基于边坡雷达的形变灾害特征提取方法研究

论文摘要

滑坡、崩塌、泥石流等形变灾害近年来接连发生,给人民生命财产和工程建设安全带来严重威胁,传统的接触式点监测技术越来越不满足我国经济社会发展新形势下对“遏制重特大安全事故,提升防灾减灾救灾能力”的迫切需求。边坡雷达凭借其远距离大范围监测能力和全天时全天候的微波遥感技术优势,更有利于滑体形变场的识别、判定及趋势预测,已逐渐成为形变灾害监测技术的研究热点和发展方向。目前,国内外均有成熟的边坡雷达系统问世,全球超过上百座矿山安装有边坡雷达,数据源广泛。但是,现有边坡雷达的预警模型和预警方法存在诸多问题。预警模型仍沿用传统点监测技术的单一曲线式分析法,没有充分利用面域点群数据构建模型。预警方法尚未发挥多尺度遥测数据的时空连续性优势,仍然局限于时间维即滑坡时间预估,缺乏有效空间维滑坡方位、滑坡面积预警预报方法。虽然我们拥有先进的遥感面域监测手段和丰富的点群数据,但却对新数据束手无策。针对这一现状,本文以中国安全生产科学研究院和中国科学院电子学研究所联合研发的S-SAR型边坡雷达实际监测数据为对象,从预警模型形变参数反演方法、雷达形变与三维空间数据融合和岩质边坡临滑预警模型三个方面渐进深入研究,提出了基于面域点群遥测数据融合的时-空分析预警模型。可初步利用边坡雷达的空间连续性优势对具有高滑坡风险的边坡进行滑坡时间预测、形变灾害位置及形变面积预报。具体研究内容与创新成果如下:1、提出了基于雷达图像的预警模型形变参数反演方法边坡雷达预警的内容包含对形变灾害发生的位置预警,还包含对形变灾害的面积预警。传统点监测方法可预警形变灾害位置,但对形变灾害面积无法准确预估。针对上述问题,充分利用边坡雷达数据优势,提出了一种边坡雷达监测图像的先验信息联合地质统计学反演预警模型形变参数的方法,分析了 S-SAR型边坡雷达图像中可用于预警的参数。随后,根据零基线、步进频连续波成像干涉理论推演雷达图像像元的理想状态,进行了点目标仿真及预警性能参数校验实验,发掘了边坡雷达成像图、相干图、形变图的响应特征与边坡状态的内在联系。以某城市均质楼宇目标监测为例,阐述了利用地质统计学克里金法及相干图像特征反演协同形变体的方法。为临滑预警模型提供除形变量、形变速率外的更多面域连续性信息。2、提出了边坡雷达面域数据融合空间点云的可控目标分析方法边坡雷达二维面域数据不易解译与判读,需映射至三维空间。现有的三维映射方法尚不能满足预警模型的需要,且未考虑尺度效应,映射位置精度校验方法欠缺,目前也没有在三维空间高精度的近景、远景标定边坡雷达形变测量精度的整体方案。论文针对以上问题,设计了一套可控场景数据融合及形变对比实验流程开展了近景实验方案,改进了集成可控点目标在远景露天矿采场边坡进行三维映射位置精度校验与错误映射校正方法。3、提出了基于融合数据时-空分析的岩质边坡形变灾害特征提取方法针对边坡雷达面域数据与点群时序数据缺乏有效预警模型的问题,基于某露天矿山的一体化拖车监测系统,规划融合系统内各组分的职能,利用三维建模DEM数据掌控滑坡发生的坡体特征。利用边坡雷达数据映射至三维模型,并引入高阶拉普拉斯变化计算边坡表面连续形变,改进了时序PS点的选择方案,获得高质量的形变、累积形变、形变速率、形变面积,将曲线拟合、预测、分类方法与滑坡预警领域的切线角法与速度倒数法相结合。最终,提出了一套能够预报滑坡发生位置、形变体面积、滑坡发生时间的临滑预警模型,并在国家级重大滑坡应急监测现场逐步应用。

论文目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 边坡雷达监测技术现状

1.2.2 形变灾害特征提取模型研究现状

1.3 目前存在的问题

1.4 研究内容与创新点

1.4.1 研究内容

1.4.2 创新点

1.5 论文结构

2 基于S-SAR图像的预警模型形变参数优化反演研究

2.1 基于SAR图像的预警模型参数分析

2.1.1 雷达-大气-边坡瞬态耦合预警模型

2.1.2 S-SAR雷达图像像元理想状态推演

2.1.3 面向预警优化的雷达系统及数据采集软件开发

2.2 S-SAR均质目标协同形变体反演

2.2.1 人工目标在SAR图像中的表征

2.2.2 协同变化目标探测实验

2.2.3 结合地质统计学反演协同形变体

2.3 本章小结

3 基于S-SAR面域数据融合空间点云的可控目标分析方法

3.1 可控场景实验流程与设计

3.1.1 线性高精度形变标定装置

3.1.2 各人工目标位置

3.2 边坡雷达数据与三维点云映射方法

3.2.1 二维图像空间与信号空间分析

3.2.2 实验场景成像及干涉处理

3.2.3 不同尺度数据融合影响

3.2.4 奇异矩阵表面重构计算形变

3.2.5 三维映射算法及准确度评价

3.3 幅度离差筛选与大气相位校正

3.3.1 时序相干图幅度离差形变筛选

3.3.2 大气相位校正

3.4 基于可控目标的露天矿边坡雷达实测形变验证实验

3.4.1 实验设置及验证方案

3.4.2 数据融合角反射器形变结果对比

3.5 本章小结

4 基于融合数据时-空分析的岩质边坡临滑预警模型

4.1 基于遥测数据融合分析的预警模型优化

4.1.1 融合数据源确定及适用的边坡工况厘定

4.1.2 融合数据环境感知实现与面域划分方法

4.1.3 融合系统形变、累积形变及形变速率计算

4.1.4 神经网络形变预测

4.2 空间-时间分析临滑预警模型

4.2.1 速度倒数及切线角模型触发机制

4.2.2 自适应域搜索边坡预警方案设计

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑翔天

导师: 杨峰

关键词: 边坡雷达,滑坡灾害,形变监测,数据融合,临滑预警

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,电信技术

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: P642.2;TN957.52

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000002

总页数: 144

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