含CORS站71个），不同SAR卫星存档数据的格式存在差异，这里的SAR卫星存档数据指的是RADARSAT-2卫星的超宽精细模式影像，数据类型是单视复数据，形式包含一个tiff文件，tiff文件内容为影像信息、一个xml头文件，xml头文件的内容是对获取tiff文件的信息描述包括影像长宽、获取时间等；对比各SAR卫星的空间覆盖和影像数量情况，根据监测波段、影像分辨率、幅宽，选择InSAR数据源，针对所选择的InSAR数据源进行解译、处理，获得天基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S1中根据监测波段、影像分辨率、幅宽，选择InSAR数据源的方法如下：
分别针对监测波段、影像分辨率、幅宽三项指标设置阈值并赋权重，将监测波段小于其阈值的赋权重值0.1，否则赋权重值0；将影像分辨率大于其阈值的赋权重值0.6，否则赋权重值0，因为若影像分辨率比较低，地物显示不清，不利于监测；将幅宽大于其阈值的赋权重值0.3，否则赋权重值0，因为覆盖的监测区域较广，需要幅宽大的影像，三项指标分别与各自权重值相乘后相加得到一个综合的选择值，选择最大值所对应的SAR卫星的存档数据作为InSAR数据源；比如：影像分辨率大于等于5米的影像权重为0.6，低于的该项即为0；影像幅宽超过100公里的权重为0.3，低于的该项即为0；波长在C波段及以下的为0.1，超过的为0，三项指标按照权重相加得到一个综合的选择值确定最佳数据源。
将所获得的最佳InSAR数据源提交后续编程实施方案，为地面沉降监测网后续动态数据的持续更新提供保障。数据获取后，依据《地面沉降干涉雷达数据处理技术规程(DD2014-11)》进行解译处理得到平面空间的地面沉降信息，其中地面沉降信息指的是经处理后生成得到的一个包含经度、纬度、形变值的shp文件或者其它格式的文件，文件里面的行数对应于用来计算形变值的离散点像元数，比如InSAR处理有100万个监测点，则文件的行数就是100万行，列数就是经度、纬度、形变值3列。
步骤S2：在目标区域地面上布设多组分层标，每组的各分层标距离在预设范围之内，构建地面监测网，地面监测网包含1645 km的水准路线，每组分层标以主标志为参考，观测点包括各分层标主标志和地面标，进行一点通视观测，获得地基维度的目标区域地面沉降信息；
与基岩标、分层标测量参考一等水准测量相关技术要求所不同的是，由于基岩标分层标多局部成组分布，距离一般在十几米以内，通视条件也较好，因此不需搬站，每组分层标以基岩标主标为参考，观测点包括各分层标主标志和地面标，进行一点通视观测。步骤S2中通过多次变换观测仪器高取平均数作为即时数据成果，减小观测中的误差，变换观测仪器高的目的为进行测站检核，即每一站观测两次，前后视水准点位置没有改变，因此测量的高差相同，以检核测量的正确性。测量相关技术要求如下表1：
表1
把即时数据成果与上期成果进行校对，发现有异常情况，予以重复测量；对于附近有GPS观测墩的，联测到观测墩副标志上，以进行GPS观测成果和水准观测成果的互相验证。
步骤S3：在目标区域沉降区各预设点位通过钻孔布设安装分布式感测光缆，构建地下监测网，地下监测网包括20组分层标、23座基岩标、18个光纤监测孔，利用调制解调仪获取监测数据，经过信号传输与数据分析，获得深基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S3中采用竖向铺设分布式感测光缆的方式，监测土体全断面各个土层的变形，以光纤监测解调设备获取分布式感测光缆微应变数据，分布式感测光缆微应变数据为监测设备导出的监测数据类型为txt文本格式；根据地面沉降地层变形计算公式，将处理后的微应变数据变换为变形量数据，地面沉降地层变形计算公式如下：
；
；
式中，D(z 1-z 2)表示z 1位置到z 2位置间光纤测得的土体变形，ε(z)为中间变量，表示z位置处光纤的初始布里渊散射光频移量，单位为MHz，f(z)表示z位置处光纤的布里渊散射光频移量，单位为MHz，C s 表示光纤背向布里渊散射光的频移量与光缆应变的比例系数，单位为MHz/με，可由光缆供应商提供或者通过光缆标定试验确定；C T 光纤背向布里渊散射光的频移量与光缆温度的比例系数，单位为MHz/℃，可由光缆供应商提供或者通过光缆标定试验确定，ΔT(z)表示z位置处光纤的温度变化。
步骤S4：根据步骤S1-步骤S3所获得的各维度的目标区域地面沉降信息，圈定重点新增区域和减缓区域，其中重点新增区域指平均沉降速率、中心沉降速率均超过其各自预设阈值的区域，减缓区域指沉降速率相比于上一年度减少预设阈值的区域，对于重点新增区域，若无地面和地下监测网覆盖，结合当前网形进行扩充；对于减缓区域，依据天地深一体化地面沉降监测网提供的发育趋势信息，按照减缓的程度降低观测频次。
其中平均沉降速率、中心沉降速率根据步骤S1所获得的InSAR数据源进行解译处理后得到，平均沉降速率指的是目标区域沉降速率的平均值，中心沉降速率是指目标区域沉降中心的最大值沉降速率；沉降速率v的计算公式如下式：
式中，λ代表采用的SAR卫星数据的影像波长；T代表SAR卫星影像获取的时间间隔；代表SAR卫星影像获取的相位差。
步骤S4中重点新增区域指平均沉降速率超过5mm/a、中心沉降速率超过15mm/a的区域，减缓区域指沉降速率相比于上一年度减少10mm/a的区域。
本发明实施例还提供一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新系统，参照图3，包括监测模块、信号调制解调模块、信号传输与数据分析模块、评价模块，以实现所述的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法；
其中监测模块用于采集目标区域沉降区各分布式感测光缆的数据，经过信号调制解调模块，传输至信号传输与数据分析模块，信号传输与数据分析模块包括网络设备、服务器、控制终端，接收目标区域监测时段内SAR卫星的存档数据、目标区域地面上所布设的多组分层标数据、目标区域沉降区各分布式感测光缆的数据，经过数据分析处理，分别获得天基维度、地基维度、深基维度的目标区域地面沉降信息；信号传输与数据分析模块将天基维度、地基维度、深基维度的目标区域地面沉降信息传输至评价模块，评价模块根据目标区域的平均沉降速率、中心沉降速率，判定重点新增区域和减缓区域。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，其特征在于，执行如下步骤S1-步骤S3，完成天地深一体化地面沉降监测网建设，执行如下步骤S4，完成天地深一体化地面沉降监测网的更新：
步骤S1：获取目标区域监测时段内SAR卫星的存档数据，对比各SAR卫星的空间覆盖和影像数量情况，根据监测波段、影像分辨率、幅宽，选择InSAR数据源，针对所选择的InSAR数据源进行解译、处理，获得天基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S2：在目标区域地面上布设多组分层标，每组的各分层标距离在预设范围之内，构建地面监测网，每组分层标以主标志为参考，观测点包括各分层标主标志和地面标，进行一点通视观测，获得地基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S3：在目标区域沉降区各预设点位通过钻孔布设安装分布式感测光缆，构建地下监测网，利用调制解调仪获取监测数据，经过信号传输与数据分析，获得深基维度的目标区域地面沉降信息；
步骤S4：根据步骤S1-步骤S3所获得的各维度的目标区域地面沉降信息，圈定重点新增区域和减缓区域，其中重点新增区域指平均沉降速率、中心沉降速率均超过其各自预设阈值的区域，减缓区域指沉降速率相比于上一年度减少预设阈值的区域，对于重点新增区域，若无地面和地下监测网覆盖，结合当前网形进行扩充；对于减缓区域，依据天地深一体化地面沉降监测网提供的发育趋势信息，按照减缓的程度降低观测频次。
2.根据权利要求1所述的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，其特征在于，步骤S1中根据监测波段、影像分辨率、幅宽，选择InSAR数据源的方法如下：
分别针对监测波段、影像分辨率、幅宽三项指标设置阈值并赋权重，将监测波段小于其阈值的赋权重值0.1，否则赋权重值0，将影像分辨率大于其阈值的赋权重值0.6，否则赋权重值0，将幅宽大于其阈值的赋权重值0.3，否则赋权重值0，三项指标分别与各自权重值相乘后相加得到一个综合的选择值，选择最大值所对应的SAR卫星的存档数据作为InSAR数据源。
3.根据权利要求1所述的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，其特征在于，步骤S2中通过多次变换观测仪器高取平均数作为即时数据成果，以减小观测中的误差，把即时数据成果与上期成果进行校对，发现有异常情况，予以重复测量；对于预设范围内有GPS观测墩的，联测到观测墩副标志上，以进行GPS观测成果和水准观测成果的互相验证。
4.根据权利要求1所述的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，其特征在于，步骤S3中采用竖向铺设分布式感测光缆的方式，监测土体全断面各个土层的变形，以光纤监测解调设备获取分布式感测光缆微应变数据，根据地面沉降地层变形计算公式，将处理后的微应变数据变换为变形量数据，地面沉降地层变形计算公式如下：
；
；
式中，D(z 1- z 2)表示 z 1位置到z 2位置间光纤测得的土体变形，ε(z)为中间变量，表示z位置处光纤的初始布里渊散射光频移量，f(z)表示 z位置处光纤的布里渊散射光频移量，C s 表示光纤背向布里渊散射光的频移量与光缆应变的比例系数，C T 光纤背向布里渊散射光的频移量与光缆温度的比例系数，ΔT(z)表示z位置处光纤的温度变化。
5.根据权利要求1所述的一种天地深一体化地面沉降监测网建设与更新方法，其特征在于，步骤S4中重点新增区域指平均沉降速率超过5mm/a、中心沉降速率超过15mm/a的区域，减缓区域指沉降速率相比于上一年度减少10mm/a的区域。
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