一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法与流程

1.本发明涉及矿区地表沉陷监测技术领域，具体为一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法。


背景技术：

2.我国的能源体系中，煤炭资源占重要地位，煤炭作为一种常规燃料，随着当代社会经济和工业生产快速发展，其消耗量在不断增长。为了稳定能源成本以及保障能源供应，未来很长时间内，煤炭都将是我国的主要能源。煤炭资源的开采在支撑着我国经济的稳步发展的同时，也给当地带来了众多负面影响，如地表沉陷、水土流失、建(构)筑物破坏等。
3.我国东部高潜水位矿区地下潜水位高、下沉系数大，煤炭资源的开采引起地表下沉形成盆地，加上大气降水与地下水补给等因素的共同影响，沉陷盆地内形成大面积积水，导致沉陷区水土流失严重，村庄、耕地被积水淹没，对当地生态环境、社会经济造成了严重的影响。为了减少开采沉陷及积水对地表建筑物、生态系统破坏，所以对高潜水位采煤沉陷区进行全域全周期沉降监测就显得尤为重要。其中，全域是指地表沉陷盆地边缘、盆地中央以及沉陷积水区，全周期是指地下工作面开采前到地表沉陷稳定后的时间段。
4.传统矿区地表沉陷监测方法主要在塌陷盆地的走向和倾向主断面上布设一定密度的监测点，然后采用水准仪、经纬仪、全站仪等仪器方法，获取监测点不同时间的高程和坐标，最终计算得到监测点自身的下沉和水平移动值。该方法存在观测工作量大、获取数据量少，只获取现状观测站的数据，难以获取全盆地的沉降数据的显著缺点，从而无法反映沉陷区复杂的整体变形形态。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法，将雷达卫星影像、无人机激光雷达以及无人船声呐探测三种技术融为一体，相互配合，解决了现有技术无法获取高潜水位采煤沉陷区全域全周期整体变形形态的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法，包括：
7.s1:在地下煤层开采之前，采用无人机激光雷达系统获取地面初始地形dem，为后续沉降作为参考基准；
8.s2:地下开采初始阶段，地表下沉较小，采用雷达卫星影像insar技术获取地表沉降，前期初始地形dem作为insar处理过程中初始数据；
9.s3:当地表下沉较大时，insar技术获取地表沉陷盆地边缘沉降，采用无人机激光雷达获取沉陷盆地中部下沉较大的区域；
10.s4:当地表逐渐积水后，用遥感影像提取积水边界，采用insar技术获取无积水区域地表沉陷盆地沉降数据，采用无人船声呐系统探测沉降后水下地形；
11.s5:将不同阶段的不同沉陷盆地位置的沉降数据进行汇总，分析高潜水位采煤沉
陷区全域全周期沉降规律。
12.进一步地，步骤s1具体包括：首先融合惯导imu数据和gnss后差分数据，获取无人机精确pos数据，再融合激光雷达数据得到地面高精度的点云数据；将点云数据转换成国家坐标系下；将点云数据按一定间距沿工作面走向和倾向网格化采用kriging算法插值，获取不同平面坐标(xi,yi)下的高程数据hi。
13.进一步地，步骤s2具体包括：获取采煤工作面上方地表沉陷前和沉陷后的两副insar数据；将沉陷前insar数据作为主影像、沉陷后insar数据作为辅影像，利用insar的技术，经过对两副insar影像配准、干涉处理；采用步骤s1获取的初始地形dem进行去平地；解缠相位获得采煤沉陷区地表面域沉降；将insar影像沉降数据坐标wgs84坐标转换成国家坐标系，再按步骤s1网格化的点进行插值，获取地下开采初始阶段的不同平面坐标(xi,yi)下的沉降数据hi，生成沉降等值线。
14.进一步地，步骤s3具体包括：采用步骤s2中所述insar技术获取地表沉陷盆地边缘沉降数据，采用s1中所述无人机激光雷达扫描技术获取沉陷盆地中央下沉较大的区域地形数据，与初始地形对比差分，获得盆地中央的沉降数据；将insar数据和无人机数据的坐标统一转换成国家坐标系下，并对数据分别进行网格化插值，再将两种数据进行融合，获取地表下沉较大时的不同平面坐标(xi,yi)下的沉降数据hi，生成沉降等值线。
15.进一步地，步骤s4所述用遥感影像提取积水边界具体包括：将极化方式为hh+vv的insar遥感影像进行预处理后，进行多视处理、滤波处理、辐射定标和地理编码，得到了地理坐标系的后向散射系数图，按公式k
sdwi
＝ln(10
·
vv
·
hh)-8计算sdwi水体指数，其中k
sdwi
为水体指数影像的像素值，vv为极化方式为vv的sar影像像素值，hh为极化方式为hh的sar影像像素值，采用k
sdwi
将积水区域和未积水区域分割出来。
16.进一步地，步骤s4所述采用无人船声呐系统探测沉降后水下地形具体为：无人船在沉陷积水面上基于gnss定位信号按工作面走向和倾向方向网格状路线航行，采用无人船上的声呐系统按5m的间隔进行测量水深信息，根据水涯线的高程值，计算水下地形的高程值，对水深数据进行网格化插值，并与未积水区沉降数据进行融合，获取地表积水后积水区和未积水区的不同平面坐标(xi,yi)下的沉降数据hi，生成沉降等值线。
17.本发明具备以下有益效果：
18.针对不同阶段沉降的特点分别采用雷达卫星影像、无人机激光雷达以及无人船声呐探测，三种技术相互配合，并通过不同阶段的不同沉陷盆地位置的沉降数据汇总分析将其融为一体，不仅可以监测沉陷边缘微小沉降，还可以监测沉陷盆地大量级沉降以及获取监测水下地形，实现了高潜水位采煤沉陷区全域全周期沉降监测。
附图说明
19.图1为本发明方法实施示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
21.请参阅图1，一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法，在地下煤层开采之前，采用无人机激光雷达系统获取地面初始地形dem，为后续沉降作为参考基准；地下开采初始阶段，地表下沉较小，采用雷达卫星影像insar技术获取地表沉降，前期初始地形dem作为insar处理过程中初始数据；当地表下沉较大时，insar技术获取地表沉陷盆地边缘沉降，采用无人机激光雷达获取沉陷盆地中部下沉较大的区域；当地表逐渐积水后，用遥感影像提取积水边界，采用insar技术获取无积水区域地表沉陷盆地沉降数据，采用无人船声呐系统探测沉降后水下地形。
22.具体地，在地下煤层开采之前，采用无人机激光雷达扫描地面初始地形，首先融合惯导imu数据和gnss后差分数据，获取无人机精确pos数据，再融合激光雷达数据得到地面高精度的点云数据，再将点云数据转换成国家坐标系下(cgcs2000、西安80或者北京54)。为了跟后期的数据同步，将点云数据按一定间距沿工作面走向和倾向网格化采用kriging算法插值，获取不同平面坐标(xi,yi)下的高程数据hi，为后续沉降作为参考基准。
23.地下开采初始阶段，地表下沉较小，获取采煤工作面上方地表沉陷前和沉陷后的两副insar数据，将沉陷前insar数据作为主影像、沉陷后insar数据作为辅影像，利用insar的技术，经过对两副insar影像配准、干涉处理，并采用第一步获取的初始地形dem进行去平地，最后解缠相位获的采煤沉陷区获取地表面域沉降，将insar影像沉降数据坐标wgs84坐标转换成国家坐标系，再按第一步网格化的点进行插值，获取地下开采初始阶段的不同平面坐标(xi,yi)下的沉降数据hi，生成沉降等值线。
24.当地表下沉较大时，采用第二步insar技术获取地表沉陷盆地边缘沉降数据，采用第一步无人机激光雷达扫描技术获取沉陷盆地中央下沉较大的区域地形数据，与初始地形对比差分，获得盆地中央的沉降数据，将insar数据和无人机数据的坐标统一转换成国家坐标系下，并对数据分别进行网格化插值，再将两种数据进行融合，获取地表下沉较大时的不同平面坐标(xi,yi)下的沉降数据hi，生成沉降等值线。
25.当地表逐渐积水后，将极化方式为hh+vv的insar遥感影像进行预处理后，进行多视处理、滤波处理、辐射定标和地理编码，得到了地理坐标系的后向散射系数图，按公式k
sdwi
＝ln(10
·
vv
·
hh)-8计算sdwi水体指数，其中k
sdwi
为水体指数影像的像素值，vv为极化方式为vv的sar影像像素值，hh为极化方式为hh的sar影像像素值，采用k
sdwi
将积水区域和未积水区域分割出来。未积水区域采用第二步的insar技术获取地表沉陷盆地沉降数据,将insar数据坐标统一转换成国家坐标系下，并对数据分别进行网格化插值。积水区域采用无人船在沉陷积水面上基于gnss定位信号按工作面走向和倾向方向网格状路线航行，采用无人船上的声呐系统按5m的间隔进行测量水深信息，根据水涯线的高程值，计算水下地形的高程值，对水深数据进行网格化插值，并与未积水区沉降数据进行融合，获取地表积水后积水区和未积水区的不同平面坐标(xi,yi)下的沉降数据hi，生成沉降等值线。
26.将不同阶段的不同沉陷盆地位置的沉降数据进行汇总，分析高潜水位采煤沉陷区全域全周期沉降规律。
27.当单独采用insar监测地表沉降，可以监测地表沉陷微小变形，但是当地表下沉盆地变形较大时，insar监测的变形精度降低；单独采用无人机激光雷达，可以监测地表沉降较大的区域，但是精度相对较低，地表沉陷盆地边缘微小沉降区域，精度难以达到要求，难
以准确确定沉陷盆地边界；测站式三维激光扫描可以监测地表移动盆地沉陷，但是由于沉降盆地面积较大，导致测站式三维激光扫描工作量较大，站与站之间难以拼接；无人船声呐探测可以获取水下地形，但是难以监测地面沉降。
28.本方法通过将雷达卫星影像、无人机激光雷达以及无人船声呐探测三种技术融为一体，相互配合，不仅可以监测沉陷边缘微小沉降，还可以监测沉陷盆地大量级沉降以及获取监测水下地形，相比单独采用某种技术，实现了高潜水位采煤沉陷区全域全周期沉降监测。
29.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
30.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:在地下煤层开采之前，采用无人机激光雷达系统获取地面初始地形dem，为后续沉降作为参考基准；s2:地下开采初始阶段，地表下沉较小，采用雷达卫星影像insar技术获取地表沉降，前期初始地形dem作为insar处理过程中初始数据；s3:当地表下沉较大时，insar技术获取地表沉陷盆地边缘沉降，采用无人机激光雷达获取沉陷盆地中部下沉较大的区域；s4:当地表逐渐积水后，用遥感影像提取积水边界，采用insar技术获取无积水区域地表沉陷盆地沉降数据，采用无人船声呐系统探测沉降后水下地形；s5:将不同阶段的不同沉陷盆地位置的沉降数据进行汇总，分析高潜水位采煤沉陷区全域全周期沉降规律。2.根据权利要求1所述的沉降监测方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：首先融合惯导imu数据和gnss后差分数据，获取无人机精确pos数据，再融合激光雷达数据得到地面高精度的点云数据；将点云数据转换成国家坐标系下；将点云数据按一定间距沿工作面走向和倾向网格化采用kriging算法插值，获取不同平面坐标(x
i
,y
i
)下的高程数据h
i
。3.根据权利要求2所述的沉降监测方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：获取采煤工作面上方地表沉陷前和沉陷后的两副insar数据；将沉陷前insar数据作为主影像、沉陷后insar数据作为辅影像，利用insar的技术，经过对两副insar影像配准、干涉处理；采用步骤s1获取的初始地形dem进行去平地；解缠相位获得采煤沉陷区地表面域沉降；将insar影像沉降数据坐标wgs84坐标转换成国家坐标系，再按步骤s1网格化的点进行插值，获取地下开采初始阶段的不同平面坐标(x
i
,y
i
)下的沉降数据h
i
，生成沉降等值线。4.根据权利要求3所述的沉降监测方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：采用步骤s2中所述insar技术获取地表沉陷盆地边缘沉降数据，采用s1中所述无人机激光雷达扫描技术获取沉陷盆地中央下沉较大的区域地形数据，与初始地形对比差分，获得盆地中央的沉降数据；将insar数据和无人机数据的坐标统一转换成国家坐标系下，并对数据分别进行网格化插值，再将两种数据进行融合，获取地表下沉较大时的不同平面坐标(x
i
,y
i
)下的沉降数据h
i
，生成沉降等值线。5.根据权利要求4所述的沉降监测方法，其特征在于，所述步骤s4中所述用遥感影像提取积水边界具体包括：将极化方式为hh+vv的insar遥感影像进行预处理后，进行多视处理、滤波处理、辐射定标和地理编码，得到了地理坐标系的后向散射系数图，按公式k
sdwi
＝ln(10
·
vv
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hh)-8计算sdwi水体指数，其中k
sdwi
为水体指数影像的像素值，vv为极化方式为vv的sar影像像素值，hh为极化方式为hh的sar影像像素值，采用k
sdwi
将积水区域和未积水区域分割出来。6.根据权利要求5所述的沉降监测方法，其特征在于，所述步骤s4所述采用无人船声呐系统探测沉降后水下地形具体为：无人船在沉陷积水面上基于gnss定位信号按工作面走向和倾向方向网格状路线航行，采用无人船上的声呐系统按5m的间隔进行测量水深信息，根据水涯线的高程值，计算水下地形的高程值，对水深数据进行网格化插值，并与未积水区沉降数据进行融合，获取地表积水后积水区和未积水区的不同平面坐标(x
i
,y
i
)下的沉降数据h
i
，生成沉降等值线。

技术总结
发明名称：一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法摘要：本发明涉及一种高潜水位采煤沉陷区沉降监测方法，包括在地下煤层开采之前，采用无人机激光雷达系统获取地面初始地形DEM，为后续沉降作为参考基准；地下开采初始阶段，地表下沉较小，采用雷达卫星影像InSAR技术获取地表沉降，前期初始地形DEM作为INSAR处理过程中初始数据；当地表下沉较大时，InSAR技术获取地表沉陷盆地边缘沉降，采用无人机激光雷达获取沉陷盆地中部下沉较大的区域；当地表逐渐积水后，用遥感影像提取积水边界，采用InSAR技术获取无积水区域地表沉陷盆地沉降数据，采用无人船声呐系统探测沉降后水下地形。通过将三种技术融为一体，相互配合，实现了高潜水位采煤沉陷区全域全周期沉降监测。煤沉陷区全域全周期沉降监测。煤沉陷区全域全周期沉降监测。


技术研发人员：董祥林 张燕海 张程 张家委 张结如 王伟停 郑刘根 程桦 朱晓峻
受保护的技术使用者：淮北矿业股份有限公司
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/20