一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，該方法包括如下步驟：1)建立地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其包括在地面沉降區(qū)域布設(shè)GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，建立GPS和水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以獲得地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；2)建立空中-地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)，該空中-地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)由優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)和GPS點(diǎn)相融合而成；其中，優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的獲得包括利用PSInSAR技術(shù)，獲得PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)和利用云模型算法得到PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)云數(shù)字特征的步驟；本發(fā)明提供的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法能夠提高地面沉降的監(jiān)測(cè)能力，獲取高精度地面沉降的監(jiān)測(cè)信息，保護(hù)了人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全和生命安全。
【專利說明】一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 地面沉降是地面高程降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，會(huì)造成環(huán)境資源的永久性損失， 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有95個(gè)城市發(fā)生了地面沉降，其總面積達(dá)到了 48655平方千米。隨著城市的 不斷發(fā)展，地面沉降尤其是不均勻地面沉降危害逐漸凸顯，沉降導(dǎo)致建筑物基底失衡，甚至 誘使整個(gè)建筑物倒塌，同時(shí)對(duì)地下設(shè)施也會(huì)造成較大影響。
[0003] 常規(guī)地面沉降監(jiān)測(cè)方法主要有水準(zhǔn)測(cè)量、分層標(biāo)和GPS測(cè)量，隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù) 的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar) 技術(shù)被應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測(cè)中，由兩幅SAR圖像形成的干涉圖中，影像相位包含了地區(qū)的 地形相位及觀測(cè)期間地面產(chǎn)生的形變，而我們想要的僅僅為地表的形變信息，所以該地 區(qū)的地形信息是必須去除的，所以進(jìn)一步延伸出了合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量（DInSAR， Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar)技術(shù)，DInSAR 技術(shù)具有覆蓋 廣、高分辨率、全天候等優(yōu)勢(shì)，但受相位失相關(guān)和大氣延遲影響導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度降低。永 久散射體干涉測(cè)量（PSInSAR，Permanent Scatterer Interferometry Synthetic Aperture Radar)技術(shù)通過分析具有穩(wěn)定散射特征的永久散射點(diǎn)提取地表形變信息，一定程度上解決 了 DInSAR的不足，但常規(guī)PSInSAR技術(shù)由于要處理的參數(shù)太多，大面積情況下對(duì)大氣的估 計(jì)也會(huì)不夠精確，在數(shù)據(jù)的收集和處理上有一定的誤差導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)不可靠，這對(duì)后續(xù)地面 沉降的不均勻性有一定的局限性。針對(duì)上述情況，有必要提供一種包括優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè) 點(diǎn)的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化方法，保證后續(xù)地面沉降的不均勻性分析準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法。
[0005] 本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明提供一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，該方法包括如下步驟：
[0007] 1)建立地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)；
[0008] 所述建立地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括在地面沉降區(qū)域布設(shè)GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，建立GPS和水準(zhǔn) 測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以獲得地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；
[0009] 2)建立空中-地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)；
[0010] 所述空中-地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)由優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)和GPS點(diǎn)相融合而 成；
[0011] 所述優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的獲得包括如下步驟：
[0012] a.利用PSInSAR技術(shù)，獲得PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)；
[0013] b.利用云模型算法得到PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)云數(shù)字特征，所述三個(gè)云數(shù)字特 征為期望Ex，熵E n和超熵He ;所述三個(gè)云數(shù)字特征值用于描述地面沉降發(fā)展的基本特征， 代表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反映的地面沉降視線向位移變化及PSInSAR的監(jiān)測(cè)水平，以獲得優(yōu)化后的 PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明利用云模型算法優(yōu)化PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其通過云模型算法求得的三個(gè)數(shù)字 特征可以描述出定性語(yǔ)言的概念特征，能夠代表利用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地面沉降的整體水 平，通過對(duì)三個(gè)數(shù)字特征按照詮釋規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到可靠的PS點(diǎn)和不好的PS點(diǎn)，達(dá) 到優(yōu)化PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)。
[0015] 進(jìn)一步的改進(jìn)，本發(fā)明提供的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法還包括如下步驟：
[0016] 3)建立空中-地面-地下立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)；
[0017] 所述空中-地面-地下立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)由優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)與優(yōu)化后的 PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)及GPS點(diǎn)相融合而成；
[0018] 所述優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立包括如下步驟：
[0019] c.利用地下水動(dòng)態(tài)類型編圖法優(yōu)化區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的選擇；
[0020] d.利用信息熵優(yōu)化地下水位監(jiān)測(cè)井的密度。
[0021] 在所述優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法中，步驟1)所述的建立GPS和水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng) 包括如下步驟：
[0022] 1. 1在地面沉降區(qū)域布設(shè)GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)埋設(shè)的GPS監(jiān)測(cè)站均采用強(qiáng)制歸 心，并有水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)志，可用水準(zhǔn)測(cè)量直接引測(cè)到GPS點(diǎn)上，在地面沉降嚴(yán)重區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)布 設(shè)的密度大，GPS地面沉降監(jiān)測(cè)與水準(zhǔn)測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，保證二者監(jiān)測(cè)結(jié)果同步；
[0023] 1. 2測(cè)量時(shí)，將相鄰GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)之間連接成同步環(huán)，采用差分GPS的靜態(tài)測(cè) 量法進(jìn)行觀測(cè)，相鄰?fù)江h(huán)間保留兩個(gè)共用點(diǎn)；GPS測(cè)量結(jié)束后，將觀測(cè)的數(shù)據(jù)采用定位儀 自身攜帶的軟件，根據(jù)廣播星歷進(jìn)行初步計(jì)算，在確認(rèn)觀測(cè)結(jié)果沒有問題后，再利用GAMIT/ GL0BK軟件包以及IGS精密星歷進(jìn)行基線解算，得到地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
[0024] 在優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法中，步驟a所述利用PSInSAR技術(shù)，獲得PSInSAR監(jiān) 測(cè)點(diǎn)包括如下步驟：
[0025] 2. 1在N幅SAR影像中，根據(jù)影像獲取時(shí)間段，選擇一個(gè)距離其它影像成像時(shí)間相 對(duì)較均勻的雷達(dá)影像作為主圖像，而將其它SAR影像作為輔影像進(jìn)行干涉處理，獲得Μ幅干 涉圖；
[0026] 2. 2選取外部已知的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)Μ幅干涉圖進(jìn)行差分干涉處理，進(jìn)而得到Μ幅差 分干涉圖，即Μ幅差分干涉相位；每幅差分干涉相位中的每個(gè)象兀包含了相位的5個(gè)分量：
[0027] Φ,--η? = 0def+0topo+0atm+0orbit +0 noise
[0028] 式中，〇def為視線向上的形變相位，Φ,%。為DEM引入的地形誤差相位，為大 氣不均勻所引起的延遲相位，〇? bit為軌道不確定性引起的殘差相位組分，為噪聲誤 差組分；
[0029] 2. 3對(duì)N幅SAR圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)處理，然后對(duì)定標(biāo)后的N幅SAR影像進(jìn)行圖像配 準(zhǔn)；
[0030] 2. 4在輻射定標(biāo)和圖像配準(zhǔn)后的N幅SAR影像中，在高信噪比象元上，用如下公式 時(shí)序振幅信息來衡量相位噪聲水平：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 1) 建立地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)； 所述建立地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括在地面沉降區(qū)域布設(shè)GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，建立GPS和水準(zhǔn)測(cè)量 監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以獲得地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)； 2) 建立空中-地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)； 所述空中-地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)由優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)和GPS點(diǎn)相融合而成； 所述優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的獲得包括如下步驟： a. 利用PSInSAR技術(shù)，獲得PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)； b. 利用云模型算法得到PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)云數(shù)字特征，所述三個(gè)云數(shù)字特征為期 望Ex，熵En和超熵H e ;所述三個(gè)云數(shù)字特征值用于描述地面沉降發(fā)展的基本特征，代表監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)所反映的地面沉降視線向位移變化及PSInSAR的監(jiān)測(cè)水平，以獲得優(yōu)化后的PSInSAR 監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
2. -種優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟： 3) 建立空中-地面-地下立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)； 所述空中-地面-地下立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)由優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)與優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān) 測(cè)點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)及GPS點(diǎn)相融合而成； 所述優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立包括如下步驟： c. 利用地下水動(dòng)態(tài)類型編圖法優(yōu)化區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的選擇； d. 利用信息熵優(yōu)化地下水位監(jiān)測(cè)井的密度。
3. 如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，步驟1)所述的建立 GPS和水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括如下步驟： 1. 1在地面沉降區(qū)域布設(shè)GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)埋設(shè)的GPS監(jiān)測(cè)站均采用強(qiáng)制歸心，并 有水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)志，可用水準(zhǔn)測(cè)量直接引測(cè)到GPS點(diǎn)上，在地面沉降嚴(yán)重區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的 密度大，GPS地面沉降監(jiān)測(cè)與水準(zhǔn)測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，保證二者監(jiān)測(cè)結(jié)果同步； 1. 2測(cè)量時(shí)，將相鄰GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)之間連接成同步環(huán)，采用差分GPS的靜態(tài)測(cè)量法進(jìn) 行觀測(cè)，相鄰?fù)江h(huán)間保留兩個(gè)共用點(diǎn)；GPS測(cè)量結(jié)束后，將觀測(cè)的數(shù)據(jù)采用定位儀自身攜 帶的軟件，根據(jù)廣播星歷進(jìn)行初步計(jì)算，在確認(rèn)觀測(cè)結(jié)果沒有問題后，再利用GAMIT/GLOBK 軟件包以及IGS精密星歷進(jìn)行基線解算，得到地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
4. 如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，步驟a所述利用 PSInSAR技術(shù)，獲得PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括如下步驟： 2. 1在N幅SAR影像中，根據(jù)影像獲取時(shí)間段，選擇一個(gè)距離其它影像成像時(shí)間相對(duì)較 均勻的雷達(dá)影像作為主圖像，而將其它SAR影像作為輔影像進(jìn)行干涉處理，獲得Μ幅干涉 圖； 2. 2選取外部已知的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)Μ幅干涉圖進(jìn)行差分干涉處理，進(jìn)而得到Μ幅差分干 涉圖，即Μ幅差分干涉相位；每幅差分干涉相位中的每個(gè)象元包含了相位的5個(gè)分量： °dint = 0def+0topo+0atm+0orbit +0 noise 式中，為視線向上的形變相位，為DEM引入的地形誤差相位，為大氣不 均勻所引起的延遲相位，〇"bit為軌道不確定性引起的殘差相位組分，為噪聲誤差組 分； 2. 3對(duì)N幅SAR圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)處理，然后對(duì)定標(biāo)后的N幅SAR影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)； 2. 4在輻射定標(biāo)和圖像配準(zhǔn)后的N幅SAR影像中，在高信噪比象元上，用如下公式時(shí)序 振幅信息來衡量相位噪聲水平：
其中，σ v表示相位標(biāo)準(zhǔn)差，％表示時(shí)序振幅均值，DA表示振幅離差指數(shù)，通過相位標(biāo)準(zhǔn) 差指數(shù)閾值法來選取出永久散射體目標(biāo)，即PS點(diǎn)； 2. 5對(duì)選取出的PS點(diǎn)和Μ幅差分干涉圖進(jìn)行處理，得到SAR影像的差分干涉圖，所述的 SAR影像的差分干涉圖組成差分干涉相位集； 2. 6考慮地表形變的情況，建立符合條件的線性和非線性差分干涉相位函數(shù)模型； 2. 7根據(jù)步驟2. 6所建立的差分干涉相位函數(shù)模型和步驟2. 5所得到的PS點(diǎn)的差分干 涉相位集，將GPS和水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)得到的地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對(duì)所述的差分干 涉相位集進(jìn)行迭代回歸分析，分離出PS點(diǎn)線性形變分量和DEM誤差； 2. 8在步驟2. 2所得的差分干涉相位中去除PS點(diǎn)的線性形變分量和DEM誤差，得到殘 留相位，再利用空間濾波方法，在殘余相位組分中分離出大氣相位和非線性形變相位，最終 獲得了非線性形分量； 2. 9將步驟2. 7分離出的PS點(diǎn)線性形變分量和步驟2. 8所得到的非線性形變分量進(jìn)行 疊加，獲得完整的視線上的形變值，即PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
5. 如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述利用云模型算 法為利用逆向云發(fā)生器進(jìn)行運(yùn)算。
6. 如權(quán)利要求5所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述云模型算法如 下： 計(jì)算樣本均值
計(jì)算樣本方差

其中，
為一階樣本絕對(duì)中心距；
7. 如權(quán)利要求1所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述期望Ex是所選 控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位置，相對(duì)位移是0 ;所述期望Ex和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)期望值不相等，兩者之差反 映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體平均位移；熵En體現(xiàn)地表形變的水平，表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于預(yù)期位置的偏移 程度；超熵Η ε反映監(jiān)測(cè)區(qū)域情況和數(shù)據(jù)處理因素對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平的影響程度。
8. 如權(quán)利要求7所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，將所述三個(gè)云數(shù)字 特征賦予對(duì)應(yīng)的定性概念，通過定性詮釋規(guī)則的轉(zhuǎn)換，將定量的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為定 性概念，依次來評(píng)價(jià)PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的可靠性，從而獲得優(yōu)化后的PSInSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)；所述定 性詮釋規(guī)則如下表所示：

9. 如權(quán)利要求2所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述利用地下水動(dòng) 態(tài)類型編圖法優(yōu)化區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的選擇包括如下步驟：根據(jù)不同的地下水動(dòng)態(tài)類型， 對(duì)地面沉降區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)在空間上進(jìn)行分類和分區(qū)，繪制出地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖，分 區(qū)標(biāo)準(zhǔn)按照含水層結(jié)構(gòu)特征、土壤類型、人工開采和地表水體，將地下水降落漏斗區(qū)單獨(dú)區(qū) 分，然后在分區(qū)圖上布設(shè)地下水監(jiān)測(cè)井，保證每個(gè)地下水動(dòng)態(tài)分區(qū)中至少有一個(gè)監(jiān)測(cè)井，在 布設(shè)監(jiān)測(cè)井之前，利用信息熵對(duì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行優(yōu)化，確定出冗余的監(jiān)測(cè)井。
10. 如權(quán)利要求2所述的優(yōu)化地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)的方法，其特征在于，所述利用信息熵 優(yōu)化地下水位監(jiān)測(cè)井的密度包括如下步驟：將觀測(cè)孔觀測(cè)到的數(shù)據(jù)列作為一個(gè)隨機(jī)信號(hào)， 當(dāng)?shù)叵滤惶幱诜€(wěn)定狀態(tài)時(shí)，也就是觀測(cè)孔數(shù)據(jù)沒有提供新的信息，此時(shí)地下水位觀測(cè)孔 信息熵等于零，如果該監(jiān)測(cè)井觀測(cè)到的水位變化大，數(shù)據(jù)就分布在不同的概率區(qū)間，這時(shí)觀 測(cè)數(shù)據(jù)提供了新的信息，監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化越大，信息熵越大，說明所述監(jiān)測(cè)井越有價(jià) 值。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104123470SQ201410360038
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】宮輝力, 陳蓓蓓, 李小娟, 趙文吉, 周超凡, 郭琳, 段光耀, 頡晉榮, 賈煦, 史珉 申請(qǐng)人:首都師范大學(xué)