热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法与流程

本发明涉及勘探技术领域，特别涉及一种热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法。

背景技术

煤火指的是埋藏在地下的煤炭因自然或人为因素引燃后，没有及时被发现和治理，逐步蔓延发展形成规模较大的煤田火灾。煤火不但会导致煤炭资源的大量浪费而且还会产生大量的有毒有害气体、危及矿井生产安全，造成大气污染，危害矿区脆弱的生态环境，甚至居民健康。同时煤田的火灾会蚕食矿井的煤柱，破坏废弃矿井地质结构稳定性，引发地面沉降、塌陷、地裂缝等地质灾害，威胁当地基础设施和居民生命财产安全。另外，塌陷和地裂缝等地质灾害又会加剧氧气的输送，进一步加剧了地下煤火燃烧的强度，形成一个恶性循环，给地下煤火的灭火工作造成了极大的困难，因此，地下煤火的及时发现和治理对于抑制煤火过快发展趋势和减少环境危害非常必要。

近年来煤火的发展出现了一些新的特点：(1)随着矿井开采深度的增加，煤火向深部发展；(2)深部的煤火变得更加隐蔽；(3)经过煤火治理后残存煤火再治理难较大；(4)治理过的煤火区存在复燃现象。传统实地调查方法对煤火探测难以满足实际的需求，而目前的诸多其他煤火探测方法的效率、准确性和可靠性还有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法，能够提高煤火探测的效率、准确性和可靠性。

为达到上述目的，本发明提出了一种热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法，包括以下步骤：获取预定区域的热红外遥感影像，并通过地表温度反演得到所述预定区域的地表温度信息；获取预定区域的sar(syntheticapertureradar，合成孔径雷达)影像，并通过insar(interferometricsyntheticapertureradar，干涉雷达)时序分析得到所述预定区域的地表形变信息；根据所述预定区域的地表形变信息设计生成相应的带通滤波器；通过所述带通滤波器对所述地表温度信息进行空间滤波，以得到所述预定区域的疑似煤火分布位置。

根据本发明实施例的热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法，通过根据预定区域的热红外遥感影像得到预定区域的地表温度信息，并根据预定区域的sar影像得到预定区域的地表形变信息，以及根据预定区域的地表形变信息设计生成相应的带通滤波器，并通过该带通滤波器对地表温度信息进行空间滤波，以得到预定区域的疑似煤火分布位置，由此，结合温度与地表形变两个条件来确定煤火位置，能够提高煤火探测的效率、准确性和可靠性。

另外，根据本发明上述实施例提出的热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法还可以具有如下附加的技术特征：

获取预定区域的热红外遥感影像，并通过地表温度反演得到所述预定区域的地表温度信息，具体包括：对热红外遥感影像进行预处理，其中，所述预处理包括几何校正、辐射校正和大气校正；根据矿区的矢量边界和图像的解译对疑似煤火分布区遥感图像进行裁剪，得到所述预定区域的热红外遥感数据；通过波段运算计算归一化差值植被指数，并计算地表比辐射率；根据辅助大气透过率数据得到预定区域的大气水汽含量；对所述预定区域的热红外遥感数据进行地表温度反演，得到所述预定区域的地表温度信息。

其中，对所述预定区域的热红外遥感数据进行地表温度反演的计算公式为：

其中，γ和δ为普朗克方程相关的系数，

其中，εi为第i波段的地表比辐射率，li表示该波段的星上辐射亮度，单位为w·m^-2·sr^-1·μm^-1，ti表示该波段的星上亮度温度，单位为k，ψ1、ψ2、ψ3为三个大气参数，由大气水汽含量计算得到。

获取预定区域的sar影像，并通过insar时序分析得到所述预定区域的地表形变信息，具体包括：从n+1幅所述预定区域的sar影像中选择一幅影像作为主影像，其他n幅影像作为从影像，将n幅从影像和主影像进行配准，之后进行干涉处理，得到n幅干涉图，并通过计算获取影像覆盖时间的形变序列，其中，n为正整数；获取所述干涉图的干涉相位，并进行相位回归分析以及相位解缠，去除地形相干误差及大气相位；通过建立观测方程求解最终平均形变速率与各段时间形变量的数据，得到所述预定区域的地表形变信息。

所述干涉图的干涉相位为：

φ(x)＝φr(x)+φu(x)+φσ(x)+φa(x)+φn(x)，

其中，φr(x)为地形相位，φu(x)为地表形变相位，φσ(x)为干涉图的两幅sar影像获取时大气不均匀产生的相位，φa(x)为参考椭球引起的平地相位，φn(x)为噪声，其中，

其中，b⊥为基线在雷达视线向垂直方向的投影分量，r为雷达天线到地面两个参考点的斜距，△r为地面点形变前后雷达视线向斜距差，h为地面点的高程，λ为雷达信号波长，θ为雷达天线到地面两个参考点的入射角。

其中，首先将所述地表形变信息中点的形变通过内插转化成所述预定区域面的地表沉降信息，然后以地表下沉量为构造带通滤波器的依据，通过设置合理的阈值范围，使得地表形变大于阈值的对应区域的热信号能通过带通滤波器，地表形变小于阈值的对应区域的热信号不能通过带通滤波器，或者被所述带通滤波器弱化，使得滤波之后的地表温度高温异常主要受到煤火的影响。

通过所述带通滤波器对所述地表温度信息进行空间滤波，以得到所述预定区域的疑似煤火分布位置，具体包括：对滤波前的地表温度信息进行统计分析，统计出影像的均值μ和方差σ，提取出影像中大于μ+σ的像元和大于μ+2σ的像元，提取出地表高温异常区做两级分布，经过滤波排除部分非煤火导致的地表高温异常区域，留下的高温异常区所对应的范围作为最终提取到的煤火的两级疑似分布区域。

附图说明

图1为本发明一个实施例的热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的根据预定区域的热红外遥感影像获取预定区域的地表温度信息的流程图；

图3为本发明一个实施例的根据预定区域的sar影像获取预定区域的地表形变信息的流程图；

图4为本发明一个实施例的设计带通滤波器及通过滤波得到预定区域的疑似煤火分布位置的流程图；

图5为本发明一个实施例的滤波过程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法。

如图1所示，本发明实施例的热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法，包括以下步骤：

s1，获取预定区域的热红外遥感影像，并通过地表温度反演得到预定区域的地表温度信息。

在本发明的一个实施例中，热红外遥感影像可由landsat等卫星获取。

具体地，如图2所示，步骤s1包括：首先可对热红外遥感影像进行预处理，其中，预处理包括几何校正、辐射校正和大气校正，然后根据矿区的矢量边界和图像的解译对疑似煤火分布区遥感图像进行裁剪，得到预定区域的热红外遥感数据，接着通过波段运算计算归一化差值植被指数(ndvi)，并使用ndvi^tem法计算地表比辐射率。然后根据辅助大气透过率数据得到预定区域的大气水汽含量，再通过普适性单通道算法，对预定区域的热红外遥感数据进行地表温度反演，得到预定区域的地表温度信息。

其中，对预定区域的热红外遥感数据进行地表温度反演的计算公式为：

其中，γ和δ为普朗克方程相关的系数，

其中，εi为第i波段的地表比辐射率，li表示该波段的星上辐射亮度，单位为w·m^-2·sr^-1·μm^-1，ti表示该波段的星上亮度温度，单位为k，ψ1、ψ2、ψ3为三个大气参数，由大气水汽含量计算得到。

由于地下煤炭燃烧会导致地表温度升高，所以可以将地表温度信息作为煤火位置的判断依据，例如将高温异常区域作为疑似煤火分布区域，但是由于地表有低热容量覆盖物存在，可能会出现非煤火导致的地表高温区，这些区域会对煤火的探测产生干扰，造成煤火区的误判。因此，在本发明的一个实施例中，所得到的预定区域的地表温度信息可利用实地同步测量或多源数据监测结果对比等方法来验证结果精度。

s2，获取预定区域的sar影像，并通过insar时序分析得到预定区域的地表形变信息。

在本发明的一个实施例中，sar影像可由sentinel-1和radarsat-2等卫星获取。insar时序分析技术可包括ps(permanentscatters，永久散射体)-insar和sbas(small-baselinesubset，小基线集)-insar技术，本发明以ps-insar技术为例进行说明。

具体地，如图3所示，可从n+1幅预定区域的sar影像中选择一幅影像作为主影像，其他n幅影像作为从影像，将n幅从影像和主影像进行配准。其中，影像配准前还基于外部dem数据和轨道数据进行反向地理编码。之后进行干涉处理，得到n幅差分干涉图，并通过计算获取影像覆盖时间的形变序列，其中，n为正整数。

然后获取干涉图的干涉相位，干涉图的干涉相位为：

φ(x)＝φr(x)+φu(x)+φσ(x)+φa(x)+φn(x)，

其中，φr(x)为地形相位，φu(x)为地表形变相位，φσ(x)为干涉图的两幅sar影像获取时大气不均匀产生的相位，φa(x)为参考椭球引起的平地相位，φn(x)为噪声，其中，

其中，b⊥为基线在雷达视线向垂直方向的投影分量，r为雷达天线到地面两个参考点的斜距，△r为地面点形变前后雷达视线向斜距差，h为地面点的高程，λ为雷达信号波长，θ为雷达天线到地面两个参考点的入射角。

进而执行时序处理方法，可对目标集进行相位回归分析以及相位解缠，去除地形相干误差及大气相位。具体可根据相位解缠方法对差分相位进行逐步迭代，最后迭代出形变速率、高程误差改正、残余误差等项。得到这几项改正后，对残余相位进行滤波，通过计算得到滤波前后相位差获得大气与噪声改正值。滤波后结果即为非线性变量，其公式具体为：

φdef＝φlin_d+φnon_d，

其中，φdef为实际形变量，φlin_d与φnon_d分别表示线性与非线性形变量。

最后通过建立观测方程求解最终平均形变速率与各段时间形变量的数据，得到预定区域的地表形变信息。

如图3所示，对于ps-insar技术，在相位解缠前可在预定区域选择ps点、精选ps点，去除地形不相关误差。

s3，根据预定区域的地表形变信息设计生成相应的带通滤波器。

需要说明的是，步骤s3在步骤s2之后执行，而步骤s1和步骤s2可不分先后顺序。

s4，通过带通滤波器对地表温度信息进行空间滤波，以得到预定区域的疑似煤火分布位置。

地下煤炭的燃烧不仅会产生高温还会因为围岩体积和力学性质的变化引发塌陷、地裂缝等地质灾害，表现在热红外影像上是高温异常，表现在时序雷达影像分析上是地表微小形变，根据煤火的产生和发育的一般特点可知，在一定的时期内煤火的分布范围不会发生较大的变化。因为有地表低热容量覆盖物的影响，会出现非煤火导致的地表高温异常，所以基于此原理可以依据同一时期的地表微小形变信息设计生成相应的带通滤波器，对地表温度信息进行滤波用以排除非煤火导致的地表高温异常，从而提高煤火探测的准确性和可靠性。

其中，首先将地表形变信息中点的形变通过内插转化成预定区域面的地表沉降信息，然后以地表下沉量为构造带通滤波器的依据，通过设置合理的阈值范围，使得地表形变大于阈值的对应区域的热信号能通过带通滤波器，地表形变小于阈值的对应区域的热信号不能通过带通滤波器，或者被带通滤波器弱化，使得滤波之后的地表温度高温异常主要受到煤火的影响，以便可以根据滤波后图像的像元值获取预定区域的煤火信息。

进一步地，可对滤波前的地表温度信息进行统计分析，统计出影像的均值μ和方差σ，提取出影像中大于μ+σ的像元和大于μ+2σ的像元，提取出地表高温异常区做两级分布，经过滤波排除部分非煤火导致的地表高温异常区域，留下的高温异常区所对应的范围作为最终提取到的煤火的两级疑似分布区域。因为该区域范围不大，所受的太阳光照条件和大气条件均是相同的，所以可以认为该区域正常地表温度应当符合正态分布，根据滤波后图像的像元值获取预定区域的煤火信息可以认为滤波前的像元大于μ+σ和大于μ+2σ时该区域为地表高温异常区域，滤波后的像元大于μ+σ和大于μ+2σ时该区域为煤火导致的地表高温异常区域，由此可以提取到两级的煤火疑似分布区域。

总体而言，如图4所示，步骤s3和s4可包括：根据地表形变信息，通过格式转换空间插值得到地表形变栅格图；得到地表形变值并基于此构建空间滤波器；通过空间带通滤波器对地表温度信息进行滤波；根据滤波后的地表温度信息，及统计分析的结果，得到疑似煤火分布区域。

通过带通滤波器进行滤波的过程如图5所示，图5中的a部分为sar影像得到的地表形变信息生成的带通滤波器示意，该滤波器能使得较大下沉量对应区域的热信号可以通过滤波器，较小或无下沉量的区域对应的热信号不能通过滤波器，或者被滤波器弱化；图5中的b部分是根据热红外遥感影像得到的地表温度信息示意，其中包括一些高温区域；图5中的c部分是经过空间带通滤波之后提取到的疑似煤火分布区，从图5中可以看出通过滤波消除了一些非煤火导致的地表高温区域对疑似煤火区判定的不利影响，从而实现高效、准确可靠地探测煤火。

综上所述，根据本发明实施例的热红外与雷达遥感联合探测煤火的方法，通过根据预定区域的热红外遥感影像得到预定区域的地表温度信息，并根据预定区域的sar影像得到预定区域的地表形变信息，以及根据预定区域的地表形变信息设计生成相应的带通滤波器，并通过该带通滤波器对地表温度信息进行空间滤波，以得到预定区域的疑似煤火分布位置，由此，结合温度与地表形变两个条件来确定煤火位置，能够提高煤火探测的效率、准确性和可靠性。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。