GPS与InSAR数据融合在矿山开采沉陷形变监测中的应用探讨

作者简介:独知行(1965Ο),男,江

苏沛县人,博士,教授,博士生导师,

主要从事GPS理论与应用、空间数据

的物理解释、I nS AR、变形监测与分

析等方向的研究。

EΟmail:zhixingdu65@1631com

收稿日期:2006Ο04Ο13

基金项目:青岛市自然科学基金(04

Ο2ΟJZΟ101);基础地理信息与数字化

山东省重点实验室基金(S D040214)

独知行①,阳凡林①,刘国林①,温兴水②

(①山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东青岛　266510;②山东肥城矿业集团公司,山东肥城　271601)

【摘　要】GPS与I nS AR数据融合具有重要的研究意义,本文分析了传统测量方法在矿山开采沉陷形变监测中的不足,讨论了GPS与I nS AR数据融合的技术优势及其在I nS AR相位解缠算法、水汽模型和大气层延迟误差改正模型、时间域与空间域的融合模型和算法等方面研究内容,提出了GPS与I nS AR数据融合的研究特点与具体方法,并给出了比较详细的研究方案。

【关键词】GPS;I nS AR;数据融合;矿山开采沉陷;相位解缠;大气层延迟模型

【中图分类号】TP196;P258 【文献标识码】A 【文章编号】1009Ο2307(2007)01Ο0055Ο03

1　引言

矿山大面积的开采在地表出现了地面形变和地面沉降,

其影响范围可达几十到几百k m2,由此引起的地形和水文

的变化在相当大的程度上破坏了耕地、建筑物及其他基础

设施。长期以来,人们一直致力于因开采所产生的破坏的

研究与治理[1,2]。

矿山开采造成的地面沉降一直是矿山工作者关注的热

点。在相当长的一段时间里,矿山开采地面沉降监测的手

段和方法并未有较大变革。传统监测手段和方法的有效性

被广泛重视和利用,但其在应用过程中暴露出的不足显而

易见,归结为:①观测过程长,所用经费高;②观测标志

的保存与维护比较困难;③获取数据为离散点形变信息,

难以反映连续形变规律。I nS AR是极具潜力的空间对地观

测新技术,其高分辨率和连续空间覆盖特征是已有对地监

测方法如GPS,VLB I和S LR等所不具备的,它在沉降监测

方面所表现出的优势已被多个范例所验证[3]。因此,利用

I nS AR技术开展矿山开采沉陷形变监测的研究具有重要的

应用价值。目前,该方面的研究成果在国际上并不多见,

在我国尚处于起步阶段。GPS是一门较为成熟的技术,在

许多领域得到了有效应用,其与I nS AR技术具有较强的互

补性,将GPS和I nS AR技术融合可以获得更高精度和更有

效的成果[4]。鉴于我国矿山开采造成地面沉降的性质和特

点,开展GPS与I nS AR数据融合的研究并加以应用,将具

有较好的针对性和重要的研究意义。

本文针对该方向研究的技术优势、研究特点和研究方

案做一阐述和探讨。

2　数据融合的技术优势

合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar I nterfer ome2

try,简称I nS AR)是新近发展起来的空间遥感技术,机载或

星载合成孔径雷达通过微波对地球表面主动成像,记录地

面分辨元的雷达后向散射强度信息和与斜距有关的相位信

息。对覆盖同一地区的2幅雷达图像的联合处理可以提取

出相位差图(即干涉图),建立数字高程模型(DE M);三幅

或三幅以上雷达图像的二次差分干涉相位图被用来提取地

球表面形变信息,如地震形变、火山运动、冰川漂移、地

面下沉以及山体滑坡等,观测精度可以达到c m级甚至mm

级的量级,这是一种扩展的I nS AR称为差分干涉(简称DΟ

I nS AR)。它具有比GPS更高的垂直形变观测精度、采样密

度高(100m之内)、空间延续性好、非接触性和无需建立地

面接收站等优点,被认为是前所未有极具潜力的空间对地

观测新技术[4,5]。

I nS AR作为一种空间对地监测手段,它的数据质量

主要受到S AR卫星轨道误差、系统热噪声去相关、多普

勒质心去相关、空间基线去相关、地面散射去相关、时

变去相关、大气层延迟误差、地形畸变、数据处理过程

噪声等因素影响,在这些方面不同S AR卫星存在不同程

度的表现,不同原因产生不同的结果。为此,可以采用

不同的方法或模型减弱或消除这些影响。利用获得的精

密星历可以减少卫星轨道误差,如ERSΟ1和ERSΟ2卫星

从荷兰D elft大学空间对地观测研究组(D EOS)获取精密

星历减小轨道误差[6Ο8];通过信噪比值(S NR)来确定系

统热噪声对相位的影响是一个很好的办法,得到普遍应

用[9Ο12];多普勒去相关一般可以通过方位向滤波消除,

地面散射去相关利用散射去相关对地面变形量影响的关

系式加以确定[4,9Ο14],依据基线长度选择合适的干涉像

对可以消除基线去相关的影响;I nS AR时间序列数据库

方法和永久性散射方法是削弱时变去相关影响所采用的

两种新方法[15,16];减弱大气层延迟误差主要采用的方法

包括利用InS AR图像建立水汽模型对I nS AR数据进行改

正[14,17Ο22]。随着研究和应用的深入,对于影响I nS AR数

据质量的众多误差项的处理还将会有很好的发展和改

进。但InS AR仍具有自身难以克服的诸多问题,如大气

层延迟、卫星轨道误差、地表状况和时变去相关性及时

间分辨率等影响,迫切需要其他对地观测技术的

参与[23Ο29]。

GPS是一种高精度的对地观测技术,能较精确地确

定电离层、对流层参数,具有非常好的定位精度和时间

分辨率。比较InS AR与GPS两种技术,其互补性主要表

现为:①GPS定位精度高,定位精度已达10-8～10-9,

但是其空间分辨率较低,GPS基线长度需要几至几百

km,而I nS AR提供的是整个区域面上的连续信息;②

GPS获得的是高精度的绝对坐标,而InS AR仅提供相对坐标;③InS AR对高程信息特别敏感,利用DΟInS AR进行形变监测的精度可达到亚厘米级,GPS对高程信息不敏感,获取的高程精度远达不到这一精度;④GPS可提供时间分辨率很高的观测数据(采样率为10H z乃至20Hz),GPS允许长时间连续观测,而S AR卫星通常35天左右的重复周期,很难提供足够的时间分辨率,可被看作瞬时测量,使得S AR图像容易受时变去相关的影响。将GPS与InS AR数据融合既可以改正InS AR数据本身难于消除的误差,又可以实现GPS技术高时间分辨率和高平面位置精度与InS AR技术高空间分辨率和高程变形精度有效统一,这对于开展形变研究将具有较大的技术优势[22]。

3　研究特点与方法

311　传统监测方法

大规模的矿山开采造成了大面积的地面形变和地面沉降,在相当大程度上引起了地形、水文及环境的改变,破坏了地面建筑物和其他基础设施,特别在比较稠密的居民区开采,其影响及破坏程度更为严重。我国矿产储量十分丰富,历经几十年的开采影响,在各个采矿中心都形成了大面积的地面形变和地面沉降,其影响范围从几十km2到几百km2,沉降量从几m到几十m。随着矿产资源的衰减,在城市、水体及重要设施下的采矿已成上升趋势,开采沉陷的监测与治理越来越成为重要的研究课题[1]。

长期以来,人们对开采造成的地面沉降通常采用三角测量及水准测量的方法,即在形变区域建立地面控制网,并进行定期监测,通过数据处理及分析获取地面形变信息。随着GPS技术的成熟和广泛应用,对于大区域地面沉降逐渐采用GPS地面沉降监测网,进行GPS测量,来确定水平位置和椭球体的高度,根据椭球体高度的差异来确定地面垂直变化的程度。对某一局部的区域(约几k m2的范围),为了获得精确的形变参数,通常建立专门的地表岩移观测站,进行定期观测。传统测量方法在地面形变监测方面一直发挥着重要作用,并成功地解决了许多工程问题。但随着测绘手段的发展,其局限性也越来越突显,其主要表现:①监测网的投资和维护费用比较大,观测受气候和地形条件的限制;②形变监测的实施比较困难,观测成本较大;

③每期观测的时间比较长,大区域的形变监测很难在短时间内完成,影响形变数据的分析质量;④为离散点监测,只能获得空间尺度较大的离散点形变信息。

312　数据融合的研究特点与方法

鉴于GPS与I nS AR的技术互补性,其数据融合可在以下几个方面进行研究:

1)利用GPS数据改善I nS AR相位解缠算法

研究GPS技术测得的角反射器的精确三维坐标转换成绝对相位值的算法,选取最优积分路径,确定孤岛之间的解缠相位关系,改进枝状缺口算法。

2)利用数据融合建立水汽模型和大气层延迟误差改正模型

采用GPS获得高精度和高时间分辨率的离散大气参数(P WV和TEC);采用I N S AR数据获得以上大气参数的高精度空间分布特征;数据融合处理分析,建立高精度、高时空分辨率的大气水汽和TEC模型。

3)研究时间域与空间域的融合模型和算法

利用GPS数据改正I nS AR结果和由GPS联合地面观测资料建立的形变场模型,依据最小二乘法准则,确定高空间分辨率的形变场;根据GPS观测的形变时间序列数据,应用自适应滤波方法,对每一测站的东向、北向和高程方向分别建立形变量的动态模型;依据GPS时间序列建立的动态模型和两种数据联合处理得到的瞬时形变场,采用插值计算I nS AR图像上其他点的时间序列,然后应用卡尔曼滤波方法预测所有点位在某一时刻的形变量。

由于矿山开采产生的地面沉降范围通常不是很大,属小面积测量,测量区域一般具有较为丰富的传统测量资料,如测区控制测量、地形图、沉降观测等资料,并且对引起地面形变的因素及形变规律都有历史资料,利用GPS和I n2 S AR数据融合进行该方面的研究具有许多便利条件和优势,可以采用多种方案进行研究。

31211　数据融合监测地表变化

对于矿山开采导致的地面沉降,可以假定地面沉降接近于垂直移动。大多情况下,地面沉降表现为一个范围约为1k m2近似圆形或椭圆形的沉陷槽,形变最大的区域位于采掘区域的中心[1,3]。利用I nS AR进行地表变化监测的研究,应充分考虑以下几点:①地面变化可以假定为垂直移动,I nS AR干涉条纹的解译不同于其他类型的地面沉降,如多方向都有变化的地震形变等;②尽量利用非常近的轨道获得数据,轨道垂线基线长度不超过100m,以消除地面地形的影响;③由于雷达干涉测量对干涉影像轨道参数、季节和每天的天气状况具有严格要求,通常可利用的雷达干涉图会大大减少,选择适当的图像非常重要,如果选择两幅最匹配的S AR图像对,造成的误差可能最小,这样观测到的干涉条纹最能代表地面形变量;④建立GPS连续跟踪站,充分发挥GPS在水汽模型建立、绝对坐标确定、时间分辨率等方面的优势;⑤利用永久散射体(Per manent Scatters)技术,发挥永久散射体在长时间间隔内保持相干的特点,消除大气影响,提高数据的利用率[3]。

31212　与地面测量比较研究

在地面变形区域,建立平高控制点,控制点密度可根据传统监测方法确定,布设成纵横剖面线,变形参考基准点应布设在不受变形影响的地方。变形监测周期依据变形速度2至3个月定期观测一次,为便于与数据融合比较研究,某期观测时间尽量与卫星飞过的时间重合。在布网与观测时,特别要充分考虑两种方法数据融合研究的特点和要求。

两种观测手段所得结果会有所不同,差异可能是c m级的,这一差异可以根据所用方法的不同来解释,原因多个方面:方法自身固有误差,观测周期的差异,观测条件,数据处理方法等。我们的目的在于探讨两种方法数据融合成果的精度及可靠性。

31213　农业区与城镇区实验研究

农业区往往植被覆盖较多,存在作物生长、更替,雷达反射的相关性较差,为图像的干涉带来困难,但地面测量(包括GPS测量)的实施比较容易。而由于城市周围一般地势比较平坦,植被相对较少,雷达反射的相关性较好,容易获得质量较好的干涉图像,是进行DΟI nS AR技术应用的理想领域。在一个不太大的区域如几十k m2的范围内,受水平煤层开采及常用的填充技术所造成的地面沉降量一般是煤层厚度的60%～80%。其地面沉降存在一定的规律,随着开采的进行,沉降会出现沉陷凹槽,起初下陷速度的很慢,每天不超过几mm,8～10个月后可达到每天1c m,到18个月后地面沉降速率很小。根据I nS AR技术特点,在某些时段的沉降变化难以分辨。

鉴于以上原因,在农业和城镇实验区布观测网,定期开展地面监测,开展农业区与城镇区比较研究、地面监测与I nS AR数据融合研究是非常有意义的。

4　应用研究展望

利用GPS与I nS AR数据融合研究对于矿山开采导致的

65测绘科学 第32

卷　

地面沉降是一种新尝试,开展该项研究既有技术优势也面临着诸多问题,在技术方面的研究重点集中于相位解缠算法、区域水汽模型和大气层延迟误差改正模型、时间域与空间域的融合模型和算法等方面,在应用层面上应主要集中于:大区域动态地面沉降及其空间分布作用的研究与分析,确定地面沉降范围、沉降量、沉降变化率与地下开采的关系,进而有效地调整开采区域、开采量和开采速度等,科学地控制地面沉降;采区开采导致的地面沉降规律研究,比较精确地确定地面沉降的位移模式、沉降参数,达到传统观测求算的参数精度,使其应用向可操作的方向发展。

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75

　第1期 独知行等　GPS与I nS AR

数据融合在矿山开采沉陷形变监测中的应用探讨

observati on equati on will be morbid if over para meterized1Traditi onal least squares can’t get reliable result1R idge esti m ati on still has not a g ood method t o deter m ine ridge para meter at p resent1W hile,p rinci2 pal co mponent esti m ati on can get p recise esti m ati on value of para me2 ter1Finally,this method is used at a test area1The result sho ws that p rinci pal co mponent regressi on can obtain g ood result in the different nu mber of para meter;and the result is sho wed that centering and standardizati on is very i m portant t o i m p r ove the p recisi on1 Key words:p rinci pal component analysis;ridge esti m ati on; Gl obal positi on syste m elevati on;polynom ial surface fitting FEN G GuangΟcai,CHEN ZhengΟyan(Depart m ent of Geo2 mantic Engineering,Central South University,Changsha410083, China)

The research and appli ca ti on of i n tegra ti n g the2D G I S and3D v i rtua lΟG I S i n d i g it a l c ity i n for ma ti on

Abstract:It was a great leap f or hu man beings using the t w oΟdi m ensi onal surface map t o exp ressing the multiΟdi m ensi onal world in the p r ocess of cognizing and changing the nature in the hist ory; and it is als o a great leap that we can i m p r ove the method of making use of virtualΟreality technol ogy exp ressing and analyzing the real world as we devel op the science and technol ogy t o a certain level nowadays1Nowadays,2D GI S and3D V irtualΟGI S each has good qualities and shortcom ings1I f we combine the m t ogether we can make better use of their advantages and avoid their disadvantages1I n such a case we can r oa m about where we want t o go and won’t l ose the way1Based on f oregoing p rinci p les we carried it out in the BDA 3DΟCity GI S and now it has been p r oved t o be a good way t o use dy2 na m ic integrating method in the digital city infor mati on app licati on syste m1

Key words:digital city;s patial inf or mati on;2DΟGI S;3DΟVGI S;integrati on of the2DGI S&3D VGI S

L I U D ongΟqin①③,XU W enΟzhong②,L I N ZongΟjian①(①Chi2 nese Acade my of Surveying and Mapp ing100039;②Beijing K ANQ D igital Surveying&Mapp ing Co1L td100044;③Shandong Universi2 ty and Technol ogy,Q ingdao266510)

The discussi ons on GPS and I nSAR dat a i n tegrati n g and applyi n g i n mon itori n g subsi dence and defor mati on of m i n es explo it ati on

Abstract:The integrati on of GPS and I nS AR data has an i m2 portant acade m ic meaning1The disadvantages of traditi onal methods of monit oring def or mati on and subsidence of m ines are described in this paper1The necessity and feasibility of the integrati on of GPS and I N S AR data are als o analyzed,and the key p r oble m s and technical advantages about the integrati on are discussed1Some ideas about phase un wrapp ing algorith m,water vapor and at m os pheric delay model,and te mporal and s patial models of integrati on are p resented1 The characteristics and methods of integrati on are expounded1Final2 ly,a detailed research sche me is listed1

Key words:GPS;I nS AR;data integrating;m ining subsid2 ence;phase un wrapp ing;P WV and TEC model

DU Z h iΟx ing①,YAN G FanΟlin①,L I U GuoΟlin①,W EN X ingΟshu i②(①College of Earth I nfor m ati on Science and Engi2 neering,Shandong U niversity of Science and Technol ogy,Q ingd2 ao266510,China;②FeichengM ining I ndustry Group,Feicheng 271601)

The discussi on of the supply preΟwarn i n g and control of the city l and Abstract:The pur pose of the study is t o discuses how t o use the modern infor mati on technol ogy and relative mathe matics model t o monit or the city land supp ly and p lan management,s o as t o equilib2 riu m the supp ly of the land market and op ti m ize the structure of the land being used1Methods of docu mentati on and modeling are e m2 p l oyed1The theory and technical method for the city land supp lies p reΟwarning and contr ol is p r oposed1

Key words:city land;supp ly;model;p redict;contr ol

CHE XueΟw en,YE J ing(Res ource Acade my,China Universi2 ty of Geosience,W uhan430074,China)

Appli ca ti on of the G I SΟba sed twoΟstep floa ti n g ca tch m en t area m ethod i n m ea surem en t of spa ti a l accessi b ility to hosp it a ls i n Be iji n g

Abstract:It is the traditi onal methods t o use ad m inistrative boundaries such as cities as the basic s patial units f or calculating sickbed t o populati on rati os and measuring s patial accessibility t o hos p itals based on these rati os1Such app r oaches have been criticized for their inability t o account f or either the s patial variati ons of popula2 ti on de mand and hos p ital supp ly within those boundaries or f or popu2

lati onΟhos p ital interacti ons acr oss the m1The fl oating catch ment area (FC A)method addresses the internal distributi on p r oble m by driving populati on data fr om a s maller unit,the census tract1The potential cr oss border patientΟhos p ital interacti on is taken int o considerati on1 The case study of s patial accessibility t o hos p itals is done in Beijing, which reveals s ome very i m portance results1

Key words:t w oΟstep fl oating catch ment area method;s patial accessibility;Beijing;GI S

L I U Zhao,G UO SuΟqiang,J I N HuiΟhua,X IE Zhe,WU X ian, ZHU X iaoΟdong(I nstitute of GeoΟs patial inf or mati on,Tsinghua U2 niversity,Beijing100084,China)

The rea l ti m e i n tegra ted photograph i c survey and da t a process2 i n g ba sed on the a i rborne L i D AR

Abstract:Combining the research of real ti m e integrated phot o2 graphic survey based on A irborne L i D AR,this paper analyzes and p ractices s ome key p r ocesses fr om several as pects such as syste m de2 sign,aerial phot ographic p lanning,airΟmapp ing,gr ound monit o2 ring,quality measure ment and DE M reΟsa mp ling1A s a result,it p r ovides a comp lete set of equi pment f or realΟti m e integrated phot o2 graphic survey,and a detailed app lied p lan f or the airborne L i D AR1 Further more,it offers technical support for quick and p recise obtain of omnibearing and threeΟdi m ensi onal geographic data1The experi2 ment result shows that the p lan fully meets the m ilitary realΟti m e geo2 graphic data de mands1

Key words:L i D AR;I M U/GPS;airΟmapp ing p lanning;inter2 polati on reΟsa mp ling

ZHEN G TuanΟjie①②,M I AO J ian②,G AO D eΟjun②ZHAN G YunΟbin③(①Xi’an Science Engineering University Xi’an710048;

②The Surveying and M app ing Stati on of General Staff,Xi’an 710054,China;③The Surveying and Mapp ing Bureau of General Staff,Beijing10088,China)

The research of the m ethod for co m par i n g the photographs of d i fferen t aero f il m s

Abstract:The quality of aer oΟphot ographs affects the f oll owΟup surveying and mapp ing p r oducti on directly1Theref ore,evaluating the quality of aer oΟphot ographs is very i m portant1I n the course of i m p le2 menting the phot ogra mmetry p r oject,the aer oΟphot ographs is evalua2 ted by operat ors mostly with their experience,this method is much affected by the subjective fact or1A ne w evaluati on method put for2 ward in this paper is based on digital test tentatively,which had been app lied successfully in the selecti on of aer oΟfil m s in Q inghaiΟTibet regi on,20051The p r ocess of the method is:testing s ome para meters of several digital i m ages quantificati onally or qualitatively firstly, then colligating those para meters by"Rose M ap"which obtained fr om meteor ol ogy,and comparing the result finally1The app licati on shows that the method can reflect differences in vari ous as pects effec2 tively and visually,and it is si m p le,p ractical,and achievable1 Key words:digital test;aer oΟphot ograph fil m;i m age quality; r ose map

L I AO M ing①②,CHEN G X inΟw en①,L I YingΟcheng②,L I Xue Οyou②,D I N G X iaoΟbo②(①School of Engineering,China Univer2 sity of Geosciences,W uhan430074,China;②China Acad my of Surveying and Mapp ing,Beijing100039,China)

Research on a rough set m ethod for we i ght conf i r m i n g i n G I S da t a ana lysis

Abstract:Firstly,the paper intr oduces the basic concep ti on of r ough set,and combines the i m portance of attribute data and com2 mon weight analysis methods in GI S t ogether1Then,it p resents a ne w method f or weight confir m ing in GI S data analysis based on the theory of Rough Set1Comparing t o traditi onal methods of confir m ing weight in multiΟfact ors,the ne w method p resented in the paper is based on the data selfΟadap ting,and does not need intervene hu man2 ly1Therefore,the method is intelligent and efficient1

Key words:r ough set;GI S data analysis;i m portance of attrib2 ute data;weight

L I W enΟjing①②,WU HeΟhai①②(①School of Res ource and Envir on ment Science,W uhan University,W uhan430079,china,②Key Laborat ory of Geographic I nfor mati on System,M inistry of Ed2 ucati on,W uhan University,W uhan430079,china)

The accuracy ana lysis of po i n tΟpo i n t d ist ance ca lcul a ted by3D coord i n a tes

Abstract:This paper deduces the accuracy esti m ati on for mula of pointΟpoint distance calculated by3D coordinates firstly1Then it puts for ward that the relative l ocati on bet w een instru ment and targets

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