[發明專利]一種無人機DEM與InSAR相位融合獲得高精度地表沉陷盆地的方法

在審

• 申請號: 202111414839.6
• 申請日: 2021-11-25
• 公開（公告）號: CN114167414A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 王曉鵬;周大偉;安魚飛;王玲;王萌萌;周健;王紅濤;占喜林
• 申請（專利權）人: 中煤航測遙感集團有限公司;中國礦業大學
• 主分類號: G01S13/88
• 分類號: G01S13/88;G01S13/90
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 程化銘;陶得天

本發明公開了一種無人機DEM與InSAR相位融合獲取高精度地表沉陷盆地的方法，屬于地表沉陷提取與地質災害監測領域。使用融合無人機獲取的DSM(DEM)數據和InSAR數據的變形監測方法，結合無人機DSM(DEM)數據獲取的大形變和InSAR數據高精度的特點，實現了快速、準確、全面地獲取礦區的形變信息的目的。按以下步驟進行：S1、數據獲取；S2、數據轉換；S3、相位融合；S4、數據解算；最終得到完整、準確的礦區沉陷盆地變形。利用無人機獲得礦區沉陷盆地信息修正影像處理過程中相位的“整周數”，可以提高D?InSAR技術監測礦區沉陷量級。

技術領域

本發明涉及一種無人機DEM與InSAR相位融合獲取高精度地表沉陷盆地的方法，屬于地表沉陷提取與地質災害監測領域。

背景技術

煤炭開采在滿足國家能源需求的同時也導致嚴重的礦區地質環境損害問題，比如礦區地表沉陷、地裂縫等地質災害。煤炭開采引起巖層及地表沉陷是產生礦山地質環境損害的根源。尤其是我國西部以大規模、高強度快速開采為主，開采引起的地表移動損害也呈現出變形速度快、損害程度深、波及范圍廣的特點。在這種形式下，如何快速、準確、全面地監測西部高強度開采引起的地表沉陷與環境損害是解決問題的關鍵。

常規地表移動變形監測方法，按照布站形式，可分為剖面線狀觀測站和網狀觀測站。前者使用較廣，它是在工作面走向/傾向主斷面上布“點”成“線”組成觀測站；后者是多布設一些測點組成網格狀的觀測站，由于受地形、地物條件限制(如占用更多土地)，后者使用較少。兩種觀測站獲取的均為有限的“點狀”數據。常規觀測站主要采用包括三角測量、導線測量(經緯儀、全站儀)、水準測量(水準儀)以及GPS等常規測量方法；常規觀測站精度高、是目前獲取礦區地表形變最常用、最有效的手段，在礦山開采沉陷研究及實際工程中發揮了重要的作用。隨著研究的發展，出現一些不足：1)尺度小，一般以單工作面為監測對象，測量方法也決定了不便大范圍(大尺度)的作業；2)僅以地表移動變形值為監測內容，無法獲得礦區生態環境損害信息(比如植被光譜、水體等)；3)成本高、周期長(時效性差)、工作量大、需要埋設測點且難以長期保存等缺點；4)只“點狀”觀測，數據及信息量少，不能完整反映沉陷盆地特征。這也導致了其已無法適應新形勢下西部高強度規模開采地表損害監測任務。

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)攝影測量和InSAR是當前應用較廣泛的測繪新技術。UAV攝影測量是以無人機為平臺，集成高分辨率(多/高光譜)低空光學傳感器、GPS和IMU等技術，可同時獲取地表沉陷變形和地物環境信息，適應于多尺度的監測任務，具有機動靈活、高效精準、作業成本低(突出的時效性和性價比)等優勢；InSAR技術通過干涉相位信息獲取地表形變，其原理是通過計算同一區域兩次或多次過境的SAR影像相位差來獲取DEM或分離地表形變信息，精度可達厘米至毫米級。

UAV與InSAR技術在礦山開采變形監測應用中也各有不足，單獨采用其中一種技術目前均無法完整地監測整個地表沉陷盆地信息。UAV的平臺較輕、攝影姿態不穩定、影像畸變大，導致其高程精度相對較低，實測表明高程精度為厘米～分米級；UAV監測礦區大變形具有優勢(如沉陷盆地中心大變形區域)，卻無法精確監測沉陷盆地邊界區域。InSAR的優勢在于可精確監測沉陷盆地邊界區域變形，但易受時空失相干的影響，導致其無法可靠地獲取沉陷盆地中心大變形。因此，UAV攝影測量和InSAR優勢互補，通過二者融合可獲得完整的地表沉陷盆地數據，為解決礦山大規模、高強度開采誘發的地質環境損害監測問題提供了新的技術途徑。

因此，具體如何將UAV和InSAR進行結合，快速、準確、全面地監測西部高強度開采引起的地表沉陷與環境損害，即成為了本領域技術人員亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明針對以上問題，提出了一種無人機DEM與InSAR相位融合獲得高精度地表沉陷盆地的方法，使用融合無人機獲取的DSM(DEM)數據和InSAR數據的變形監測方法，結合無人機DSM(DEM)數據獲取的大形變和InSAR數據高精度的特點，實現了快速、準確、全面地獲取礦區的形變信息的目的。