一種集成多軌道、長(zhǎng)條帶CTInSAR的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】一種集成多軌道、長(zhǎng)條帶CTInSAR的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)方法，它有七大步驟：步驟一：長(zhǎng)條帶雷達(dá)數(shù)據(jù)分塊與配準(zhǔn)；步驟二：差分干涉紋圖集生成；步驟三：軌道殘余相位去除；步驟四：CTInSAR時(shí)序分析；步驟五：長(zhǎng)條帶相鄰分塊檢驗(yàn)與校正；步驟六：多軌道坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一；步驟七：多軌道信息檢驗(yàn)與參考基準(zhǔn)統(tǒng)一。本發(fā)明解決了InSAR在大區(qū)域形變調(diào)查與監(jiān)測(cè)中遇到的兩個(gè)主要問(wèn)題，一是如何減弱形變信息提取過(guò)程中基線誤差、大氣波動(dòng)以及相位解纏噪聲等在空間域隨范圍增大而表現(xiàn)明顯的低頻特性的誤差影響；二是如何將相鄰軌道的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果在空間位置上進(jìn)行精確配準(zhǔn)，并統(tǒng)一不同軌道間形變測(cè)量的參考基準(zhǔn)。
【專利說(shuō)明】-種集成多軌道、長(zhǎng)條帶CTInSAR的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè) 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種集成多軌道、長(zhǎng)條帶CTInSAR (Coherent Target SAR Interferometry，相干目標(biāo)合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量）的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)方法，屬于合 成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。它克服了大區(qū)域CTInSAR數(shù)據(jù)處理過(guò)程中誤 差傳播與基準(zhǔn)偏差的問(wèn)題，達(dá)到了區(qū)域性地面沉降的高精度調(diào)查與監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前我國(guó)存在大范圍的地面沉降，華北平原、長(zhǎng)江三角洲、汾渭谷地三大主要沉降 區(qū)的影響范圍超過(guò)數(shù)萬(wàn)平方公里，且有進(jìn)一步擴(kuò)展連片分布的特點(diǎn)。其他地區(qū)如江漢平原、 松嫩平原、下遼河以及珠江三角洲等也有不同程度的地面沉降發(fā)生。傳統(tǒng)的主要地面沉降 監(jiān)測(cè)手段（水準(zhǔn)測(cè)量、基巖標(biāo)、分層標(biāo)和GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)等）均面臨空間覆蓋有限、監(jiān)測(cè)頻率低、 監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度低、觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)且難以同步等問(wèn)題。星載InSAR技術(shù)是根據(jù)星載雷達(dá)圖像的相 位數(shù)據(jù)來(lái)獲取地面形變信息的一門技術(shù)，能滿足調(diào)查監(jiān)測(cè)精度要求的同時(shí)，具有大覆蓋范 圍、快速重訪、高監(jiān)測(cè)點(diǎn)位密度等特點(diǎn)，且易于組織，人為干擾少。
[0003] 大區(qū)域地面沉降場(chǎng)調(diào)查與監(jiān)測(cè)要求雷達(dá)數(shù)據(jù)具備二維方向上的完整覆蓋，而單個(gè) 圖幅重復(fù)軌InSAR主要解決局部地區(qū)（幾百至幾千平方公里）地表形變場(chǎng)的高精度連續(xù)監(jiān) 測(cè)，以常用的ENVISAT ASAR掃描模式的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，單個(gè)圖幅覆蓋范圍在lOOkmXIOOkm，涉 及幾萬(wàn)平方公里大區(qū)域的地面沉降監(jiān)測(cè)必然需要多軌道、長(zhǎng)條帶的InSAR成果集成。多軌 道集成包含相鄰平行軌道集成（如圖1所示）以及升降軌模式集成，其中相鄰平行軌道集 成是解決大范圍覆蓋的主要技術(shù)途徑。
[0004] 多軌道、長(zhǎng)條帶集成方法基于單圖幅CTInSAR時(shí)序分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域地面沉 降監(jiān)測(cè)。但隨著空間覆蓋范圍的增大，InSAR數(shù)據(jù)處理過(guò)程中誤差因素也隨之增大。這些 誤差主要包括基線誤差、大氣波動(dòng)以及相位解纏噪聲（相位不連續(xù)）等在空間域表現(xiàn)為低 頻特性的因素。隨著覆蓋范圍的增大，低頻信號(hào)的累加效應(yīng)表現(xiàn)明顯，影響了沉降場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié) 果的準(zhǔn)確性，往往使得沉降場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果中附加某種趨勢(shì)信號(hào)。
[0005] 另一個(gè)問(wèn)題是不同軌道（入射角）下InSAR成果具有不同的坐標(biāo)系和參考基準(zhǔn)。 無(wú)論采用何種時(shí)序分析方法，每個(gè)軌道下的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果都存在于獨(dú)立的坐標(biāo)系中（雷達(dá) 坐標(biāo)系），其形變場(chǎng)參考基準(zhǔn)也不相同。不同軌道下SAR數(shù)據(jù)均與各自獨(dú)立的主圖像進(jìn)行精 確配準(zhǔn)，因而，其觀測(cè)結(jié)果位于不同主圖像的坐標(biāo)系內(nèi)。斜距成像的特點(diǎn)決定了不同入射的 雷達(dá)圖像存在不同的變形（扭曲、旋轉(zhuǎn)等），特別是在地形起伏較大的地區(qū)。即使同一景雷 達(dá)圖像內(nèi)，其象元的分辨率也存在差別。此外，InSAR技術(shù)所獲取的形變量均是相對(duì)于某一 個(gè)特定的參考基準(zhǔn)而言的，其參考基準(zhǔn)是在時(shí)序分析過(guò)程中選擇的某一特定相干目標(biāo)，其 活動(dòng)狀況往往未知。這使得不同軌道下的形變場(chǎng)存在參考基準(zhǔn)偏差，涉及到整體偏差補(bǔ)償 問(wèn)題。
[0006] 因此，為解決區(qū)域性地面沉降InSAR監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題，本專利通過(guò)將長(zhǎng)條帶雷 達(dá)數(shù)據(jù)分塊，各分塊獨(dú)立完成CTInSAR時(shí)序分析，獲取各分塊高精度地面沉降監(jiān)測(cè)成果，有 效地降低了長(zhǎng)條帶合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)的干涉處理誤差，并通過(guò)對(duì)同一條帶不同分塊和多軌 道不同條帶下形變監(jiān)測(cè)結(jié)果的檢驗(yàn)與校正，最終達(dá)到大區(qū)域地面沉降的全覆蓋、同時(shí)段調(diào) 查與監(jiān)測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 1、目的
[0008] 本發(fā)明的目的是為了獲取全覆蓋、同時(shí)段的高精度區(qū)域性地面沉降信息，解決了 InSAR在大區(qū)域形變調(diào)查與監(jiān)測(cè)中遇到的兩個(gè)主要問(wèn)題，一是如何減弱形變信息提取過(guò)程 中基線誤差、大氣波動(dòng)以及相位解纏噪聲等在空間域隨范圍增大而表現(xiàn)明顯的低頻特性的 誤差影響；二是如何將相鄰軌道的形變監(jiān)測(cè)結(jié)果在空間位置上進(jìn)行精確配準(zhǔn)，并統(tǒng)一不同 軌道間形變測(cè)量的參考基準(zhǔn)。
[0009] 2、技術(shù)方案
[0010] 本發(fā)明是一種集成多軌道、長(zhǎng)條帶CTInSAR的區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)方法，建立了 滿足低相干條件下區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)的CTInSAR技術(shù)，方法具體步驟如下：
[0011] 步驟一：長(zhǎng)條帶雷達(dá)數(shù)據(jù)分塊與配準(zhǔn)
[0012] 符合InSAR測(cè)量要求的星載SAR數(shù)據(jù)通常以長(zhǎng)條帶方式獲取，數(shù)據(jù)通常為單視復(fù) 數(shù)數(shù)據(jù)（single look complex digital image, SLC)，記錄了目標(biāo)在影像上的散射強(qiáng)度以 及雷達(dá)回波的相位信息。
[0013] 假設(shè)同一長(zhǎng)條帶獲得m個(gè)重軌數(shù)據(jù)，在對(duì)長(zhǎng)條帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先選擇一幅 主影像M，對(duì)其進(jìn)行方位向上的分塊裁切，得到η個(gè)分塊分別為M franrel、Mfranre2、……、Mfra_， 每個(gè)分塊稱為一個(gè)Frame，每個(gè)Frame在雷達(dá)影像的方位向盡量與距離向保持相同地面距 離范圍，相鄰分塊之間保留20%的重疊區(qū)域。
[0014] 將其他SAR數(shù)據(jù)做為輔影像分別以MfMel、Mframe2、……、M fra_為主影像進(jìn)行精密 配準(zhǔn)，得到η個(gè)frame配準(zhǔn)后的SLC數(shù)據(jù)集[M，Sp S2,……，Sm_J。針對(duì)每個(gè)frame的SLC數(shù) 據(jù)集執(zhí)行步驟二至步驟四。
[0015] 步驟二：差分干涉紋圖集生成
[0016] 考慮空間基線與時(shí)間基線對(duì)SAR圖像對(duì)造成的失相干影響，選擇具有較短空間基 線與時(shí)間基線的圖像對(duì)兩兩進(jìn)行組合，生成差分干涉紋圖集。
[0017] 每個(gè)圖像對(duì)主副影像共軛相乘得到干涉紋圖，干涉紋圖的相位組成包括：

【權(quán)利要求】
步驟三：軌道殘余相位去除 地形相位與平地相位的計(jì)算均與基線長(zhǎng)度相關(guān)，而軌道的精度直接影響干涉相對(duì)空間 基線的計(jì)算；由于軌道的不準(zhǔn)確性形成的殘余相位，即Orbit ramp或Orbit residual;應(yīng) 用精密軌道參數(shù)修正初始軌道參數(shù)能有效降低這種因素的影響，但當(dāng)干涉圖范圍擴(kuò)大時(shí)， 二維平面上軌道殘余相位的積累將使得形變圖上附加一種趨勢(shì)，這種趨勢(shì)隨著數(shù)據(jù)覆蓋范 圍的增大而變化；基于最小二乘進(jìn)行趨勢(shì)面擬合進(jìn)而去除軌道殘余相位，首先依據(jù)先驗(yàn)知 識(shí)挑選出差分干涉紋圖集中有明顯殘余相位的干涉紋圖，針對(duì)有誤差的干涉紋圖首先進(jìn)行 相位解纏，通過(guò)提取解纏相位圖中一定采樣間隔的解纏相位，利用二次或者高次函數(shù)進(jìn)行 相位回歸，進(jìn)而擬合趨勢(shì)面；這里選擇二次函數(shù)式（5)作為擬合函數(shù)進(jìn)行相位回歸；
式中以hr)為采樣點(diǎn)解纏相位；(x，y)為采樣點(diǎn)圖像坐標(biāo)；為多項(xiàng)式系數(shù)；基于最 小二乘原則，計(jì)算出％，從差分相位ctdiff中減去擬合的軌道殘余相位； 步驟四：CTInSAR時(shí)序分析 當(dāng)SLC數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)量較少時(shí)即m〈20,依據(jù)相干目標(biāo)頻譜變化小這一特性進(jìn)行相干目 標(biāo)的選擇；點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)際幾何尺寸往往小于雷達(dá)分辨單元，與分布目標(biāo)具有不同的信號(hào)特 征，不具備斑點(diǎn)噪聲的特性，相位穩(wěn)定，因而將其視為相干目標(biāo)；由于點(diǎn)目標(biāo)穩(wěn)定的后向散 射特性，在獲取原始信號(hào)過(guò)程中各個(gè)子視圖像上表現(xiàn)出相似的后向散射特征，不同距離向 和方位向的子帶寬內(nèi)的散射強(qiáng)度大致相同，因而將SLC圖像作反變換，生成復(fù)數(shù)個(gè)子視圖， 將子視圖作譜相關(guān)分析，根據(jù)其相關(guān)性的大小來(lái)識(shí)別點(diǎn)目標(biāo)；設(shè)各子視圖內(nèi)的某像元的信 號(hào)七⑷=a ig(n)，l彡i彡L為視數(shù)，g(n)為該像元信號(hào)，按照能量比標(biāo)準(zhǔn)衡量L個(gè)子視 信號(hào)的整體相似性為：

依據(jù)上述相干目標(biāo)時(shí)序分析方法，通過(guò)相干目標(biāo)時(shí)序分析模型迭代補(bǔ)償DEM誤差、通 過(guò)濾波減小大氣相位以及噪聲的影響，獲取到各相干目標(biāo)點(diǎn)的地面沉降量； 步驟五：長(zhǎng)條帶相鄰分塊檢驗(yàn)與校正 對(duì)長(zhǎng)條帶中的每個(gè)frame重復(fù)步驟二至步驟四，得到條帶下各分塊地面沉降信息；長(zhǎng) 條帶的每個(gè)frame獲取的形變信息圖的參考基準(zhǔn)位置不同，需要對(duì)連續(xù)frame的參考基準(zhǔn) 進(jìn)行整體偏差補(bǔ)償；整體偏差估算依賴于重疊部分相干目標(biāo)形變參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)同 名點(diǎn)按照式（12)統(tǒng)計(jì)連續(xù)frame之間形變速率的整體偏差，參與統(tǒng)計(jì)的相干目標(biāo)均為滿足 相關(guān)模型的點(diǎn)；在此過(guò)程中選擇連續(xù)frame中的一個(gè)作為基準(zhǔn)，其余均相對(duì)于該frame進(jìn)行 基準(zhǔn)偏差補(bǔ)償，一般情況下，在每個(gè)frame時(shí)序分析過(guò)程中，根據(jù)時(shí)間基線的變化關(guān)系，將 在不同時(shí)間間隔下穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的相干目標(biāo)作為參考基準(zhǔn)，以此降低frame之間形變參數(shù)的 整體偏差； 以兩塊連續(xù)frame之間的檢驗(yàn)、校正，選擇其中一個(gè)frame作為基準(zhǔn)，依據(jù)frame之間 重疊區(qū)域同名點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行基準(zhǔn)偏差的整體補(bǔ)償
式（12)和（13)中：Δ p ^為frame之間基準(zhǔn)偏差；P mi為基準(zhǔn)frame重疊區(qū)中相干目 標(biāo)i的形變量；P si為需調(diào)整frame重疊區(qū)中相干目標(biāo)i的形變量；N表示兩個(gè)frame包含 的同名點(diǎn)個(gè)數(shù)；A為調(diào)整的frame中所有相干目標(biāo)改正后的形變向量； 對(duì)于重疊區(qū)域內(nèi)的各相干點(diǎn)目標(biāo)形變量P i的取值采用距離加權(quán)平均方法求解：
式中Pmi和Psi分別為基準(zhǔn)frame和調(diào)整frame第i個(gè)相干目標(biāo)的權(quán)，P mi和么分別為 重疊區(qū)內(nèi)第i個(gè)相干目標(biāo)在基準(zhǔn)frame和調(diào)整frame中的形變量，D為重疊區(qū)長(zhǎng)度，Dmi和 Dsi分別為基準(zhǔn)frame和調(diào)整frame中相干目標(biāo)距離重疊區(qū)內(nèi)各自影像方位向邊緣的距離； 步驟六：多軌道坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一 通過(guò)對(duì)不同軌道下的多個(gè)長(zhǎng)條帶InSAR地面沉降信息集成進(jìn)而獲取大覆蓋范圍的監(jiān) 測(cè)成果，首先需要對(duì)不同的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一，具有相同的空間坐標(biāo)基準(zhǔn)； 首先需要獲取研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)外部DEM將雷達(dá)圖像與監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行正射校正， 即地理編碼，使得不同軌道下的雷達(dá)圖像位于相同的地面坐標(biāo)系下，消除因地形起伏以及 成像幾何關(guān)系引起的畸變因素的影響；高程精度優(yōu)于l〇m的DEM數(shù)據(jù)保證了平坦地區(qū)配準(zhǔn) 精度優(yōu)于一個(gè)像元，依據(jù)衛(wèi)星參數(shù)將DEM模擬至SAR坐標(biāo)系，建立初始坐標(biāo)變換表，再將DEM 模擬的影像與SAR圖像進(jìn)行精密配準(zhǔn)改進(jìn)坐標(biāo)變換表，通過(guò)反向變換，將雷達(dá)坐標(biāo)系下各 軌道地面形變信息地理編碼至DEM所在的地面坐標(biāo)系內(nèi)； 步驟七：多軌道信息檢驗(yàn)與參考基準(zhǔn)統(tǒng)一 位于相同地面坐標(biāo)系的不同軌道形變信息集成過(guò)程中，受制于雷達(dá)成像入射角的影 響，不能像長(zhǎng)條帶連續(xù)frame重疊區(qū)內(nèi)的相干目標(biāo)在相鄰frame中基本一致，相鄰軌道下相 干目標(biāo)是完全不同的，選擇其中一條軌道為主軌道，相鄰另一條為輔軌道，首先通過(guò)反距離 加權(quán)插值方法將輔軌道上相干目標(biāo)分析結(jié)果進(jìn)行空間域插值為面，設(shè)輔軌道重疊區(qū)內(nèi)共有 η個(gè)相干目標(biāo)點(diǎn)，其插值后平面各點(diǎn)坐標(biāo)（x，y)的沉降速率值通過(guò)下式計(jì)算得出：
式中Pi為第i個(gè)相干目標(biāo)點(diǎn)的沉降量，φ為點(diǎn)（x，y)到第i個(gè)相干目標(biāo)點(diǎn)的距離；再 利用主軌道上重疊區(qū)內(nèi)相干點(diǎn)目標(biāo)位置提取其在輔軌道上插值面上的形變值P s ;根據(jù)相 同相干點(diǎn)目標(biāo)在主軌道的沉降值P m和在輔軌道的沉降值P 3進(jìn)行檢驗(yàn)與校正，檢驗(yàn)與校正 方法同長(zhǎng)條帶相鄰分塊的檢驗(yàn)與校正。
【文檔編號(hào)】G01C5/00GK104122553SQ201410353927
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】葛大慶, 張玲, 王艷, 郭小方, 王毅 申請(qǐng)人:中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心