一種insar測(cè)量中的大氣校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，包括：(1)利用WRF模型模擬出來(lái)計(jì)算大氣延遲所需要的參數(shù)，所述WRF模型采用的氣象數(shù)據(jù)是GFS數(shù)據(jù)；(2)計(jì)算干、濕大氣延遲；(3)將大氣延遲轉(zhuǎn)換為相位延遲；(4)在INSAR干涉相位圖中去掉大氣延遲相位。本發(fā)明利用了中尺度的大氣模型WRF做大氣校正，模型可以預(yù)測(cè)天氣情況達(dá)到1公里的分辨率水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于MERIS，MODIS和GPS數(shù)據(jù)的方法；所用的GFS氣象數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為3小時(shí)，每隔6小時(shí)更新一次，時(shí)效性更強(qiáng)；本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，適于推廣應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種INSAR測(cè)量中的大氣^校正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種INSAR(Interferometric SAR，合成孔 徑雷達(dá)干涉)測(cè)量中的大氣校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣延遲是影響干涉相位精度的最重要的因素之一。通常極軌SAR衛(wèi)星飛行高度 一般在500~800km，SAR電磁波傳播需要經(jīng)過(guò)電離層(地表以上約80km到85~800km的氣層） 和對(duì)流層(地表到7~12km的氣層），從而受到電離層和對(duì)流層的影響。在電離層中主要由于 電離大氣的散射效應(yīng)引起電磁波的傳播發(fā)生延遲;同時(shí)由于電離層電子濃度總含量(Total Electron Content，TEC)的變化，使得電磁波的傳播路徑發(fā)生改變。在對(duì)流層中，由于大氣 的溫度、氣壓和濕度都是隨高度改變的，使大氣表現(xiàn)為一種分層介質(zhì)，造成大氣的折射率隨 高度變化，而使電磁波的傳播路徑發(fā)生變化;另外，由于電磁波受到云、降雨和懸浮顆粒等 液體和固體顆粒的折曲、吸收、反射和散射作用，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳播延遲和路徑彎曲。
[0003] 大氣參數(shù)通常又分為濕大氣參數(shù)(指大氣中水汽分氣壓)和干大氣參數(shù)（即靜力大 氣參數(shù)，包括干大氣壓和溫度），由此引起的大氣延遲分別為大氣濕延遲和大氣干延遲。干 延遲在時(shí)域內(nèi)比較穩(wěn)定，在空域內(nèi)有大尺度變化的特性，對(duì)流層中的濕延遲在總體大氣延 遲中占有主導(dǎo)地位。例如，對(duì)于L波段而言，雷達(dá)波長(zhǎng)λ為22cm，入射角Θ范圍為20°~30°， 1〇1111]1的2￥0(2611；[1:11￥6七06137，水汽造成的天頂方向上的延遲)誤差可以引起干涉圖0.16~ 0.23個(gè)相位延遲；IOmm的ZWD誤差引起的形變誤差為4.8mm~7.1mm。當(dāng)斜距R為800km，垂直 基線為251m時(shí)，IOmm的ZWD誤差引起的高程誤差為23m~36m。
[0004] 目前，比較有效的大氣較正模型是基于MERIS水汽產(chǎn)品進(jìn)行大氣校正（許驥、謝酬 等，2007)。利用MERIS數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣相位改正，主要包括獲取可沉降水汽含量、計(jì)算衛(wèi)星過(guò) 境時(shí)相應(yīng)的天頂濕延遲和分析干涉對(duì)上的大氣相位3個(gè)部分。從MERIS數(shù)據(jù)獲取可沉降水汽 含量(？61'〇6口1:;[1316￥3￥6\^)01'，？￥\0和云信息。]\^1?13傳感器的14、15通道波長(zhǎng)分別為0.894111 和0 · 90μηι，其中的0 · 90μηι位于大氣吸收波段范圍，而0 · 89μηι為大氣窗口。這兩個(gè)通道之間的 反射輻射比可以用來(lái)作為MERIS傳感器的大氣水汽總量的一個(gè)指標(biāo)。MERIS大氣反演算法通 常都是建立15、14通道的比值與積分水汽含量（Integrated Water Vapor, IWV)的多項(xiàng)式關(guān) 系上的，ΗΠ
[0005] ⑴
[0006] 式中，115和114分別表示MERIS傳感器15、14通道的輻射值山、1^和1?為回歸系數(shù)。 由于水汽的密度為1.〇 X l〇3kg/m3，IWV和可沉降水汽含量PWV具有相同的數(shù)值。在無(wú)云的情 況下，算法在陸地上的理論精度為I. emnuMEILRILSP提供了以g/cm2為單位的大氣水汽含量 數(shù)據(jù)。MER_RR_2P提供的有關(guān)云的信息包括了云的類型和云的光學(xué)厚度，根據(jù)這些信息可以 確定衛(wèi)星過(guò)境時(shí)該區(qū)域的云量是否過(guò)大和該景MERIS數(shù)據(jù)是否適合于進(jìn)行大氣改正。對(duì)于 第i景SAR數(shù)據(jù)上的第j個(gè)點(diǎn)，根據(jù)雷達(dá)成像幾何，可以計(jì)算出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)地面目標(biāo)的空間三維 坐標(biāo)矢量Xj，同時(shí)也可以計(jì)算出在每一景ASAR數(shù)據(jù)成像時(shí)該地面目標(biāo)對(duì)應(yīng)的入射角9^，根 據(jù)Xj，通過(guò)二維插值運(yùn)算，從與第i景ASAR數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的MERIS數(shù)據(jù)上，能夠得到在獲取第i景 ASAR數(shù)據(jù)時(shí)第j個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的可沉降水汽含量PWViJP云信息。對(duì)SAR影像上的像素點(diǎn)，水汽造 成的天頂方向上的延遲(ZenithWetDelay，ZWD)可用PWV來(lái)表示，即
[0007] ZWD = Ir1PWV (2)
[0008]式中，Π 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，與數(shù)據(jù)獲取時(shí)所在區(qū)域的真實(shí)表面溫度相關(guān)。在確定了無(wú)云 或云量較小的情況下，根據(jù)式(2)，結(jié)合數(shù)據(jù)獲取時(shí)所在區(qū)域的真實(shí)表面溫度T1，從可沉降 水汽含量得到第i景ASAR數(shù)據(jù)第j個(gè)點(diǎn)上水汽造成的天頂方向上的延遲。根據(jù)式（2)，由于 PWV的測(cè)量誤差，導(dǎo)致SAR數(shù)據(jù)中大氣相位的計(jì)算誤差可表示為
(3)
[0009]
[0010] 式中，λ為SAR傳感器波長(zhǎng);0in。為SAR影像上像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)在成像時(shí)的入 射角。
[0011] 上述方法存在以下不足：
[0012] 1、MERIS獲取水汽含量數(shù)據(jù)受云的影響，因此在有云的區(qū)域，該數(shù)據(jù)的水汽含量不 準(zhǔn)確。
[0013] 2、該方法受MERIS數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的限制，數(shù)據(jù)的接收時(shí)間是固定的，數(shù)據(jù)時(shí)間和 實(shí)際干涉圖的時(shí)間會(huì)有偏差，影響計(jì)算結(jié)果。
[0014] 由此可見，上述現(xiàn)有的大氣校正方法，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一 步改進(jìn)。如何能創(chuàng)設(shè)一種結(jié)果可靠的新的INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，成為當(dāng)前業(yè)界極需 改進(jìn)的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)果準(zhǔn)確可靠的INSAR測(cè)量中的大氣校正方 法。
[0016] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0017] 一種INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，包括：（1)利用WRF模型模擬出來(lái)計(jì)算大氣延遲 所需要的參數(shù)，所述WRF模型采用的氣象數(shù)據(jù)是GFS數(shù)據(jù)；（2)計(jì)算干、濕大氣延遲；（3)將大 氣延遲轉(zhuǎn)換為相位延遲；（4)在INSAR干涉相位圖中去掉大氣延遲相位。
[0018] 進(jìn)一步地，所述WRF模型包括WPS處理步驟及WRF處理步驟，計(jì)算大氣延遲所需要的 參數(shù)包括溫度、濕度、氣壓。
[0019] 進(jìn)一步地，在計(jì)算干、濕大氣延遲的同時(shí)，同時(shí)輸入DEM數(shù)據(jù)、入射角、波長(zhǎng)、分辨 率、經(jīng)煒度范圍、干涉圖文件，進(jìn)行空間插值，并將計(jì)算出來(lái)的天頂方向的延遲轉(zhuǎn)換成斜距 延遲(單位:cm)，然后將斜距延遲(單位:cm)轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔谎舆t(單位:rad)，通過(guò)畫圖軟件得 出大氣延遲效果圖；將已處理好的INSAR干涉相位圖中減掉大氣相位延遲，即可得到大氣相 位校正后的干涉圖。
[0020] 本發(fā)明利用WRF模型進(jìn)行InSAR大氣校正可以獲得更實(shí)時(shí)有效的氣象參數(shù)，計(jì)算出 來(lái)的大氣延遲相位更加準(zhǔn)確；該方法利用了高程信息，在空間高度分布上對(duì)延遲相位進(jìn)行 插值，結(jié)果更可靠，該校正方法對(duì)InSAR技術(shù)的精準(zhǔn)性作出很大貢獻(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下 結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 圖1是圖I WRF模型中WPS、WRF處理程序及其之間的關(guān)系圖；
[0023]圖2是利用WRF模型進(jìn)行大氣校正流程圖；
[0024]圖3為采用本發(fā)明方法對(duì)黃河三角洲地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正得出的大氣延遲結(jié) 果圖；
[0025]圖4為黃河三角洲地區(qū)大氣校正前的干涉圖；
[0026]圖5為黃河三角洲地區(qū)大氣校正后的干涉圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖2所示，針對(duì)INSAR測(cè)量中的大氣校正，本發(fā)明主要是利用WRF模型模擬出來(lái)計(jì) 算大氣延遲所需要的溫度、濕度、氣壓、位勢(shì)高度;利用這些大氣參數(shù)計(jì)算大氣干、濕延遲。 [0028] WRF(Weather Research Forecast)模式系統(tǒng)是由許多美國(guó)研究部門及大學(xué)的科 學(xué)家共同參與進(jìn)行開發(fā)研究的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，是靈活、完美的大氣模 擬系統(tǒng)，具有易攜帶，高效，且可并行運(yùn)算的特性，廣泛應(yīng)用于從米到數(shù)千公里。包括:實(shí)時(shí) 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、預(yù)報(bào)研究、參數(shù)化研究等。WRF模型支持多種氣象數(shù)據(jù)，本發(fā)明所采用的氣象 數(shù)據(jù)是GFS數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的GFS(全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)），其預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可預(yù)報(bào)未來(lái)8天 共192個(gè)小時(shí)的天氣，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為3小時(shí)，分辨率有1° *1°的，也有0.5° *0.5°。每隔6 小時(shí)更新一次，每日四次，06時(shí)，12時(shí)，18時(shí)，00時(shí)，分別于03: 30，09: 30，15: 30，21: 30UTC更 新。WRF的前處理系統(tǒng)(The WRF Preprocessing System,WPS)用于實(shí)時(shí)的資料處理，功能包 括:定義模擬區(qū)域;插值地形資料(如地形、土表和土壤類型）到模擬區(qū)域;插值其他模式的 資料(如氣象要素等)到模擬區(qū)域和模式坐標(biāo)。
[0029]配合圖1所示，WPS的三個(gè)步驟包括：利用geogrid模塊確定一個(gè)模式的粗糙區(qū)域 (最外圍的范圍）；利用ungrib把模擬期間所需的氣象要素場(chǎng)從grib資料集中提取出來(lái);利 用metgrid把上述的氣象要素場(chǎng)水平插值到模式區(qū)域。WRF的兩個(gè)步驟:運(yùn)行WRF數(shù)據(jù)程序 real · exe;運(yùn)行WRF模式主程序wrf · exe JRF模型運(yùn)行出來(lái)的結(jié)果文件wrfplev_d*，wrfout_ d*將作為后續(xù)大氣校正的輸入文件。通過(guò)MATLAB程序?qū)庀髤?shù)的中溫度、濕度、氣壓等參 數(shù)提取出來(lái)，計(jì)算出大氣延遲。
[0030] 配合圖2所示，本發(fā)明中INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，在計(jì)算干濕大氣延遲的同 時(shí)，同時(shí)要輸入DEM數(shù)據(jù)、入射角、波長(zhǎng)、分辨率、經(jīng)煒度范圍、干涉圖文件，進(jìn)行空間插值，并 將計(jì)算出來(lái)的天頂方向的延遲(單位:cm)轉(zhuǎn)換成斜距延遲，然后將斜距延遲轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔谎?遲(單位:rad)，通過(guò)畫圖軟件得出大氣延遲效果圖。將已處理好的干涉圖中減掉大氣延遲 相位，即可得到大氣相位校正后的干涉圖。
[0031] 本發(fā)明的上述大氣校正方法，利用了中尺度的大氣模型WRF做大氣校正，WRF模型 可以模擬出來(lái)計(jì)算大氣延遲所需要的各種氣象要素，包括溫度、濕度、氣壓等，模型可以預(yù) 測(cè)天氣情況達(dá)到1公里的分辨率水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于MERIS，M0DIS和GPS數(shù)據(jù)的方法。所用的 GFS氣象數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為3小時(shí)，每隔6小時(shí)更新一次，時(shí)效性更強(qiáng)。該方法利用了 高程信息，在空間高度分布上對(duì)延遲相位進(jìn)行插值，結(jié)果更可靠。
[0032] 已利用該方法對(duì)黃河三角洲地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正。所用數(shù)據(jù)為ALOS-IJi 據(jù)日期為20070628,20070813,分辨率為15米。得出總的大氣延遲結(jié)果如圖3所示，大氣延遲 值為-l_7cm。大氣校正前的干涉圖如圖4所示，大氣校正后的干涉圖如圖5所示。
[0033] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，本 領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡(jiǎn)單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā) 明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，其特征在于，包括： (1) 利用WRF模型模擬出來(lái)計(jì)算大氣延遲所需要的參數(shù)，所述WRF模型采用的氣象數(shù)據(jù) 是GFS數(shù)據(jù)； (2) 計(jì)算干、濕大氣延遲； (3) 將大氣延遲轉(zhuǎn)換為相位延遲； (4) 在INSAR干涉相位圖中去掉大氣延遲相位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，其特征在于，所述WRF模型 包括WPS處理步驟及WRF處理步驟，計(jì)算大氣延遲所需要的參數(shù)包括溫度、濕度、氣壓、位勢(shì) 高度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種INSAR測(cè)量中的大氣校正方法，其特征在于，在計(jì)算 干、濕大氣延遲時(shí)，同時(shí)輸入DEM數(shù)據(jù)、入射角、波長(zhǎng)、分辨率、經(jīng)煒度范圍、干涉圖文件，進(jìn)行 空間插值，并將計(jì)算出來(lái)的天頂方向的延遲轉(zhuǎn)換成斜距延遲，然后將斜距延遲轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔?延遲，通過(guò)畫圖軟件得出大氣延遲效果圖；將已處理好的INSAR干涉相位圖中減掉大氣延遲 相位，即可得到大氣相位校正后的干涉圖。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK105842692SQ201610154435
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】原君娜, 謝酬, 邵蕓
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所