矿区开采沉陷边界识别方法及装置与流程

1.本发明涉及矿区采煤沉陷监测技术领域，具体涉及一种矿区开采沉陷边界识别方法及装置。


背景技术：

2.开采沉陷是指地下矿产资源开采引起岩层移动和地表沉陷的现象。地下矿产资源被采出后，采区周围岩体内部原有的力学平衡状态受到了破坏，岩层发生移动和变形，并波及到地表。位于开采影响范围内的房屋建筑、铁路等会发生变形或损坏，威胁当地居民的生命财产安全。因此，需要对矿区开采沉陷进行监测。
3.目前，短基线集干涉测量技术(sbas-insar)是berardino和lanari等人在合成孔径雷达差分干涉测量(d-insar)基础上，提出将所有雷达(sar)影像根据干涉需求组合成若干个集合(时间基线和空间基线都较短的基线集)，利用最小二乘方法得到每个小集合的地形形变序列，后利用奇异值分解方法(svd)将多个小基线集联合求秩亏方程解，获得一段时间内地面沉降的形变量。与永久散射体干涉测量技术(ps-insar)不同，sbas-insar不要求具有同一主影像，并且选择基线较短的干涉对组合成不同集合，再利用奇异值分解方法联合求解。sbas-insar不仅限制了时空失相干，提高影像的利用率，还丰富影像的观测信息，是近年来开采沉陷领域的研究热点。
4.采煤沉陷区分为非稳沉区与稳沉区，对于非稳沉区，其地表形变量还在不断变化，采用常规雷达干涉测量技术即可准确的监测到变形值及沉陷边界。但对于稳沉区，其地下岩层趋于稳定，地表形变微小，此时采用常规雷达干涉测量技术对其进行监测时，若选取的时间基线较短，会监测不到地表形变；若选取的时间基线较长，会导致数据时间上的失相干，无法得到精确的结果。
5.相关技术中，申请号为201510769347.7的发明专利申请公开了一种多源数据监测矿区形变的时空特性及越界开采识别方法，首先利用合成孔径雷达(sar)获取并优化处理数据，然后将多卫星平台的sar数据监测数据融合得到沉降结果图，在融合后的沉降结果图中针对被测矿区中“大形变区域”或“失相干区域”进行补充监测，统一多卫星平台数据监测结果坐标，最后反演矿区地表形变的时空特性，最后利用arcgis平台识别越界开采区域。其方法，可以有效的反演矿区地表沉降的时空特性。
6.但其方法测定的沉陷边界是针对矿区开采非稳沉区边界，并未提供针对矿区开采后，经过一段时间(一年、两年或则更长时间)形成的稳沉区边界识别方案。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于如何提高沉稳区开采沉陷信息的提取精度。
8.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
9.一方面，采用一种矿区开采沉陷边界识别方法，所述方法包括：
10.获取开采起始时间前、后n1景合成孔径雷达图像数据作为第一图像数据，以及获
取包含沉陷区设定时间内的n2景合成孔径雷达图像数据作为第二图像数据；
11.采用sarscape软件分别对所述第一图像数据和所述第二图像数据进行处理，得到arcgis数据格式的图像map1和图像map2；
12.将所述图像map1和所述图像map2输入至arcgis中，分别获得3d可视化图map
1-3d
与map
2-3d
；
13.将所述3d可视化图map
1-3d
与map
2-3d
的公共区域边界确定为沉稳区边界；
14.从所述3d可视化图map
2-3d
上获取非沉稳区边界。
15.本发明通过选择矿区开采前后的sar数据做为对比以及包含沉陷区设定时间内sar数据，从而确定矿区稳沉区开采范围，通过对这两种数据进行处理，反演出arcgis数据格式的图像，并输入arcgis软件中对sbas技术获得的的沉陷图进行后处理，更加直观的说明沉陷边界；尤其适用于矿区开采时间长导致的开采沉陷边界无法确定的情况，可以避免传统测量方法中受到天气、环境等影响以及d-insar存在的时间失相干与空间失相干等技术缺陷，提高了工作效率和地形形变监测精度，以便更好的为矿区生产生活提供技术支持。
16.进一步地，所述采用sarscape软件分别对所述第一图像数据和所述第二图像数据进行处理，得到arcgis数据格式的图像map1和图像map2，包括：
17.对于所述第一图像数据和所述第二图像数据分别进行干涉像对配对，得到第一干涉像对和第二干涉像对。
18.分别对所述第一干涉像对和所述第二干涉像进行干涉处理，得到第一处理图像和第二处理图像。
19.分别对所述第一处理图像和所述第二处理图像进行轨道精炼和重去平，得到轨道精炼后的第一轨道数据和第二轨道数据。
20.采用sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，得到第一sbas结果和第二sbas结果；
21.对所述第一sbas结果和所述第二sbas结果进行地理编码后，转换为arcgis数据格式的所述图像map1和所述图像map2。
22.进一步地，所述采用sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，得到第一sbas结果和第二sbas结果，包括：
23.采用所述sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，估算对应的形变速率和残余地形；
24.基于对应的所述形变速率，定制大气滤波，估算和去除大气相位，得到对应的时间序列上的位移结果作为所述第一sbas结果和所述第二sbas结果。
25.进一步地，所述n1＝n2≥15。
26.第二方面，本发明采用一种矿区开采沉陷边界识别装置，所述装置包括：
27.获取模块，用于获取开采起始时间前、后n1景合成孔径雷达图像数据作为第一图像数据，以及获取包含沉陷区设定时间内的n2景合成孔径雷达图像数据作为第二图像数据；
28.处理模块，用于采用sarscape软件分别对所述第一图像数据和所述第二图像数据进行处理，得到arcgis数据格式的图像map1和图像map2；
29.可视化模块，用于将所述图像map1和所述图像map2输入至arcgis中，分别获得3d可
视化图map
1-3d
与map
2-3d
；
30.第一边界确定模块，用于将所述3d可视化图map
1-3d
与map
2-3d
的公共区域边界确定为沉稳区边界；
31.第二边界确定模块，用于从所述3d可视化图map
2-3d
上获取非沉稳区边界。
32.进一步地，所述处理模块包括：
33.配对单元，用于对于所述第一图像数据和所述第二图像数据分别进行干涉像对配对，得到第一干涉像对和第二干涉像对。
34.干涉单元，用于分别对所述第一干涉像对和所述第二干涉像进行干涉处理，得到第一处理图像和第二处理图像。
35.轨道精炼单元，用于分别对所述第一处理图像和所述第二处理图像进行轨道精炼和重去平，得到轨道精炼后的第一轨道数据和第二轨道数据。
36.反演单元，用于采用sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，得到第一sbas结果和第二sbas结果；
37.编码转换单元，用于对所述第一sbas结果和所述第二sbas结果进行地理编码后，转换为arcgis数据格式的所述图像map1和所述图像map2。
38.进一步地，所述反演单元包括：
39.估算子单元，用于采用所述sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，估算对应的形变速率和残余地形；
40.位移计算子单元，用于基于对应的所述形变速率，定制大气滤波，估算和去除大气相位，得到对应的时间序列上的位移结果作为所述第一sbas结果和所述第二sbas结果。
41.进一步地，所述n1＝n2≥15。
42.第三方面，本发明采用一种设备，所述设备包括存储器、处理器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如上所述的方法。
43.第四方面，本发明采用一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的方法。
44.本发明的优点在于：
45.(1)本发明通过选择矿区开采前后的sar数据做为对比以及包含沉陷区设定时间内sar数据，从而确定矿区稳沉区开采范围，通过对这两种数据进行处理，反演出arcgis数据格式的图像，并输入arcgis软件中对sbas技术获得的的沉陷图进行后处理，更加直观的说明沉陷边界；尤其适用于矿区开采时间长导致的开采沉陷边界无法确定的情况，可以避免传统测量方法中受到天气、环境等影响以及d-insar存在的时间失相干与空间失相干等技术缺陷，提高了工作效率和地形形变监测精度，以便更好的为矿区生产生活提供技术支持。
46.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
47.图1是本发明实施例一中矿区开采沉陷边界识别方法的流程图；
48.图2是本发明实施例一中矿区开采沉陷边界识别方法的整体流程图；
49.图3是本发明实施例一中矿区开采沉陷示意图；
50.图4是本发明实施例二中矿区开采沉陷边界识别装置的结构图。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.如图1所示，本发明第一实施例提出了一种矿区开采沉陷边界识别方法，所述方法包括以下步骤：
53.s10、获取开采起始时间前、后n1景合成孔径雷达图像数据作为第一图像数据，以及获取包含沉陷区设定时间内的n2景合成孔径雷达图像数据作为第二图像数据；
54.需要说明的是，本实施例通过收集矿区开采资料，确定矿区开采起始时间，并根据开采起始时间，获取包括煤层开采前以及开采后的共n1景合成孔径雷达(sar)图像数据。并根据矿区开采现状，获取包含沉陷区近两年之内的n2景sar图像数据。
55.应当理解的是，本实施例中设定时间取值为2年，仅为举例说明，本领域技术人员可根据实际情况，将设定时间设置为一年、两年或则更长时间。
56.本实施例通过获取矿区开采前的sar数据做为对比，从而确定矿区稳沉区开采范围，以及获取沉陷区设定时间内的sar数据，该设定时间是指针对矿区开采后，可形成的稳沉区边界的时间，一边进行稳沉区边界的识别。
57.s20、采用sarscape软件分别对所述第一图像数据和所述第二图像数据进行处理，得到arcgis数据格式的图像map1和图像map2；
58.s30、将所述图像map1和所述图像map2输入至arcgis中，分别获得3d可视化图map
1-3d
与map
2-3d
；
59.s40、将所述3d可视化图map
1-3d
与map
2-3d
的公共区域边界确定为沉稳区边界；
60.s50、从所述3d可视化图map
2-3d
上获取非沉稳区边界。
61.需要说明的是，通过选择矿区开采前后的sar数据做为对比以及包含沉陷区设定时间内sar数据，从而确定矿区稳沉区开采范围，通过对这两种数据进行处理，反演出arcgis数据格式的图像，并输入arcgis软件中对sbas技术获得的的沉陷图进行后处理，更加直观的说明沉陷边界；尤其适用于矿区开采时间长导致的开采沉陷边界无法确定的情况，可以避免传统测量方法中受到天气、环境等影响以及d-insar存在的时间失相干与空间失相干等技术缺陷，提高了工作效率和地形形变监测精度，以便更好的为矿区生产生活提供技术支持。
62.应当说明的是，本实施例采用arcgis软件对sbas技术获得的的沉陷图进行后处理，利用arcgis软件的三维显示这一功能，更加直观确定真实的开采沉陷边界。与相关技术中采用arcgis软件对沉陷区域图进行后处理，其主要体现在对沉陷速率进行空间分析，然后反演出沉陷边界，两者截然不同的。
63.在一实施例中，如图2所示，所述步骤s20，具体包括以下步骤：
64.s21、对于所述第一图像数据和所述第二图像数据分别进行干涉像对配对，得到第一干涉像对和第二干涉像对。
65.需要说明的是，本实施例对输入的数据进行干涉像对的配对，输入n(n1或则n2)景数据，能得到的最大配对数是(n*(n-1))/2，生成连接图工具会选择最优的组合方式进行配对。
66.s22、分别对所述第一干涉像对和所述第二干涉像进行干涉处理，得到第一处理图像和第二处理图像；
67.需要说明的是，本实施例对所有的配对的干涉像对进行干涉处理，从相干性生成，去平、滤波和相位解缠所有的数据对都配准到超级主影像上
68.s23、分别对所述第一处理图像和所述第二处理图像进行轨道精炼和重去平，得到轨道精炼后的第一轨道数据和第二轨道数据；
69.需要说明的是，本实施例通过轨道精炼和重去平，估算和去除残余的恒定相位和解缠后还存在的相位坡道。
70.s24、采用sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，得到第一sbas结果和第二sbas结果；
71.s25、对所述第一sbas结果和所述第二sbas结果进行地理编码后，转换为arcgis数据格式的所述图像map1和所述图像map2。
72.需要说明的是，本实施例通过对sbas的结果进行地理编码，并转换为arcgis数据格式的图像map(map1与map2)，进而可以在arcgis中进行再处理。
73.本实施例通过采用sarscape软件的sbas流程处理功能对sar数据进行处理，从而获得开采区域沉陷图，利用arcgis软件的三维显示功能，更加直观确定真实的开采沉陷边界。采用sarscape软件的优点就是可以流程化处理sar数据，操作简单，结果准确；采用sbas技术的优点就是其不仅限制了时空失相干，提高影像的利用率，还丰富影像的观测信息。
74.在一实施例中，所述步骤s24，包括以下步骤：
75.采用所述sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，估算对应的形变速率和残余地形；
76.基于对应的所述形变速率，定制大气滤波，估算和去除大气相位，得到对应的时间序列上的位移结果作为所述第一sbas结果和所述第二sbas结果。
77.需要说明的是，本实施例中反演分为两步：第一步，第一次估算形变速率和残余地形；第二步，计算时间序列上的位移，在sbas反演第一步得到的形变速率基础上，进行定制的大气滤波，从而估算和去除大气相位，得到更加纯净的时间序列上的最终位移结果。大气高通、大气低通两个选项，对大气影响进行估计，最后每个时间都从测量的位移中减去这些大气部分。
78.在一实施例中，所述n1＝n2≥15。
79.需要说明的是，本实施例中n1、n2大于等于15，并且第一图像数据和第二图像数据为雷达对同一个地表观测场景进行成像并完成了图像配准的数据。
80.具体地，在arcgis中输入map1与map2，分别在map1与map2上选择沉陷区域，提取沉陷区域并叠加开采平面等数据，生成等值线并进行3d可视化显示，获得3d可视化图map
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与map
2-3d
。图2给出了矿区开采沉陷示意图，图3中，a表示地面未沉陷前的点位，b表示地面
未沉陷前的点位，c表示地面未沉陷前的点位，o表示稳沉区边界，a’表示a点经过地面沉陷后的点位，b’表示b点经过地面沉陷后的点位，q表示开采t1时间后形成的非稳沉区边界，b”表示b点最终沉陷的位置，c’标会c点经过地面沉陷后的点位，q’表示开采t2时间后形成的非稳沉区边界；其中，oq表示map
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的范围，oq’表示map
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的范围。对比map
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与map
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，二者公共区域边界即为稳沉区边界，非稳沉区边界可从map
2-3d
图上获取。
81.需要说明的是，因为map
2-3d
图包含选定的实验结束时间的矿区沉陷区域图，该时间内依然发生沉陷的区域，即非稳沉区，因此可以直接从map
2-3d
图上观察得到非沉稳区边界。
82.如图4所示，本发明第二实施例提出了一种矿区开采沉陷边界识别装置，所述装置包括：
83.获取模块10，用于获取开采起始时间前、后n1景合成孔径雷达图像数据作为第一图像数据，以及获取包含沉陷区设定时间内的n2景合成孔径雷达图像数据作为第二图像数据；
84.处理模块20，用于采用sarscape软件分别对所述第一图像数据和所述第二图像数据进行处理，得到arcgis数据格式的图像map1和图像map2；
85.可视化模块30，用于将所述图像map1和所述图像map2输入至arcgis中，分别获得3d可视化图map
1-3d
与map
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；
86.第一边界确定模块40，用于将所述3d可视化图map
1-3d
与map
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的公共区域边界确定为沉稳区边界；
87.第二边界确定模块50，用于从所述3d可视化图map
2-3d
上获取非沉稳区边界。
88.在一实施例中，所述处理模块20包括：
89.配对单元，用于对于所述第一图像数据和所述第二图像数据分别进行干涉像对配对，得到第一干涉像对和第二干涉像对。
90.干涉单元，用于分别对所述第一干涉像对和所述第二干涉像进行干涉处理，得到第一处理图像和第二处理图像。
91.轨道精炼单元，用于分别对所述第一处理图像和所述第二处理图像进行轨道精炼和重去平，得到轨道精炼后的第一轨道数据和第二轨道数据。
92.反演单元，用于采用sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，得到第一sbas结果和第二sbas结果；
93.编码转换单元，用于对所述第一sbas结果和所述第二sbas结果进行地理编码后，转换为arcgis数据格式的所述图像map1和所述图像map2。
94.在一实施例中，所述反演单元包括：
95.估算子单元，用于采用所述sbas反演所述第一轨道数据和所述第二轨道数据，估算对应的形变速率和残余地形；
96.位移计算子单元，用于基于对应的所述形变速率，定制大气滤波，估算和去除大气相位，得到对应的时间序列上的位移结果作为所述第一sbas结果和所述第二sbas结果。
97.在一实施例中，所述n1＝n2≥15。
98.需要说明的是，本发明所述矿区开采沉陷边界识别装置的其他实施例或具有实现方法可参照上述各方法实施例，此处不在赘余。
99.本发明第三实施例提出了一种设备，所述设备包括存储器、处理器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如上实施例所述的方法。
100.本发明第四实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上实施例所述的方法。
101.需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
102.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
103.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。
104.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
105.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。