專利名稱：基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑雷達技術(shù)，尤其涉及一種基于多項式反演模型的時間序列合成孔徑雷達干涉測量(InSAR, Synthetic Aperture Radar Interferometry)形變監(jiān)測方法及裝置。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(SAR, Synthetic Aperture Radar)是20世紀50年代發(fā)展起來的最重要的對地觀測技術(shù)，它通過雷達天線在隨載體的運動中以一定的時間間隔發(fā)射電磁脈沖信號，在不同位置上接收地面物體反射的回波信號，并記錄和存儲下來，形成地面的高分辨率圖像。與可見光、近紅外傳統(tǒng)遙感技術(shù)相比，SAR具有全天候全天時成像能力，不受天氣和時間影響，如微波可以穿透云層和一定程度上穿透雨區(qū)，可以不依賴于太陽作為照射源進行夜間成像，這是其他遙感手段所不具備的。SAR技術(shù)只能獲取地表目標物的二維信息，缺乏獲取目標點高程信息和監(jiān)測目標微小形變的能力。將干涉測量技術(shù)與SAR技術(shù)結(jié)合而形成的合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(InSAR, Synthetic Aperture Radar Interferometry)提供了獲取地面三維信息的全新方法，它通過兩副天線同時觀測或通過一副天線兩次平行觀測，獲取地面同一景觀的復(fù)圖像對，根據(jù)地面各點在兩幅復(fù)圖像中的相位差，得出各點在兩次成像中微波的路程差，從而獲得地面目標的高程信息?；贗nSAR技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑雷達差分干涉測量 (Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry, DInSAR)技術(shù)是對兩幅以上的干涉圖或?qū)σ环缮鎴D加一幅地面數(shù)字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)進行再處理的一種技術(shù)，它通過去除地形引起的干涉相位，獲得關(guān)于地表形變的信息，在火山監(jiān)測、地震位移測量、地面沉降等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。基于重復(fù)軌道的DInSAR技術(shù)容易受空間失相干、時間失相干和大氣干擾等因素的影響，難以進行常態(tài)化的實際應(yīng)用。引起空間失相干的原因包括大的垂直基線和大的形變梯度。時間失相干則是由于兩次成像時刻環(huán)境的不一致導致同一地面像元中散射體的散射特性發(fā)生改變而引起的。易變的大氣條件可能會導致在兩幅干涉影像上不一致的相位延遲，從而引起形變測量誤差。為了克服傳統(tǒng)DInSAR技術(shù)的這些限制，自上世紀90年代末，一些新的InSAR處理技術(shù)被提出。這些技術(shù)的共同特點是基于時間序列SAR影像進行處理，處理的對象不是整幅影像的全部像元，而是其中具有穩(wěn)定散射特性從而能在較長時間間隔內(nèi)保持高相干的像元子集，也就是高相干點。這些技術(shù)總體上可以概括為兩類以永久散射體干涉(Permanent Scatterer 或者 Persistent Scatterer Interferometry,或 PS-InSAR)為代表的單一主影像時間序列InSAR技術(shù)和以小基線集技術(shù)(Small baseline subset interferometry,或 SBAS InSAR)為代表的多主影像時間序列InSAR技術(shù)。為敘述方便，將這兩種技術(shù)統(tǒng)稱為時間序列InSAR技術(shù)。時間序列InSAR技術(shù)對上述三種制約因素均有良好的免疫力，目前已經(jīng)取代傳統(tǒng)的DInSAR技術(shù)在火山、地震、滑坡、地面沉降等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。由于城市地區(qū)擁有密集的天然點目標，如路燈、屋頂?shù)?，因此時間序列InSAR技術(shù)在城市地面沉降測量方面應(yīng)用最為廣泛。但是，時間序列InSAR技術(shù)中仍有一些問題有待完善，其中之一就是關(guān)于形變模型?，F(xiàn)有的時間序列InSAR處理中，都將形變模式假設(shè)為以線性形變?yōu)橹鳎缓笤诤罄m(xù)處理中再恢復(fù)出殘余的非線性形變分量。然而，當高相干點的形變呈現(xiàn)高度的非線性且在空間不相關(guān)的時候，形變反演結(jié)果會有很大誤差。本發(fā)明針對現(xiàn)有時間序列InSAR處理中的線性形變模型的不足，提出了基于多項式的形變反演模型，及相應(yīng)的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法及裝置，以解決如何利用時間序列InSAR進行高精度地表形變監(jiān)測的問題。一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法，所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法包括將某一地區(qū)N幅SAR單視復(fù)影像根據(jù)小基線原則組合成M個干涉像對，生成M幅干涉圖，并去除所述M幅干涉圖中由數(shù)字高程模型 DEM模擬得到的地形相位圖，生成M幅差分相位圖；通過所述M幅干涉圖計算平均相干系數(shù)圖，通過預(yù)設(shè)相干系數(shù)閾值從該平均相干系數(shù)圖中提取高相干點，并對所述M幅差分相位圖的相鄰高相干點的差分相位進行再次差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；通過所述相鄰高相干點的二次差分相位建立多項式反演模型，求解兩個高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，以某一具有已知形變量和DEM誤差的高相干點為參考點，分別集成兩兩高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，得到每個高相干點上的多項式形變和高程誤差；通過所述多項式形變和高程誤差得到高相干點的多項式反演模型相位，從高相干點的差分相位中減去該高相干點的多項式反演模型相位，得到殘差相位；從所述殘差相位中提取殘余形變，將所述殘余形變與所述多項式形變疊加得到所述高相干點的地表形變信息?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述小基線原則為對時間基線和空間基線的限制?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述高相干點的差分相位包括多項式形變相位、 高程誤差相位、殘余形變相位、大氣影響相位、噪聲相位。可選的，在本發(fā)明一實施例中，對所述M幅差分相位圖的差分相位進行再次差分， 得到相鄰高相干點的二次差分相位，包括通過德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)連接各高相干點， 對所述德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)上邊長小于或等于2公里的相鄰點作鄰域差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；其中，所述相鄰高相干點為空間距離小于或等于2公里的兩個高相干點?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，通過所述多項式形變和所述高程誤差得到所述高相干點的多項式反演模型相位，該多項式反演模型相位包括如下參數(shù)一次形變速率、二次形變速率、三次形變速率和高程誤差。另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置，所述時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置包括
差分相位圖生成單元，用于將某一地區(qū)N幅SAR單視復(fù)影像根據(jù)小基線原則組合成M個干涉像對，生成M幅干涉圖，并去除所述M幅干涉圖中由數(shù)字高程模型DEM模擬得到的地形相位圖，生成M幅差分相位圖；相鄰高相干點的二次差分相位獲取單元，用于通過所述M幅干涉圖計算平均相干系數(shù)圖，通過預(yù)設(shè)相干系數(shù)閾值從該平均相干系數(shù)圖中提取高相干點，并對所述M幅差分相位圖的相鄰高相干點的差分相位進行再次差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；多項式反演模型單元，用于通過所述相鄰高相干點的二次差分相位建立多項式反演模型，求解兩個高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，以某一具有已知形變量和DEM誤差的高相干點為參考點，分別集成兩兩高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，得到每個高相干點上的多項式形變和高程誤差；地表形變信息獲取單元，用于通過所述多項式形變和所述高程誤差得到高相干點的多項式反演模型相位，從高相干點的差分相位中減去該高相干點的多項式反演模型相位，得到殘差相位；并從所述殘差相位中提取殘余形變，將所述殘余形變與所述多項式形變疊加得到所述高相干點的地表形變信息?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述小基線原則為對時間基線和空間基線的限制?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述高相干點的差分相位包括多項式形變相位、 高程誤差相位、殘余形變相位、大氣影響相位、噪聲相位?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述相鄰高相干點的二次差分相位獲取單元，具體用于通過德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)連接各高相干點,對所述德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)上的邊長小于或等于2公里的相鄰點作鄰域差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；其中，所述相鄰高相干點為空間距離小于或等于2公里的兩個高相干點?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述地表形變信息獲取單元，具體用于通過所述多項式形變和所述高程誤差得到所述高相干點的多項式反演模型相位，該多項式反演模型相位包括如下參數(shù)一次形變速率、二次形變速率、三次形變速率和高程誤差。上述技術(shù)方案具有如下有益效果與現(xiàn)有基于線性反演模型的時間序列InSAR方法相比，上述本發(fā)明實施例為高精度的地表形變監(jiān)測提供了一種解決方案，能更好地擬合實際地表形變。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實施例基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法流程圖；圖2為本發(fā)明實施例基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明應(yīng)用實例通過預(yù)設(shè)相干系數(shù)閾值提取的高相干點示意圖；圖4是本發(fā)明應(yīng)用實例高相干點生成的Delaunay三角網(wǎng)示意圖5是本發(fā)明應(yīng)用實例用于精度驗證的30個水準點分布圖；圖6是本發(fā)明應(yīng)用實例得到的太原地區(qū)一次形變速率示意圖；圖7是本發(fā)明應(yīng)用實例得到的太原地區(qū)二次形變速率示意圖；圖8是本發(fā)明應(yīng)用實例得到的太原地區(qū)三次形變速率示意圖；圖9是本發(fā)明應(yīng)用實例得到的太原地區(qū)平均形變速率示意圖；圖10是現(xiàn)有技術(shù)基于線性反演模型InSAR技術(shù)得到的太原地區(qū)平均形變速率示意圖；圖11是本發(fā)明應(yīng)用實例太原地區(qū)2004-2006年多項式反演模型得到的形變量和現(xiàn)有技術(shù)線性反演模型得到的形變量與同時段水準數(shù)據(jù)的精度比較表。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如圖I所示，為本發(fā)明實施例提供了基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法流程圖，所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法包括101、將某一地區(qū)N幅SAR單視復(fù)影像(SLC, Single Look Complex)根據(jù)小基線原則組合成M個干涉像對，生成M幅干涉圖，并去除所述M幅干涉圖中由數(shù)字高程模型DEM模擬得到的地形相位圖，生成M幅差分相位圖。小基線原則可以為對時間基線的限制和空間基線的限制兩方面，對于C波段的 ERS-1/2SAR或ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)而言，時間基線一般不超過3年，空間基線一般不超過400 米。基于N幅SAR SLC影像，可組合形成M個小基線干涉像對，生成M幅干涉圖，去除由該地區(qū)外部DEM模擬得到的地形相位圖，可得到M幅差分相位圖，各像素的相位模型可表示為
權(quán)利要求
1.一種基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法，其特征在于，所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法包括將某一地區(qū)N幅SAR單視復(fù)影像根據(jù)小基線原則組合成M個干涉像對，生成M幅干涉圖，并去除所述M幅干涉圖中由數(shù)字高程模型DEM模擬得到的地形相位圖，生成M幅差分相位圖；通過所述M幅干涉圖計算平均相干系數(shù)圖，通過預(yù)設(shè)相干系數(shù)閾值從該平均相干系數(shù)圖中提取高相干點，并對所述M幅差分相位圖的相鄰高相干點的差分相位進行再次差分， 得到相鄰高相干點的二次差分相位；通過所述相鄰高相干點的二次差分相位建立多項式反演模型，求解兩個高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，以某一具有已知形變量和DEM誤差的高相干點為參考點，分別集成兩兩高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，得到每個高相干點上的多項式形變和高程誤差；通過所述多項式形變和高程誤差得到高相干點的多項式反演模型相位，從高相干點的差分相位中減去該高相干點的多項式反演模型相位，得到殘差相位；從所述殘差相位中提取殘余形變，將所述殘余形變與所述多項式形變疊加得到所述高相干點的地表形變信息。
2.如權(quán)利要求I所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法，其特征在于，所述小基線原則為對時間基線和空間基線的限制。
3.如權(quán)利要求I所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法，其特征在于，所述高相干點的差分相位包括多項式形變相位、高程誤差相位、殘余形變相位、大氣影響相位、噪聲相位。
4.如權(quán)利要求I所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法，其特征在于，對所述M幅差分相位圖的差分相位進行再次差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位，包括通過德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)連接各高相干點，對所述德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)上邊長小于或等于2公里的相鄰點作鄰域差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；其中，所述相鄰高相干點為空間距離小于或等于2公里的兩個高相干點。
5.如權(quán)利要求I所述時間序列InSAR形變監(jiān)測方法，其特征在于，通過所述多項式形變和所述高程誤差得到所述高相干點的多項式反演模型相位，該多項式反演模型相位包括如下參數(shù)一次形變速率、二次形變速率、三次形變速率和高程誤差。
6.一種基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置，其特征在于，所述時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置包括差分相位圖生成單元，用于將某一地區(qū)N幅SAR單視復(fù)影像根據(jù)小基線原則組合成M 個干涉像對，生成M幅干涉圖，并去除所述M幅干涉圖中由數(shù)字高程模型DEM模擬得到的地形相位圖，生成M幅差分相位圖；相鄰高相干點的二次差分相位獲取單元，用于通過所述M幅干涉圖計算平均相干系數(shù)圖，通過預(yù)設(shè)相干系數(shù)閾值從該平均相干系數(shù)圖中提取高相干點，并對所述M幅差分相位圖的相鄰高相干點的差分相位進行再次差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；多項式反演模型單元，用于通過所述相鄰高相干點的二次差分相位建立多項式反演模型，求解兩個高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差，以某一具有已知形變量和DEM誤差的高相干點為參考點，分別集成兩兩高相干點間的相對多項式形變與相對高程誤差， 得到每個高相干點上的多項式形變和高程誤差；地表形變信息獲取單元，用于通過所述多項式形變和所述高程誤差得到高相干點的多項式反演模型相位，從高相干點的差分相位中減去該高相干點的多項式反演模型相位，得到殘差相位；并從所述殘差相位中提取殘余形變，將所述殘余形變與所述多項式形變疊加得到所述高相干點的地表形變信息。
7.如權(quán)利要求6所述時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置，其特征在于，所述小基線原則為對時間基線和空間基線的限制。
8.如權(quán)利要求6所述時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置，其特征在于，所述高相干點的差分相位包括多項式形變相位、高程誤差相位、殘余形變相位、大氣影響相位、噪聲相位。
9.如權(quán)利要求6所述時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置，其特征在于，所述相鄰高相干點的二次差分相位獲取單元，具體用于通過德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)連接各高相干點，對所述德勞內(nèi)Delaunay三角網(wǎng)上的邊長小于或等于2公里的相鄰點作鄰域差分，得到相鄰高相干點的二次差分相位；其中，所述相鄰高相干點為空間距離小于或等于2公里的兩個高相干點。
10.如權(quán)利要求6所述時間序列InSAR形變監(jiān)測裝置，其特征在于，所述地表形變信息獲取單元，具體用于通過所述多項式形變和所述高程誤差得到所述高相干點的多項式反演模型相位，該多項式反演模型相位包括如下參數(shù)一次形變速率、二次形變速率、三次形變速率和高程誤差。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于多項式反演模型的時間序列InSAR形變監(jiān)測方法及裝置，該方法包括將某一地區(qū)N幅SAR單視復(fù)影像組合生成M幅干涉圖，并生成M幅差分相位圖；計算平均相干系數(shù)圖，提取高相干點，對相鄰的兩個高相干點的差分相位進行再次差分建立多項式反演模型，求解相鄰點的相對多項式形變與相對高程誤差，以某一具有已知形變量和DEM誤差的高相干點為參考點，分別集成得到每個高相干點的多項式形變和高程誤差；得到高相干點的多項式反演模型相位，從高相干點的差分相位中減去該高相干點的多項式反演模型相位，得到殘差相位；從殘差相位中提取殘余形變，與多項式形變疊加得到高相干點的地表形變信息。本發(fā)明為高精度的地表形變監(jiān)測提供了一種解決方案。
文檔編號G01S7/40GK102608584SQ20121007311
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者吳宏安, 張永紅, 張繼賢, 燕琴 申請人:中國測繪科學研究院