一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法

摘要

本发明公开了一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，适用于变形监测及采空区稳定性评价使用。首先获取覆盖采空区建筑场地稳定性评估区域连续成像的升降轨SAR影像；分别对升轨和降轨数据进行时序DInSAR、时序多孔径InSAR或偏移跟踪方法处理，得到视线和方位向时序累积地表形变；根据最小二乘原理解算出时序地表累积三维形变；计算地表时序累积沉降量、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形；根据上述五个移动变形指标精确划定不同时间点采空区建筑场地稳定性等级范围。本发明易于实现，速度快，精度高，能够为采空区稳定性评估、建设利用、复垦修复提供有效、可靠的基础数据，可降低评估费用，有效利用废弃塌陷地，保障地方经济建设可持续发展。

权利要求

1.一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，其特征在于步骤如下：步骤1，通过星载雷达获取覆盖采空区建筑场地稳定性评估区域连续成像的N景升轨和N景降轨SAR影像；

步骤2，分别对升轨和降轨数据进行时序DInSAR、时序多孔径InSAR或偏移跟踪方法处理获得影像中高相干点对应的视线向及方位向地表形变信息，选取升轨或降轨影像获取时间为基准，通过时间内插和外推的方式，将另一轨道得到的视线向及方位向地表时序形变统一归化到与基准轨道影像一致的时间基准下，得到获取时间一致的N幅升轨时序地表视线向形变图、N幅升轨时序地表方位向形变图、N幅降轨时序地表距离向形变图和N幅降轨时序地表方位向形变图；

步骤3，根据步骤2中得到的四组时序地表累积形变图，使用SAR地表三维形变分解方程，通过最小二乘原理解算出影像中高相干点对应地表点的时序三维累积形变量，即影像中高相干点对应地表点的时序竖直向移动、东西向水平移动和南北向水平移动；

步骤4，利用时序地表三维累积形变量解算地表时序累积沉降、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形五个移动变形；

解算地表时序累积沉降、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形公式如下：式中，i为地表累积形变的时间序列序号；n为点号，n+1和n‑1分别表示与地面点n在东西向或南北向相邻的两点；DU、VU、I、K、εE、εN分别为地面点的竖直向累积沉降量、下沉速率、倾斜、曲率、东西向水平变形、南北向水平变形；t为某时序地表累积形变量对应时间点；l表示某点沿东西或南北到基准点间的距离，DU，DE，DN为待解算的时序地表累积三维形变，分别为竖直向、东西向和南北向地表移动变形量；

步骤5，根据步骤4解算的五个移动变形结果结合相应规范指标，最终精确划定不同时间点采空区地表建筑场地稳定性等级范围。

2.根据权利要求1所述的一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，其特征在于步骤2所述影像中高相干点通过经典方法计算时序影像相干性确定。

3.根据权利要求1所述的一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，其特征在于步骤3中所述SAR地表三维形变分解方程如下：式中，i为地表累积形变的时间序列序号，其取值范围为1～N，N为升轨或降轨影像数量，i＝1时地表三维形变为0； 为利用升轨影像获取的视线向时序地表累积形变，为利用升轨影像获取的方位向时序地表累积形变； 为利用降轨影像获取的视线向时序A

地表累积形变， 为利用降轨影像获取的方位向时序地表累积形变；θ升轨时序影像雷A D D

达入射角，α为升轨时序影像卫星航向角；θ为降轨时序影像雷达入射角，α为降轨时序影像卫星航向角；DU，DE，DN为待解算的时序地表累积三维形变，分别为竖直向、东西向和南北向地表移动变形量。

4.根据权利要求1所述的一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，其特征在于：步骤5所述精确划定不同时间点采空区建筑场地稳定性等级范围需满足《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044‑2014)的规定，即：(1)建筑场地稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件：下沉速度VU＜1.0mm/2

天，且连续6个月累积下沉DU＜30mm；倾斜I＜3mm/m；曲率K＜0.2mm/m ；东西向水平变形ε＜

2mm/m，且南北向水平变形ε＜2mm/m；

(2)建筑场地基本稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件之一：下沉速率VU2

＜1.0mm/天，但连续6个月累积下沉DU≥30mm；倾斜3≤I≤10mm/m；曲率0.2≤K≤0.6mm/m ；

东西向水平变形2≤εE≤6mm/m，且南北向水平变形2≤εN≤6mm/m；

(3)建筑场地不稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件之一：下沉速率VU≥2

1.0mm/天；倾斜I＞10mm/m；曲率K＞0.6mm/m ；东西向水平变形εE＞6mm/m且南北向水平变形εN＞6mm/m。

说明书

一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种建筑场地稳定性等级范围的方法，尤其适用于变形监测及采空区稳定性评价领域使用的一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法。

背景技术

[0002] 我国是资源开发和消费大国，其中煤炭资源占我国一次能源消费的60％以上。煤炭开采形成了大量的塌陷地，目前已超过200万公顷，且以每年约7万公顷的速度增加。随着
城市建设的不断加快，采煤塌陷地建设再利用已成为需求，其重点是要评定塌陷地的稳定
性，划分稳定性等级范围及稳定时间。为此，必须能够高精度获取采煤塌陷地的地表形变
量，计算相关变形指标进行判断。

[0003] 传统的地表形变监测方法主要包括水准测量、GNSS、全站仪等，这些方法虽然监测精度高，但是存在成本高、监测周期长、点位离散且容易破坏、难以做到大范围长时间监测
等问题。尤其采煤塌陷地范围内，因地表形变逐渐减小，不受重视，往往缺乏时序地表形变
监测数据。此外，采煤塌陷地的稳定性除了地表形变为评价指标外，还可以根据地质采矿资
料、数学模型等进行评价划分，但这些方法需要经验判断，可能会出现错误，不同区域适用
性差。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是一种先进的对地观测技术，可以有效获取大范围地
表形变，该方法具有追溯历史、成本低、全天时、不接触地表等优势，已广泛应用于各类地表
形变监测领域。但这种方法获取的地表形变是沿雷达波入射方向的，因此需要结合不同轨
道的影像数据、不同方法或外部数据或先验模型将其转化为三维方向。本发明就是基于
InSAR技术，计算地表累积沉降量、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形等指标，完成采煤塌陷
地稳定性分级分区，为地表建构筑物安全建设提供准确的基础数据。

发明内容

[0004] 针对上述技术的不足之处，提供一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，解决了采煤塌陷地稳定性分级分区问题，具有易于实现，速度快，精度高，不接触地
表等优势。

[0005] 为实现上述技术的不足之处，本发明的InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，其步骤如下：

[0006] 步骤1，通过星载雷达获取覆盖采空区建筑场地稳定性评估区域连续成像的N景升轨和N景降轨SAR影像；

[0007] 步骤2，分别对升轨和降轨数据进行时序DInSAR、时序多孔径InSAR或偏移跟踪方法处理获得影像中高相干点对应的视线向及方位向地表形变信息，选取升轨或降轨影像获
取时间为基准，通过时间内插和外推的方式，将另一轨道得到的视线向及方位向地表时序
形变统一归化到与基准轨道影像一致的时间基准下，得到获取时间一致的N幅升轨时序地
表视线向形变图、N幅升轨时序地表方位向形变图、N幅降轨时序地表距离向形变图和N幅降
轨时序地表方位向形变图；

[0008] 步骤3，根据步骤2中得到的四组时序地表累积形变图，使用SAR地表三维形变分解方程，通过最小二乘原理解算出影像中高相干点对应地表点的时序三维累积形变量，即影
像中高相干点对应地表点的时序竖直向移动、东西向水平移动和南北向水平移动；

[0009] 步骤4，利用时序地表三维累积形变量解算地表时序累积沉降、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形五个移动变形；

[0010] 步骤5，根据步骤4解算的五个移动变形结果结合相应规范指标，最终精确划定不同时间点采空区地表建筑场地稳定性等级范围。

[0011] 步骤2所述影像中高相干点通过经典方法计算时序影像相干性确定。

[0012] 步骤3中所述SAR地表三维形变分解方程如下：

[0013]

[0014] 式中，i为地表累积形变的时间序列序号，其取值范围为1～N，N为升轨或降轨影像数量，i＝1时地表三维形变为0； 为利用升轨影像获取的视线向时序地表累积形变，
为利用升轨影像获取的方位向时序地表累积形变； 为利用降轨影像获取的视线向
A
时序地表累积形变， 为利用降轨影像获取的方位向时序地表累积形变；θ升轨时序影像
A D D
雷达入射角，α为升轨时序影像卫星航向角；θ为降轨时序影像雷达入射角，α为降轨时序
影像卫星航向角；DU，DE，DN为待解算的时序地表累积三维形变，分别为竖直向、东西向和南
北向地表移动变形量。

[0015] 利用步骤4所述解算地表时序累积沉降、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形公式如下：

[0016]

[0017] 式中，i为地表累积形变的时间序列序号；n为点号，n+1和n‑1分别表示与地面点n在东西向或南北向相邻的两点；DU、VU、I、K、εE、εN分别为地面点的竖直向累积沉降量、下沉
速率、倾斜、曲率、东西向水平变形、南北向水平变形；t为某时序地表累积形变量对应时间
点；l表示某点沿东西或南北到基准点间的距离。

[0018] 步骤5所述精确划定不同时间点采空区建筑场地稳定性等级范围需满足《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044‑2014)的规定，即：

[0019] (1)建筑场地稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件：下沉速度VU＜2
1.0mm/天，且连续6个月累积下沉DU＜30mm；倾斜I＜3mm/m；曲率K＜0.2mm/m ；东西向水平变
形ε＜2mm/m，且南北向水平变形ε＜2mm/m；

[0020] (2)建筑场地基本稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件之一：下沉速率VU＜1.0mm/天，但连续6个月累积下沉DU≥30mm；倾斜3≤I≤10mm/m；曲率0.2≤K≤0.6mm/
2
m；东西向水平变形2≤εE≤6mm/m，且南北向水平变形2≤εN≤6mm/m；

[0021] (3)建筑场地不稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件之一：下沉速率2
VU≥1.0mm/天；倾斜I＞10mm/m；曲率K＞0.6mm/m ；东西向水平变形εE＞6mm/m且南北向水平
变形εN＞6mm/m。

[0022] 有益效果

[0023] 本发明利用InSAR解算出地表时序三维形变，然后获得五个移动变形，据此精确划定采空区建筑场地稳定性等级范围；本发明联合DInSAR、时序多孔径InSAR或偏移跟踪方法
得到了时序地表累积沉降，比传统地表实测方法成本低、易操作、能够非接触地表快速高效
获取地表移动变形数据，也比利用地质采矿条件、模型等经验评价塌陷地稳定方法更具稳
定性和普适性，能够为采空区稳定性评估、建设利用、复垦修复提供有效、可靠的基础数据，
可降低评估费用，有效利用废弃塌陷地，保障地方经济建设可持续发展。

附图说明

[0024] 图1为本发明的InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法的实施流程图。

[0025] 图2为时序DInSAR、时序多孔径InSAR获取的时序地表距离向和方位向地表形变示意图。

[0026] 图3为最小二乘解算得到的时序地表三维累积形变示意图。

[0027] 图4为采空区建筑场地稳定性等级范围划定示意图。

具体实施方式

[0028] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式均采用模拟数据完成，是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解
释为对本发明的限制。

[0029] 如图1所示，本发明提供一种InSAR划定采空区建筑场地稳定性等级范围的方法，包括如下步骤：

[0030] 1获取覆盖采空区建筑场地稳定性评估区域连续成像的N景升轨和N景降轨SAR影像；

[0031] 2分别对升轨和降轨数据进行时序DInSAR、时序多孔径InSAR或偏移跟踪方法处理获得影像中高相干点对应的视线向及方位向地表形变，选取升轨或降轨影像获取时间为基
准，通过时间内插和外推的方式，将另一轨道得到的视线向及方位向地表时序形变统一归
化到与基准轨道影像一致的时间基准下，得到获取时间一致的N幅升轨时序地表视线向形
变图、N幅升轨时序地表方位向形变图、N幅降轨时序地表距离向形变图和N幅降轨时序地表
方位向形变图；

[0032] 如图2所示，利用模拟的升轨、降轨各6幅数据，获取了四组各6幅地表沿视线向和飞行方向的时序累积沉降。其中，第一期影像为基准，因此其地表形变都为0。

[0033] 3根据SAR地表三维形变分解公式列出四组方程，通过最小二乘原理解算出影像中高相干点对应地表点的时序三维累积形变量，即影像中高相干点对应地表点的时序竖直向
移动、东西向水平移动和南北向水平移动，或者说通过高相干点能够转化为地面点的三维
坐标；

[0034] 根据SAR地表三维形变分解公式列出四组方程，公式如下：

[0035]

[0036] 式中，i为地表累积形变的时间序列序号，其取值范围为1～N，N为升轨或降轨影像数量，i＝1时地表三维形变为0； 分别为利用升轨影像获取的视线向和方位向时
序地表累积形变； 分别为利用降轨影像获取的视线向和方位向时序地表累积形
A A D D
变；θ，α分别为升轨时序影像雷达入射角和卫星航向角；θ，α分别为降轨时序影像雷达入
射角和卫星航向角；DU，DE，DN为待解算的时序地表累积三维形变，分别为竖直向、东西向和
南北向地表移动变形量。

[0037] 本例采用最小二乘方法解算的时序地表三维形变图如图3所示。

[0038] 4解算地表时序累积沉降、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形五个移动变形；

[0039] 利用图3得到的时序地表三维形变，按照如下公式解算地表时序累积沉降、下沉速率、倾斜、曲率及水平变形。

[0040]

[0041] 式中，i为地表累积形变的时间序列序号；n为点号，n+1和n‑1分别表示与地面点n在东西向或南北向相邻的两点；DU、VU、I、K、εE、εN分别为地面点的竖直向累积沉降量、下沉
速率、倾斜、曲率、东西向水平变形、南北向水平变形；t为某时序地表累积形变量对应时间
点；l表示某点沿东西或南北到基准点间的距离。

[0042] 如图4所示，根据上一步解算结果和相应规范指标，精确划定不同时间点采空区建筑场地稳定性等级范围。

[0043] 精确划定不同时间点采空区建筑场地稳定性等级范围需满足《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044‑2014)的规定，即：

[0044] (1)建筑场地稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件：下沉速度VU＜2
1.0mm/天，且连续6个月累积下沉DU＜30mm；倾斜I＜3mm/m；曲率K＜0.2mm/m ；东西向水平变
形ε＜2mm/m，且南北向水平变形ε＜2mm/m；

[0045] (2)建筑场地基本稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件之一：下沉速率VU＜1.0mm/天，但连续6个月累积下沉DU≥30mm；倾斜3≤I≤10mm/m；曲率0.2≤K≤0.6mm/
2
m；东西向水平变形2≤εE≤6mm/m，且南北向水平变形2≤εN≤6mm/m；

[0046] (3)建筑场地不稳定区范围内各点的移动变形指标，满足如下条件之一：下沉速率2
VU≥1.0mm/天；倾斜I＞10mm/m；曲率K＞0.6mm/m ；东西向水平变形εE＞6mm/m且南北向水平
变形εN＞6mm/m。

[0047] 本例利用计算出的五个评价指标划定的采空区建筑场地稳定性等级范围如图4所示。

[0048] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围
之内。