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自然资源遥感  2025, Vol. 37 Issue (3): 245-252    DOI: 10.6046/zrzyyg.2024048
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结合时序InSAR与IRIME-LSTM模型的大范围矿区地表沉降预测
陈兰兰1(), 范永超2, 肖海平3(), 万俊辉3, 陈磊3
1.赣南科技学院资源与土木工程学院,赣州 341000
2.江西漂塘钨业有限公司,赣州 341500
3.江西理工大学土木与测绘工程学院,赣州 341000
Predicting surface subsidence in large-scale mining areas based on time-series InSAR and the IRIME-LSTM model
CEHN Lanlan1(), FAN Yongchao2, XIAO Haiping3(), WAN Junhui3, CHEN Lei3
1. School of Resources and Civil Engineering, Gannan University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
2. Jiangxi Piaotang Tungsten Industry Co., Ltd., Ganzhou 341500, China
3. School of Civil Engineering and Surveying and Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
全文: PDF(3751 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术是实现大范围矿区地表沉降分析的重要手段和方法,准确预测地表沉降对预防地质灾害具有重要意义。针对长短期时间记忆(long short-term memory,LSTM)网络模型的参数难以选取以及霜冰算法(rime optimization algorithm,RIME)易陷入局部最优、依赖初始解的问题,提出一种基于混沌映射、改进莱维飞行机制和猎食者(hunter-prey optimizer,HPO)算法的全局勘探策略改进的霜冰算法(improved rime optimization algorithm,IRIME)优化LSTM的地表沉降预测模型。以甘肃省红会煤矿为研究对象,利用SBAS-InSAR技术获取矿区高相干点的沉降时序,使用IRIME-LSTM模型对高相干点进行多步预测,并与InSAR监测结果进行对比分析。结果表明: 该预测方法在整体测试集中的均方根误差、平均绝对误差和平均绝对百分比误差分别为2.65 mm,1.59 mm和3.92%,与RIME-LSTM和GS-LSTM模型相比,均方根误差分别降低37.20%和51.73%,平均绝对误差分别降低42.60%和56.32%,平均绝对百分比误差分别降低35.63%和50.51%,表明该方法具有较强的可靠性和可行性。
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陈兰兰
范永超
肖海平
万俊辉
陈磊
关键词 地表沉降深度学习时序InSAR沉降预测IRIME-LSTM    
Abstract

Interferometric synthetic aperture Radar (InSAR) technology serves as a significant approach for analyzing surface subsidence in large-scale mining areas. Accurately predicting surface subsidence plays a significant role in preventing geological disasters. The long short-term memory (LSTM) network model faces challenges in parameter selection, while the rime optimization algorithm (RIME) is susceptible to local optimum and dependence on the initial solution. Considering these challenges, this study proposed a surface subsidence prediction model with LSTM optimized by the improved rime optimization algorithm (IRIME). The IRIME incorporated chaotic mapping, the improved Lévy flight mechanism, and the global exploration strategy of the hunter-prey optimizer (HPO). The proposed model is also referred to as the IRIME-LSTM model. With the Honghui coal mine as the study area, this study obtained the subsidence time series of highly coherent points in the mining area using small baseline subset (SBAS)-InSAR technology. Subsequently, this study conducted multi-step predictions of these highly coherent points using the IRIME-LSTM model, with the prediction results compared with the InSAR monitoring data. The results of this study indicate that the IRIME-LSTM model yielded a root mean square error (RMSE) of 2.65 mm, a mean absolute error (MAE) of 1.59 mm, and a mean absolute percentage error (MAPE) of 3.92 % in the overall test set. Compared to the RIME-LSTM and GS-LSTM models, the IRIME-LSTM model reduced the RMSE by 37.20 % and 51.73 %, the MAE by 42.60 % and 56.32 %, and the MAPE by 35.63 % and 50.51 %, respectively, demonstrating its high reliability and feasibility.

Key wordssurface subsidence    deep learning    time-series InSAR    subsidence prediction    IRIME-LSTM
收稿日期: 2024-02-02      出版日期: 2025-07-01
ZTFLH:  TP79  
  P237  
基金资助:国家自然科学基金项目“多元协同分析的离子型稀土原地浸矿边坡稳定性演化机理研究”(42361012);江西省自然科学基金项目“离子型稀土原地浸矿边坡稳定性的时空参数模型构建及危险性动态评价”(20212BAB204030);江西省教育厅科学技术项目“基于深度学习的边坡变形影响因素挖掘及监测数据再生方法研究”(GJJ2203602)
通讯作者: 肖海平(1980-),男,博士,副教授,硕士研究生导师,研究方向为InSAR变形监测与数据处理、地质灾害识别及预警、GNSS研究及应用。Email: 415562281@qq.com
作者简介: 陈兰兰(1981-),女,硕士,副教授,研究方向为边坡稳定性评估和处理、变形监测和数据处理研究。Email: 707598180@qq.com
引用本文:   
陈兰兰, 范永超, 肖海平, 万俊辉, 陈磊. 结合时序InSAR与IRIME-LSTM模型的大范围矿区地表沉降预测[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(3): 245-252.
CEHN Lanlan, FAN Yongchao, XIAO Haiping, WAN Junhui, CHEN Lei. Predicting surface subsidence in large-scale mining areas based on time-series InSAR and the IRIME-LSTM model. Remote Sensing for Natural Resources, 2025, 37(3): 245-252.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2024048      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2025/V37/I3/245
Fig.1  LSTM单元结构
Fig.2  SBAS-InSAR数据处理流程
Fig.3  最终的时空基线连接图
Fig.4  A和B区域形变速率
Fig.5  SBAS-InSAR与PS-InSAR监测形变速率相关性
Fig.6  IRIME-LSTM模型预测流程
参数名称 说明 参数名称 说明
种群大小 10 训练最大轮数 100
最大迭代次数 30 小批量样本数 128
失活率 0.2 学习率减小因子 0.1
数据打乱 Every-epoch 训练方法 Adam
Tab.1  IRIME-LSTM模型训练参数
Fig.7  目标函数值变化
模型 初始学
习率R
隐藏层
节点数S
网络
层数K
样本
长度L
IRIME-LSTM 0.071 861 14 2 20
RIME-LSTM 0.085 731 89 2 21
GS-LSTM 0.005 154 40 3 22
Tab.2  模型最优参数
Fig.8  不同模型单步预测的绝对误差空间分布
Fig.9  不同模型第7步预测的绝对误差空间分布
Fig.10  不同模型的性能评价指标变化趋势
绝对误差区间/mm IRIME-LSTM RIME-LSTM GS-LSTM
高相干点数 所占比例/% 高相干点数 所占比例/% 高相干点数 所占比例/%
(0,2] 11 280 92.62 9 010 73.98 6 594 54.14
(2,4] 551 4.52 2 439 20.03 3 770 30.96
(4,6] 184 1.51 434 3.56 1 339 10.99
>6 164 1.35 296 2.43 476 3.91
Tab.3  单步预测的绝对误差具体分类及占比
绝对误差区间/mm IRIME-LSTM RIME-LSTM GS-LSTM
高相干点数 所占比例/% 高相干点数 所占比例/% 高相干点数 所占比例/%
(0,2] 7 501 61.59 5 646 46.36 4 469 36.69
(2,4] 2 638 21.66 2 985 24.51 2 897 23.79
(4,6] 831 6.82 1 395 11.45 1 502 12.33
>6 1 209 9.93 2 153 17.68 3 311 27.19
Tab.4  第7步预测的绝对误差具体分类及占比
[1] 李想, 焦玉勇, 邹俊鹏, 等. 深部采煤覆岩移动和地表沉降研究[J]. 安全与环境工程, 2022, 29(2):32-38,56.
Li X, Jiao Y Y, Zou J P, et al. Study on overlying strata movement and ground subsidence in deep coal mining[J]. Safety and Environmental Engineering, 2022, 29(2):32-38,56.
[2] 顿志林, 王文唱, 邹友峰, 等. 基于时间函数组合模型的采空区地表沉降动态预测及剩余变形计算[J]. 煤炭学报, 2022, 47(s1):13-28.
Dun Z L, Wang W C, Zou Y F, et al. Dynamic prediction of surface subsidence and calculation of residual deformation in goaf based on time function combination model[J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(s1):13-28.
[3] 徐子兴, 季民, 张过, 等. 基于SBAS-InSAR技术和Logistic模型的矿区沉降动态预测方法[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(2):20-29.doi:10.6046/zrzyyg.2021354.
Xu Z X, Ji M, Zhang G, et al. Method for dynamic prediction of mining subsidence based on the SBAS-InSAR technology and the logistic model[J]. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(2):20-29.doi:10.6046/zrzyyg.2021354.
[4] 谭志祥, 杨嘉威, 邓喀中. 基于SBAS-InSAR的矿区全盆地开采沉陷求参方法研究[J]. 煤炭科学技术, 2021, 49(1):312-318.
Tan Z X, Yang J W, Deng K Z. Study on method of mining subsi-dence parameters calculating for whole basin of mining area based on SBAS-InSAR[J]. Coal Science and Technology, 2021, 49(1):312-318.
[5] 杨旺, 何毅, 张立峰, 等. 甘肃金川矿区地表三维形变InSAR监测[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(1):177-188.doi:10.6046/zrzyyg.2021107.
Yang W, He Y, Zhang L F, et al. InSAR monitoring of 3D surface deformation in Jinchuan mining area,Gansu Province[J]. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(1):177-188.doi:10.6046/zrzyyg.2021107.
[6] Riyas M J, Syed T H, Kumar H, et al. Detecting and analyzing the evolution of subsidence due to coal fires in Jharia coalfield,India using sentinel-1 SAR data[J]. Remote Sensing, 2021, 13(8):1521.
[7] 麻源源, 陈云波, 左小清, 等. Sentinel-1A数据及短基线集的昆明地面沉降分析[J]. 测绘科学, 2019, 44(11):59-66,95.
Ma Y Y, Chen Y B, Zuo X Q, et al. Analysis of land subsidence in Kunming based on Sentinel-1A data and SBAS technology[J]. Science of Surveying and Mapping, 2019, 44(11):59-66,95.
[8] Ding Y K, Liu R, Fan Y F, et al. Monitoring glaciers in the Chenab Basin with SBAS InSAR technology[J]. Journal of Mountain Science, 2022, 19(9):2622-2633.
[9] 杨帆, 胡晋, 孙彩霞. InSAR技术结合深度学习的范围性地表沉降预测[J]. 测绘科学, 2022, 47(7):60-68,134.
Yang F, Hu J, Sun C X. Prediction of range surface subsidence based on InSAR technology and deep learning[J]. Science of Surveying and Mapping, 2022, 47(7):60-68,134.
[10] 刘青豪, 张永红, 邓敏, 等. 大范围地表沉降时序深度学习预测法[J]. 测绘学报, 2021, 50(3):396-404.
doi: 10.11947/j.AGCS.2021.20200038
Liu Q H, Zhang Y H, Deng M, et al. Time series prediction method of large-scale surface subsidence based on deep learning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2021, 50(3):396-404.
doi: 10.11947/j.AGCS.2021.20200038
[11] 周文韬, 张文君, 杨元继, 等. 矿区地表沉降监测的一种组合模型预测方法[J]. 大地测量与地球动力学, 2021, 41(3):308-312.
Zhou W T, Zhang W J, Yang Y J, et al. A combined model prediction method for surface subsidence monitoring in mining areas[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2021, 41(3):308-312.
[12] 岳振华, 沈涛, 毛曦, 等. 循环神经网络的地面沉降预测方法[J]. 测绘科学, 2020, 45(12):145-152.
Yue Z H, Shen T, Mao X, et al. Study on prediction method of land subsidence based on recurrent neural network[J]. Science of Surveying and Mapping, 2020, 45(12):145-152.
[13] 师芸, 李杰, 吕杰, 等. 结合SBAS-InSAR与支持向量回归的开采沉陷监测与预测[J]. 遥感信息, 2021, 36(2):6-12.
Shi Y, Li J, Lyv J, et al. Monitoring and prediction of mining subsidence based on SBAS-InSAR and improved support vector regression[J]. Remote Sensing Information, 2021, 36(2):6-12.
[14] 鄢涛, 陈波, 曹恩华, 等. 基于EEMD-ELM的大坝变形预测模型[J]. 长江科学院院报, 2020, 37(11):70-73,80.
Yan T, Chen B, Cao E H, et al. Prediction of dam deformation using EEMD-ELM model[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2020, 37(11):70-73,80.
doi: 10.11988/ckyyb.20190892
[15] Su H, Zhao D, Heidari A A, et al. RIME:A physics-based optimization[J]. Neurocomputing, 2023,532:183-214.
[16] Wang X, Li J, Shao L, et al. Short-term wind power prediction by an extreme learning machine based on an improved hunter-prey optimization algorithm[J]. Sustainability, 2023, 15(2):991.
[17] 葛唱, 钱素琴. 改进麻雀搜索算法的无人车路径规划[J]. 导航定位学报, 2022, 10(6):107-111.
Ge C, Qian S Q. Path planning of unmanned vehicle based on improved sparrow search algorithm[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(6):107-111.
[18] 刘辉, 徐心月, 陈蜜, 等. 秦皇岛段明长城时序InSAR遥感动态监测[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2):202-211.doi:10.6046/zrzyyg.2021163.
Liu H, Xu X Y, Chen M, et al. Time-series InSAR-based dynamic remote sensing monitoring of the Great Wall of the Ming Dynasty in Qinhuangdao[J]. Remote Sensing for Natural Resources, 2023, 35(2):202-211.doi:10.6046/zrzyyg.2021163.
[19] 肖海平, 夏益强, 刘小生, 等. 融合SBAS-InSAR技术与TSO-LSTM模型的矿区地表沉降预测方法[J]. 金属矿山, 2023(1):126-133.
Xiao H P, Xia Y Q, Liu X S, et al. Prediction method of surface subsidence in mining area by the integration of SBAS-InSAR technique and TSO-LSTM model[J]. Metal Mine, 2023(1):126-133.
[20] 刘青豪, 刘慧敏, 张永红, 等. 顾及空间异质性的大范围地面沉降时空预测[J]. 遥感学报, 2022, 26(7):1315-1325.
Liu Q H, Liu H M, Zhang Y H, et al. A spatio-temporal prediction method of large-scale ground subsidence considering spatial hete-rogeneity[J]. National Remote Sensing Bulletin, 2022, 26(7):1315-1325.
[21] 刘宝宝, 杨菁菁, 陶露, 等. 基于DE-LSTM模型的教育统计数据预测研究[J]. 计算机科学, 2022, 49(s1):261-266.
Liu B B, Yang J J, Tao L, et al. Study on prediction of educational statistical data based on DE-LSTM model[J]. Computer Science, 2022, 49(s1):261-266.
[1] 邹海靖, 邹滨, 王玉龙, 张波, 邹伦文. 基于多尺度样本集优化策略的矿区工业固废及露天采场遥感识别[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(3): 1-8.
[2] 郭伟, 李煜, 金海波. 高维上下文注意和双感受野增强的SAR船舶检测[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(3): 104-112.
[3] 陈民, 彭栓, 王涛, 吴雪芳, 刘润璞, 陈玉烁, 方艳茹, 阳平坚. 基于资源1号02D高光谱图像湿地水体分类方法对比——以白洋淀为例[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(3): 133-141.
[4] 郑宗生, 高萌, 周文睆, 王政翰, 霍志俊, 张月维. 基于样本迭代优化策略的密集连接多尺度土地覆盖语义分割[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(2): 11-18.
[5] 庞敏. 国产多源卫片图斑智能提取平台研究与应用[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(2): 148-154.
[6] 黄川, 李雅琴, 祁越然, 魏晓燕, 邵远征. 基于3D-CAE的高光谱解混及小样本分类方法[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(1): 8-14.
[7] 俞文轩, 李益敏, 计培琨, 冯显杰, 向倩英. 基于升降轨SAR数据的兰坪县黄登水电站上游时间序列地表形变研究[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(4): 282-294.
[8] 张瑞瑞, 夏浪, 陈立平, 丁晨琛, 郑爱春, 胡新苗, 伊铜川, 陈梅香, 陈天恩. 深度语义分割网络无人机遥感松材线虫病变色木识别[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 216-224.
[9] 温泉, 李璐, 熊立, 杜磊, 刘庆杰, 温奇. 基于深度学习的遥感图像水体提取综述[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 57-71.
[10] 白石, 唐攀攀, 苗朝, 金彩凤, 赵博, 万昊明. 基于高分辨率遥感影像和改进U-Net模型的滑坡提取——以汶川地区为例[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 96-107.
[11] 宋爽爽, 肖开斐, 刘昭华, 曾昭亮. 一种基于YOLOv5的高分辨率遥感影像目标检测方法[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(2): 50-59.
[12] 李婉悦, 娄德波, 王成辉, 刘欢, 张长青, 范莹琳, 杜晓川. 基于改进U-Net网络的花岗伟晶岩信息提取方法[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(2): 89-96.
[13] 赵霞, 马新岩, 余虔, 王招冰. 高分辨率InSAR技术在北京大兴国际机场形变监测中的应用[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 49-57.
[14] 王宁, 姜德才, 郑向向, 钟昶. 基于多源异构数据斜坡地质灾害隐患易发性评价——以深圳市龙岗区为例[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 122-129.
[15] 邓丁柱. 基于深度学习的多源卫星遥感影像云检测方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(4): 9-16.
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